一种测定轻骨料导热系数的方法与流程

本发明涉及建筑材料和细观力学的交叉领域，尤其涉及一种测定轻骨料导热系数的方法。

背景技术：

导热系数是工程材料重要的性能参数，可视为衡量材料在一定温度差下的保温性能，其值越大，当材料在两侧处于不同温度下时，两侧之间热量的传输越大，即保温性能越差。正确地获得轻骨料的导热系数是确定轻骨料混凝土在一定温度场下的保温性能，研制高强轻骨料混凝土的基础。目前轻粗骨料主要的产品为粘土陶粒和页岩陶粒，常采用的轻细骨料有粘土陶砂和页岩陶砂。由于轻骨料在高温烧制后，产品已经是5-40mm的微小颗粒，采用传统的方法通过导热仪很难准确测出颗粒状的骨料导热系数，因此轻骨料的平均导热系数很难估计，国内技术规范中还没有标准的测量方法。国内外的相关测定技术中，测量材料的导热系数一般有瞬态法和稳态法，稳态法包括平板法、护板法、热流计法等；瞬态法包括热线法、热盘法、激光法等。然而这些方法都不能很好的测量出颗粒和粉末状材料的导热系数。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中难以测量轻骨料的导热系数的缺陷，提供一种测定轻骨料导热系数的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种测定轻骨料导热系数的方法，包括以下步骤：

S1、制备混凝土试件，通过试验确定导热系数：确定水泥浆、水泥砂浆或混凝土各组分的配合比，按标准制作试件，并通过试验测定水泥浆、水泥砂浆或混凝土的导热系数；

S2、利用均匀质法的迭代稀释模型推导轻骨料的导热系数；

S21、根据迭代法，将轻骨料的体积比分成n等份，得到第i次迭代的体积比；其中，轻粗骨料的体积比计算公式为：

轻细骨料的体积比计算公式为：

其中，V_a为轻粗骨料总的体积比，V_b为轻细骨料总的体积比，i＝1,…,n，V_m为水泥砂浆总的体积比，V₀为水泥浆总的体积比；

S22、根据稀释模型，结合试验得到的各组成材料的导热系数和体积比，推导组合物的等效导热系数，得到最终的导热系数；其中：

组合物为混凝土时，稀释模型的计算公式为：

组合物为水泥砂浆时，稀释模型的计算公式为：

其中，为水泥砂浆的导热系数的初始值，为水泥浆的导热系数的初始值，为计算所得的混凝土的导热系数的最终值，为计算所得的水泥砂浆的导热系数的最终值，λ_a为轻粗骨料的导热系数，λ_b为轻细骨料的导热系数；

S23、通过计算机软件，循环执行步骤S21和步骤S22，直到i＝n结束循环；

S24、比较计算得到的组合物最终的导热系数与试验得到的导热系数之间的误差，若误差大于规定的限值，返回步骤S21；若误差小于或等于规定的限值，则终止计算过程，当前计算得到的λ_a或λ_b为轻粗骨料或轻细骨料的导热系数。

进一步地，本发明的步骤S1中确定水泥浆、水泥砂浆或混凝土各组分的配合比的方法具体为：

A，确定水泥浆的配合比，其中水灰比控制在0.30-0.55范围内；

B，确定水泥砂浆的配合比，其中水灰比控制在0.30-0.55范围内，保持水泥砂浆中水泥浆的配合比不变，按照体积比V₀，加入细骨料，确定水泥砂浆中各种组分的配合比，每一种水泥砂浆试件中的水泥浆配比和纯水泥浆的配比保持一致，细骨料体积占整个水泥砂浆的比例控制在25％-60％；

C，确定混凝土的配合比，其中保持混凝土中水泥砂浆的配合比不变，按照体积比V_a，加入粗骨料，确定混凝土内各种组分的配合比，每一种轻骨料混凝土试件中的水泥砂浆的配比和纯水泥砂浆试件的配比一致，轻骨料体积V_a占整个混凝土体积的比例控制在20％-50％范围内。

