用于节能建筑的低导热、高比强的超轻水泥复合材料的开发外文翻译资料

 2022-08-07 02:08

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用于节能建筑的低导热、高比强的超轻水泥复合材料的开发

摘要

节能建筑的定义是以最小的能耗实现令人满意的内部环境和服务。影响通过建筑物围炉结构传热的最重要参数之一是导热系数。轻质混凝土的导热系数通常低于普通重量混凝土，因为空气的导热系数较低。尽管在混凝土中引入孔隙会降低其导热系数并提高其绝缘能力，但通常会损害其力学性能。

这项研究的重点是开发具有低导热系数和高比强度的超轻质水泥复合材料（ULCC），以便将其用于结构应用。通过结合火力发电厂产生的粉煤灰空心微珠实现轻量化。ULCC的1天密度范围为1154至1471 kg / m3，28天抗压强度范围为33.0至69.4 MPa。对ULCC和具有相似水胶比的水泥浆以及28天抗压强度为67.6 MPa的混凝土之间的性能进行了对比。

结果表明，随着密度的降低，ULCC的抗压强度，挠曲抗拉强度和弹性模量都会降低。但ULCC的抗压强度和抗折强度分别达到69.4和7.3 MPa，类似于水胶比为0.35和混凝土。在28天强度相似的情况下，ULCC的导热系数分别比水泥浆和混凝土低54％和80％。ULCC的低导热性是由于掺入了空心微珠作为细集料，可有效引入空隙并降低ULCC的密度。ULCC的高比强度可归因于（1）空心微珠中存在的坚硬外壳；（2）空心层中孔隙大小的“控制”；（3）对空心微珠具有三维限制的硬化后水泥浆体。

1.绪论

由于经济发展和人口增长，能源消耗迅速增长[1].世界范围内超过40％的一次能源消耗是用于建筑部门[2]，当建筑物通过供暖，通风和空调（HVAC）系统使用时，会消耗掉很大一部分能量。在发达国家，总能耗的20％来自HVAC系统[1].节能建筑的定义是达到舒适的内部环境且能耗最低的效果[3].达到舒适的室内温度所需的能量主要与通过建筑物围炉结构的传热，建筑物表面的热对流以及室内设备和人类活动产生的热量有关。

决定建筑围炉结构传热的最重要参数之一是导热系数。它是热量通过材料传递的速率的度量，并定义为热通量与温度梯度的比率。与其他建筑材料相比，混凝土的导热系数低，并且可以通过引入空隙来抵抗室内和室外环境之间的热流而进一步降低混凝土的导热性。有几种方法可以将空隙引入混凝土中：（1）各种尺寸的骨料中的空隙;（2）水泥浆中的空隙;（3）消除混凝土混合物中的沙子导致在粗骨料之间形成空隙;以及（4）以上几类的组合。其中，第一个方法通常用于获得更高的比强度和低渗透性。

混凝土的热导率主要受所用原材料的热导率、配合比、孔隙率和混凝土的水分状况的影响。大多数天然岩石集料的热导率远高于水泥浆的热导率，并且它随岩石类型而变化。通常，具有晶体结构的岩石比相同组成的无定形和玻璃质岩石具有更高的热导率[4,5].水泥浆的导热系数随水胶比和毛细孔率的降低而增加。由于空气的导热系数较低（约为0.03 W / m K），因此轻质混凝土（LWC）的导热系数通常低于普通重量混凝土的导热系数。对于给定类型的轻质骨料（LWA），混凝土密度的降低导致热导率的降低。水分含量是影响混凝土导热系数的另一个主要因素，因为水的导热系数（0.5 W / m K）比空气的导热系数高。

近年来，已经开发了使用低热导率的结构混凝土混合物，而不是使用一些常用的人造LWA或工业副产品的骨料。例如膨胀粘土，膨胀页岩或泡沫矿渣等。LWA的实例包括浮石[6,7]、珍珠岩[8,9]、微球[10,11]、 聚氨酯泡沫[12]、硅藻土[7]、膨胀玻璃[13]、气凝胶[14]和高抗冲聚苯乙烯[15]。文献中报道了此类轻质骨料混凝土（LWAC）的密度，抗压强度，导热系数和原材料的概述。表格1.在轻质骨料混凝土的FIP手册中，可以找到由传统LWA（例如膨胀的粘土和页岩）制成的LWAC的导热系数数据的摘要[16]。但是没有有关其相应优势的信息。因此它们不包含在表格1.

表1. 传统LWAC的导热系数

尽管在混凝土中引入空隙会降低其导热性并增加其绝缘能力，但通常会降低其力学性能，例如抗压强度和弹性模量。这项研究的重点是结构材料的开发，这些材料具有低导热性以达到节能目的，但具有足够的强度以用于结构应用。

在本次研究中，空心微珠被用于将空隙引入超轻质水泥复合材料（ULCC）。空心微珠是一种空心球，通常在火力发电厂作为煤燃烧的副产品而产生[17,18](图1)。火力发电厂燃煤的过程产生的粉煤灰主要包括固体颗粒和少量空心颗粒（即空心微珠）。空心微珠具有球形形状，尺寸通常在10到400mu;m之间[19].通常它们中空的内部被薄壳覆盖，其厚度约为其直径的5–10％[20].由于其空心结构，空心微珠的颗粒密度通常在400至900 kg / m3之间。由于其低的颗粒密度，近年来，空心微球已用于制造超轻质水泥复合材料[10,11,21–26].Chia等人开发并报道了密度为1430 kg/m3，28天抗压强度约为60 MPa的超轻水泥复合材料[23]。

