孔径对水泥基保温材料导热系数的影响

论文总字数：37745字

摘 要

水泥基材料的热学性能对混凝土变形、内部孔隙变化以及建筑物保温、隔热以及防火性能都有着直接或者间接的关系。目前，研究人员在研究水泥基材料传热性能时，较少定量或者定性分析孔结构体系与传热过程之间的性能-构造关系，忽略了孔径、孔形貌，孔数量等因素对传热过程的影响。本研究尝试通过在水泥基材料中引入具有指定形貌参数的孔或者颗粒，定量地分析孔（粒）径对水泥基保温材料传热过程影响和作用机理，为水泥基保温材料研发提供理论依据和技术支持。

本研究在水泥基材料中构造了三种孔结构体系。分别是：1、实心颗粒体系，粒径范围涵盖了纳米到毫米层次；2、空心颗粒层次，孔径范围也从纳米到毫米层次；3、EPS颗粒，粒径范围从0.5mm到7mm。所添加的颗粒材料，尽可能保证其具有相同或者相似的物理化学性能。

研究结果表明，孔（粒）径对水泥基材料的传热有着很复杂的影响。随着孔（粒）径从纳米级到毫米级变化，水泥基材料的导热系数发生了先增加后减小再增加的变化规律。基于传热机理可知，随着孔（粒）径的变化，水泥基的传热过程发生了相应的变化，导热性能影响因素的优先级产生了改变。水灰比对水泥基材料传热过程影响的研究结果表明：随着水灰比升高，导热系数随降低。随着水灰比增大，水泥净浆内部结构变得疏松，孔隙含量增多，从而导热系数下降。对不同填料体积分数对导热系数的影响进行了研究，发现在一定范围内，填料体积含量越高，水泥基保温材料的导热系数越低。

关键词：孔（粒）径，传热机理，水灰比，体积含量，导热系数

The influence of bore(grain) diameter on thermal conductivity of cement-based insulation material

Abstract

Thermal properties of cement material has a direct or indirect influence on deformation,internal porosity changes and thermal insulation or fire resistance of cement-based material.Currently,when researchers do research on heat transfer performance of cement-based materials ,they never quantitative or qualitative analysis the relationship between the pore structure and heat transfer,they ignore some factors like pore size,pore morphology and the number of the pore.This study attempts to introduce holes which have a specific morphology and parameters in cement-based material,quantitative analysis the influence of hole（grain）diameters on the thermal conductivity of cement-based material.which can provide a theoretical basis foe the development of cement-based insulation material.

This study construct three pore architecture cement-based materials:1,solid particle system,particle size range covers nanometer to millimeter level;2,hollow particles level,pore size range form nanometer to millimeter level;3,EPS particle size range from 0.5mm-7mm.The particulate material must be ensured that they have the same or similar physical and chemical properties.

The results shows that the bore(grain) diameter has a complex effect on the heat transfer of cement-based material.With bore(grain) diameter changes,the thermal conductivity of cement-based material increases at first,and then decrease,and then increase,which based on the change of heat transfer mechanism. Because with the bore(grain) diameter changes, thermal performance factors priority changes as well. The research on water-cement ratio shows that with the water-cement ratio increase,the internal structure of cement cement paste become loose,which increase the content of void ,then decrease the thermal conductivity. Effects of different filler volume on the thermal conductivity were studies and found that within a certain range,the higher the filler volume fraction , the ;lower the thermal conductivity of cement-based insulation material.

Key word: Bore(grain) diameter,,mechanism of heat transfer,water-cement ratio,Volume Fraction,Thermal Conductivity

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1混凝土热学性能细观层次上的研究 2

1.2.2 分形理论的研究 4

1.2.3 基于最小热阻理论的混凝土传热的研究 4

1.2.4 填料纳米气凝胶相关的研究 5

1.3 目前存在的问题 5

第二章 实验设计及原材料实验 7

2.1 实验设计理论与设计思路 7

2.1.1 实验设计理论 7

2.1.2 实验设计思路 7

2.1.3 原材料的选择 8

2.2 原材料性能测试 9

2.2.1 原材料堆积密度的测量 9

2.2.2 原材料表观密度的测量 11

2.3 优化实现方案 15

2.3.1 实验因素和水平的选择 15

第三章 实验流程及实验结果 18

3.1 实验流程 19

3.1.1 试件成型 19

3.1.2 导热系数的测量 21

3.2 实验结果 23

3.2.1 导热系数的测量结果记录 23

第四章 传热机理分析 25

4.1 实心颗粒填料对水泥基材料导热系数的影响 26

4.1.1 导热系数的数据分析 26

4.1.2 填料的粒径对水泥基材料的导热性能的影响 27

4.1.3 水灰比对水泥基材料的导热性能的影响 29

4.1.4 填料体积含量对水泥基材料导热性能的影响 29

4.2 空心颗粒填料对水泥基材料导热性能的影响 30

4.2.1 导热系数的数据分析 31

4.2.2 填料的孔径对水泥基材料的导热性能的影响 32

4.2.3 水灰比对水泥基材料的导热性能的影响 33

4.2.4 填料体积含量对水泥基材料导热性能的影响 34

4.3 EPS颗粒填料对水泥基材料导热性能的影响 35

4.3.1 导热系数的数据分析 36

4.3.2 EPS的粒径对水泥基材料的导热性能的影响 37

4.3.3 水灰比对水泥基材料的导热性能的影响 38

4.3.4 EPS颗粒体积含量对水泥基材料导热性能的影响 38

第五章 结论与展望 39

5.1 本文主要结论 40

5.2 展望 41

参考文献 41

致谢 44

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

混凝土是一种十分重要的材料，是当今社会应用范围最广，使用量最多，性质最优异的建筑材料。它被广泛应用于房屋建筑、桥梁工程、市政建设等领域。导热系数作为混凝土的一项最基本的热学性能参数，对混凝土热学性能的研究和应用有很重要的意义。它涉及到建筑节能、墙体保温、大体积或超大体积混凝土的浇筑、特种混凝土结构领域（例如大跨桥的墩、大坝混凝土、核反应堆用防辐射混凝土）。这些大型混凝土工程的浇筑过程对混凝土水化热及其导热性能有着极高的要求，如果不能很好的控制反应热，将会在施工过程中带来难以想象的后果。因此，在混凝土的研究和施工过程中，要求对混凝土的导热系数有着精确的掌握。

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