进一步地，本发明的步骤S1中水泥砂浆和混凝土，其各组成成分的质量比为：

水泥浆：水泥：水＝1：x

水泥砂浆：水泥﹕水﹕河砂﹕陶砂＝1﹕x﹕y﹕z；

混凝土：水泥﹕水﹕河砂﹕陶砂﹕轻粗骨料＝1﹕x﹕y﹕z﹕a；

其中，x为水灰比，y、z的取值由各自在细骨料总体积中所占比例与其表观密度换算决定；a的取值根据轻骨料体积比V_a和轻骨料表观密度共同确定。

进一步地，本发明的步骤S1中按标准制作试件的方法具体为：

在搅拌前浸泡轻骨料24-48小时，从水中取出轻骨料，在筛网上晾置20-25分钟，等表面水分滤净，开始搅拌，搅拌操作程序为：

a，依次在搅拌机中放入：轻粗骨料，水泥，河砂，陶砂搅拌1-2分钟；

b，一边搅拌一边将拌合水匀速地加入搅拌机，用时2-3分钟；

c，水倒完以后，混合物继续搅拌3-4分钟后，结束搅拌，步骤a、步骤b和步骤c的总体搅拌时间控制在10分钟以内，同样配比的试件每组做3个样本，制作尺寸为300×300×40mm的长方体试件，养护时间28天，保持恒温恒湿状态，温度18-22℃，相对湿度≥95％。

进一步地，本发明的步骤S1中通过试验测定水泥浆、水泥砂浆或混凝土的导热系数的方法具体为：

a，在试验前，对上下板面进行平整度处理；将3个混凝土样本依次放入耐驰HFM436导热仪中进行导热系数的测定，选取的测试条件为上下板面温差20℃，平均温度20℃，测出导热系数λ_a；

b，在相同条件下采用导热仪测定水泥砂浆和水泥浆的导热系数λ_m和λ₀。

进一步地，本发明的步骤S21中将轻骨料的体积比分成n等份的方法为：

n的取值保证每次迭代的体积比≤1％。

进一步地，本发明的步骤S24中比较计算得到的组合物最终的导热系数与试验得到的导热系数之间的误差的方法为：

令混凝土导热系数的计算值为水泥砂浆导热系数的计算值为通过以下公式比较混凝土导热系数的计算值与试验值的误差：

通过以下公式比较水泥砂浆导热系数的计算值与试验值的误差：

其中，误差为Δ，误差的规定限值为η；

误差小于或等于规定的限值η，接受轻粗骨料的导热系数λ_a或轻细骨料的导热系数λ_b；

误差超过限值η，转回步骤S21，并调整轻粗骨料或轻细骨料的导热系数。

本发明产生的有益效果是：本发明的测定轻骨料导热系数的方法，特别适用于轻粗、细骨料颗粒细小，无法用传统方法测量导热系数的情况；测量时，没有改变轻粗、细骨料的初始特征，保证了测量对象的完好性；测量中，不必要一粒一粒地测量轻粗、细骨料颗粒的导热系数后再做统计，可以从总体测量轻粗、细骨料的导热系数，降低了由于试验样本的个体偏差造成误差的可能性；通过本测量求出的轻粗、细骨料导热系数比较准确地反映了混凝土或水泥砂浆材料内轻粗、细骨料的弹性特征，为模拟混凝土或水泥砂浆导热系数，制备轻骨料混凝土提供了优质的试验数据。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的利用均匀质法的迭代稀释模型推导轻骨料的导热系数的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的测定轻骨料导热系数的方法，包括以下步骤：

S1、制备混凝土试件，通过试验确定导热系数：确定水泥浆、水泥砂浆或混凝土各组分的配合比，按标准制作试件，并通过试验测定水泥浆、水泥砂浆或混凝土的导热系数；

S2、利用均匀质法的迭代稀释模型推导轻骨料的导热系数；

S21、根据迭代法，将轻骨料的体积比分成n等份，得到第i次迭代的体积比；其中，轻粗骨料的体积比计算公式为：

轻细骨料的体积比计算公式为：

其中，V_a为轻粗骨料总的体积比，V_b为轻细骨料总的体积比，i＝1,…,n，V_m为水泥砂浆总的体积比，V₀为水泥浆总的体积比；

S22、根据稀释模型，结合试验得到的各组成材料的导热系数和体积比，推导组合物的等效导热系数，得到最终的导热系数；其中：

组合物为混凝土时，稀释模型的计算公式为：

组合物为水泥砂浆时，稀释模型的计算公式为：

其中，为水泥砂浆的导热系数的初始值，为水泥浆的导热系数的初始值，为计算所得的混凝土的导热系数的最终值，为计算所得的水泥砂浆的导热系数的最终值，λ_a为轻粗骨料的导热系数，λ_b为轻细骨料的导热系数；

S23、通过计算机软件，循环执行步骤S21和步骤S22，直到i＝n结束循环；

S24、比较计算得到的组合物最终的导热系数与试验得到的导热系数之间的误差，若误差大于规定的限值，返回步骤S21；若误差小于或等于规定的限值，则终止计算过程，当前计算得到的λ_a或λ_b为轻粗骨料或轻细骨料的导热系数。

在本发明的另一个具体实施例中，该方法的步骤为：

A、制备混凝土试件，通过试验确定导热系数：

(1)确定水泥砂浆和混凝土各组分的配合比：为三个层次；A，确定纯水泥浆的配合比，其中水灰比控制在0.30-0.55范围内；B，确定纯水泥砂浆的配合比，其中水灰比控制在0.30-0.55范围内，保持水泥砂浆中水泥浆的配合比不变，按照体积比V₀，加入细骨料，确定水泥砂浆中各种组分的配合比，每一种水泥砂浆试件中的水泥浆配比和纯水泥浆的配比保持一致，细骨料体积V₀占整个水泥砂浆的比例控制在25％-60％；C，确定混凝土的配合比，其中保持混凝土中水泥砂浆的配合比不变，按照体积比V_a，加入粗骨料，确定混凝土内各种组分的配合比，每一种轻骨料混凝土试件中的水泥砂浆的配比和纯水泥砂浆试件的配比一致，轻骨料体积V_a占整个混凝土体积的比例控制在20％-50％范围内；

水灰比为x的水泥砂浆和混凝土,其各组成成分的质量比为：

水泥浆：水泥：水＝1：x

水泥砂浆：水泥﹕水﹕河砂﹕陶砂＝1﹕x﹕y﹕z；

混凝土：水泥﹕水﹕河砂﹕陶砂﹕轻粗骨料＝1﹕x﹕y﹕z﹕a；

y、z的取值由各自在细骨料总体积中所占比例与其表观密度换算决定；

a的取值根据轻骨料体积比V_a和轻骨料表观密度共同确定。

(2)按标准制作试件：为避免轻粗骨料在搅拌过程中吸水，在搅拌前浸泡24-48小时，在搅拌前，轻骨料从水中取出，在筛网上晾置20-25分钟，等表面水分滤净，开始搅拌，搅拌操作程序为：a，依次在搅拌机中放入：轻粗骨料，水泥，河砂，陶砂搅拌1-2分钟；b，一边搅拌一边将拌合水匀速地加入搅拌机，用时2-3分钟；c，水倒完以后，混合物继续搅拌3-4分钟后，结束搅拌，上述a，b，c的总体搅拌时间控制在10分钟以内，同样配比的试件每组做3个样本，制作尺寸为300×300×40mm的长方体试件，养护时间28天，保持恒温恒湿状态，温度18-22℃，相对湿度≥95％；

(3)确定水泥砂浆和混凝土的导热系数：按照下列步骤：a，将3个混凝土样本依次放入耐驰HFM436导热仪中进行导热系数的测定，选取的测试条件为上下板面温差20℃，平均温度20℃，测出导热系数λ_a；b，在相同条件下采用导热仪测定水泥砂浆和水泥浆的导热系数λ_m、λ₀。在试验前，对上下板面进行平整度处理；

B、利用均匀质法的迭代稀释模型推导轻骨料的弹性模量：

均匀质法假设轻粗骨料(轻细骨料)是微观杂质，均匀地分布在水泥砂浆(或水泥浆)为基质的均质材料中，把混凝土(或水泥砂浆)视为双相均匀质材料，这样杂质和基质共同构成了材料整体，混凝土(或水泥砂浆)整体的等效导热性能是由其内在各种组成的材料自有导热性能和所占比重控制，均匀质法衍生出不同的细观模型，其中一种为稀释模型：轻粗骨料(或轻细骨料)颗粒是圆球形，均匀分散在水泥砂浆(或水泥浆)基质中，轻粗骨料(或轻细骨料)颗粒之间没有相互影响，在杂质体积含量比较小≤1％，在稀释模型的上融入了迭代法：把杂质分割后放入基质，每份体积含量控制，保证体积比，杂质﹕基质小于或等于1％；每次加入后计算本次组合物的整体导热性能；然后这个整体作为中间状态下的一个新的基质，等待下一份杂质的掺入；不断迭代，一直到所有的杂质融入基质，成为最终的组合物，这种模型为迭代稀释模型；

利用迭代稀释模型倒推出轻粗骨料(或轻细骨料)的导热系数，先正推组合物的导热系数，其计算步骤：在以下描述中，下标0表示水泥浆，m表示水泥砂浆，a表示轻粗骨料，b表示轻细骨料，c表示混凝土：

(1)第一步：根据迭代法，把轻粗骨料(或轻细骨料)总的体积比V_a(或V_b)分成n等份，n的取值保证每次迭代的体积比≤1％，以杂质体积比是28％为例，n≥50；其中第i次迭代的体积比为，i＝1,…,n，其公式为：

或

第二步：根据稀释模型的公式，利用各组成材料的导热系数和体积比，推导组合物的等效导热系数：

当组合物为混凝土时：

当组合物为水泥砂浆时：

其中，初始值(或)，即初始取值是水泥砂浆(或水泥浆)的导热系数；当i＝n时，最终值(或)，即最终值为计算所得混凝土(或水泥砂浆)的导热系数；

以上的过程通过计算机编制程序，不停循环，一直计算到i＝n结束。

(3)第三步：以上的步骤是从各种组成成分的导热系数出发推导组合物的整体导热系数的方法。反过来，令混凝土(或水泥砂浆)导热系数的计算值(或)，利用公式4计算混凝土(或水泥砂浆)导热系数的计算值和试验测量值(或)的误差Δ；误差小于或等于规定的限值η，接受轻粗骨料(或轻细骨料)的导热系数λ_a；误差超过限值η，转回第一步，调整轻粗骨料(或轻细骨料)的导热系数λ_a(或λ_b)，比如当时，减少λ_a；当时，增加λ_a；重复上述步骤，当计算误差Δ小于或等于规定的限值η条件下，终止上述过程，此时λ_a(或λ_b)即为轻粗骨料(或轻细骨料)的导热系数：

或

下面结合几个具体实施例的数据进行说明。

实施例1：

组合物为水泥砂浆，堆积密度为792kg/m³的页岩陶砂的导热系数测定。

原材料的准备：

细骨料：页岩陶粒，粒径0-3mm、堆积密度792kg/m³。

水泥：强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，相对密度3.1，比表面积3590cm²/g。

一种测定轻细骨料导热系数的方法，其步骤是：

1)制备试件和进行试验确定导热系数

(a)确定配合比：当水灰比为0.35、0.45、0.55时，下表确定了水泥砂浆各组成材料的配合比(表1)。另外，当轻细骨料的体积比为0时，即表示水泥浆，不再单独列出。

表1.水泥浆和水泥砂浆的配合比

(b)制作试件：依次在搅拌机中放入水泥、页岩陶砂，搅拌1分钟；将水匀速地加入搅拌机，用时2分钟；最后等水倒完，继续搅拌3分钟，结束搅拌。每种配比，都制作3个同样的试件，试件为长方体，尺寸为长300mm，宽300mm，高度40mm。养护时间为28天，养护温度20℃，相对湿度≥95％。

(c)确定导热系数：本实例选用的测量导热系数的仪器为德国耐驰HFM436导热仪。将每种配比下的水泥砂浆和水泥浆试件依次放入导热仪中测量导热系数。测量条件为，上下板面的温度分别为10℃和30℃。通过上下板面的热量传感器可以计算板面热量传输情况，结合计算机软件计算试件的导热系数。每组三个试件，求平均值，结果如下表(表2)。

表2.水泥砂浆和水泥浆的导热系数的测量值

2)利用均匀质法的迭代稀释模型推导细骨料的导热系数

当水灰比为0.35，根据图1的设计思路，用编写计算程序。

第一步，根据公式3，令i＝1，假定λ_b＝0.2080W/(m·K)；根据实验，确定λ₀＝0.3476W/(m·K)。

第二步，令n＝100，根据公式1；

当V_b＝51％时，

第三步，循环迭代，求出水泥砂浆导热系数。

当i＝1，

当i＝2，

……

当i＝n，

第四步，令η＝1％，对比误差。

当V_b＝51％时，求得实验测量值根据公式4，Δ＝1.8％>η，减小λ_b(可每次减小0.001，即Δλ_b＝0.001W/(m·K))，循环13次；最后求出Δ＝0.86％；确定页岩陶砂的导热系数为λ_b＝0.1950W/(m·K)。

同理，当水灰比分别为0.45、0.55时按照上述的步骤进行计算。

当水灰比为0.45，根据图1的设计思路，用编写计算程序。

第一步，根据公式3，令i＝1，假定λ_b＝0.1797W/(m·K)；根据实验，确定λ₀＝0.3054W/(m·K)。

第二步，令n＝100，根据公式1；

当V_b＝54％时，

第三步，第四步，同上。

当V_b＝54％时，求得实验测量值根据公式4，Δ＝2.4％>η，减小λ_b(可每次减小0.001，即Δλ_b＝0.001W/(m·K))，循环12次；最后求出Δ＝0.75％；确定页岩陶砂的导热系数为λ_b＝0.1680W/(m·K)。

当水灰比为0.55，根据图1的设计思路，用编写计算程序。

第一步，根据公式3，令i＝1，假定λ_b＝0.1714W/(m·K)；根据实验，确定λ₀＝0.2574W/(m·K)。

第二步，令n＝100，根据公式1；

当V_b＝56％时，

第三步，第四步，同上。

当V_b＝56％时，求得实验测量值根据公式4，Δ＝1.5％>η，减小λ_b(可每次减小0.001，即Δλ_b＝0.001W/(m·K))，循环8次；最后求出Δ＝0.75％；确定页岩陶砂的导热系数为λ_b＝0.1630W/(m·K)。

从结果可见，用不同水灰比下的试验数据求出的细骨料的导热系数十分接近。求以上三个数值的平均值，得到该堆积密度为792kg/m³的页岩陶砂的导热系数为λ_b＝0.1753W/(m·K)。

实施例2：

堆积密度为877kg/m³的页岩陶粒的导热系数测定。

原材料的准备：

轻粗骨料：粒径4-10mm、堆积密度877kg/m³、表观干密度ρ_a＝1662kg/m³。

水泥：强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，相对密度3.1，比表面积3590cm²/g。

细骨料：河砂，堆积密度1539kg/m³。

一种测定轻骨料导热系数的方法，其步骤是：

表5.水泥砂浆和混凝土的配合比

1)制备试件和进行力学试验确定力学参数

(a)确定配合比：当轻粗骨料的体积比为＝23.2％时，上表确定了混凝土各组成材料的配合比(表5)。另外，当轻粗骨料的体积比为0时，即表示水泥砂浆，不再单独列出。

(b)(c)两步和实施例1相同。每组三个试件，求平均值，结果如下表(表6)。

表6.水泥砂浆和混凝土的导热系数的测量值

2)利用均匀质法的迭代稀释模型推导轻骨料的导热系数

根据图1的设计思路，用编写计算程序。

第一步，根据公式3，假定＝0.2381W/(m·K)；根据实验，确定＝0.4633W/(m·K)；。

第二、三和四步和实施例1相同。

令η＝1％；

当V_a＝23.2％时，求得实验测量值根据公式4，Δ＝0.4％<η，确定轻骨料的导热系数为λ_a＝0.2381W/(m·K)。

实施例3：

堆积密度为785kg/m³的页岩陶粒的导热系数测定。

原材料的准备：

轻骨料：粒径4-10mm、堆积密度785kg/m³、表观干密度ρ_a＝1533kg/m³。

水泥：强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，相对密度3.1，比表面积3590cm²/g。

细骨料：河砂，堆积密度1539kg/m³。

一种测定轻骨料导热系数的方法，其步骤是：

1)制备试件和进行力学试验确定力学参数

(a)确定配合比：当轻骨料的体积比为V_a＝44.8％时，下表确定了混凝土各组成材料的配合比(表7)。另外，当轻骨料的体积比为0时，即表示水泥砂浆，不再单独列出。

表7.水泥砂浆和混凝土的配合比

(b)(c)两步和实施例1相同。每组三个试件，求平均值，结果如下表(表6)。

表6.水泥砂浆和混凝土的导热系数的测量值

2)利用均匀质法的迭代稀释模型推导轻骨料的导热系数

根据图1的设计思路，用编写计算程序。

第一步，根据公式3，假定λ_a＝0.2470W/(m·K)；根据实验，确定λ_c＝0.4467W/(m·K)；

第二、三和四步和实施例1相同。

令η＝1％；

当V_a＝44.8％时，求得实验测量值根据公式4，Δ＝1.7％>η，减小λ_a(可每次减小0.001，即Δλ_a＝0.001W/(m·K))，循环18次；最后求出Δ＝0.88％；确定页岩陶粒的导热系数为λ_a＝0.2290W/(m·K)。

本发明提供了一种测定轻粗骨料(粘土陶粒、页岩陶粒、膨胀珍珠岩、膨胀矿渣珠粉、煤灰陶粒等)和轻细骨料(粘土陶砂、页岩陶砂等)导热系数的方法。方法易行，操作简便，特别适用于因轻骨料颗粒细小而无法用传统方法测量导热系数的情况，保证了测量对象的完好性，降低了由于试验样本的个体偏差造成误差的可能性，通过本测量求出的轻骨料、细骨料的导热系数比较准确地反映了混凝土材料内轻粗骨料(或轻细骨料)的导热性能，为模拟混凝土和水泥砂浆导热系数，制备轻骨料混凝土提供了优质的试验数据。

本发明的方法利用细观力学的均匀质法的迭代稀释模型结合试验数据测定轻质粗细骨料的导热系数，该方法适用于正确评价轻骨料的导热性能参数。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。