图1. 空心微珠的图像

这项研究的目的是研究ULCC与水胶比分别为0.35和0.45的水泥浆、28天抗压强度为67.6 MPa的混凝土这二者的导热率对比。ULCC的脱模密度为1154–1471 kg / m3，28天后的抗压强度为33.0–69.4 MPa。进行了材料的热导率和各属性（例如密度，压缩和弯曲拉伸强度以及弹性模量）的测试。讨论了空心微珠，化学外加剂和纤维对ULCC性能的影响。将ULCC的导热系数的实验结果与根据复合模型和经验模型估算的结果进行比较。

  1. 实验部分
    1. 原料

除使用波特兰水泥的混凝土外，ASTM I型波特兰水泥（也称为ENCEM I 52.5N）和未稠化的硅粉（SF）用于包括ULCC和水泥浆在内的大多数混合物。

ULCC中使用两种平均粒径分别约为908和615 kg / m3的空心微珠（QK300和Exlite）作为细集料。空心微珠的粒径分布如图2所示。结果表明，大多数颗粒的尺寸为10至300mu;m。之前的研究[27] 结果表明，中空层的CaO含量低，但SiO2和Al2O3的总含量高（约90％）。空心微珠的X射线衍射分析表明，它们含有大量的无定形物质以及少量的石英和莫来石晶体。ASTM C227[28] 和C1260测试[29] 结果表明，在ULCC中使用时，空心微珠在碱硅反应中没有潜在的有害性[27].

图2. 两种所用空心微珠的粒径分布

在混凝土混合物中使用标称最大尺寸为10 mm的碎花岗岩和细度模量为2.66的天然砂。粗骨料和细骨料的密度分别为2650和2630 kg / m3。

除使用萘基SP的混凝土外，大多数混合物均使用聚羧酸盐基高效减水剂（SP）。在ULCC和水泥浆中使用它们的原因是由于它们的大量细粉材料（空心层和胶凝材料）。

某些产品使用了减缩剂（SRA）。之前的研究[30]表明SRA降低了去离子水和合成孔溶液的表面张力。它可以减少混合物中夹带的空气含量并改善ULCC的性能。[25].另外，在某些混合物中使用粘度调节剂（VMA）（通常用于增加塑料粘度并产生更粘的混凝土）来调节工作性。硅烷低聚物（3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷（C9H2O5Si））和消泡剂（磷酸三丁酯）用于用聚乙烯（PE）纤维增强的ULCC混合物中（如表2所示）以评估其效果。硅烷低聚物是通过将硅烷在120°C下加热4小时制得的[31,32].

表2. PE纤维的主要性能

2.2 配合比和样品制备

本次实验研究包括9种ULCC，2种水泥浆和1种混凝土样品，表3给出了配合比。ULCC的水胶比为0.35至0.56，水泥浆的水胶比为0.35和0.45。ULCC和水泥浆包含了8％质量分数的硅灰，ULCC-7和ULCC-8包含0.5％体积分数的PE纤维，以降低其脆性。作为对比，准备了28天抗压强度为65 MPa的混凝土。

表3. 各实验样品的配合比及工作性能

ULCC和水泥浆混合物具有良好的流动性，根据BS EN 1015-3测试确定[33]，未观察到偏析。对于大多数混合物，流动值在190至215 mm的范围内，只有少数例外；由于在ULCC-4和ULCC-6混合物中使用了大量的空心微球，以实现较低的密度，样品具有较高的流动值（240到250 mm）适合浇筑。

表4所示样品由配合比制成。将它们用塑料薄板覆盖，并在浇筑后48小时内脱模。然后将样品在28–30°C的雾化室内（模拟热带环境）进行固化，直到在7天和28天进行测试，或者经过28天的湿固化后进行干燥，直至达到其他测试龄期。

2.3 实验方法

表4为试验方法、相关标准、试验年龄、试样尺寸和试样编号总结。

表4. 试验方法、相关标准、试验年龄、试样尺寸和试样编号

2.3.1密度和力学性能

脱模后，使用水置换法测定所有立方体样品的密度。根据ASTM C138 / C138M-13a估算水泥浆或砂浆基质中的空气含量（不包括空心层中的空隙）[34].根据BS EN 12390-3：2009使用100毫米立方体确定抗压强度[35].使用75 x 100 x 400 mm棱镜并施加第三点载荷（4点弯曲，跨度300 mm）确定弯曲性能[36].使用Instron闭环伺服控制测试系统进行挠曲测试，加载速率为0.05 mm / min。

为了测量弹性模量，在每个样品的中间高度的两个相对侧粘贴了两个应变仪[37].使用Denison 3000 kN压缩测试设备，负载率为0.01 mm / min。对于混合物ULCC-1–ULCC-4和CP 0.35，在浇铸后约70天对样品进行了测试（由于设备存在问题）。在28到70天的时间内，这些标本用塑料布覆盖以防止水分流失。

2.4导热系数

根据ASTM C518-04确定ULCC样品的导热系数[38] 用热流量计。设备的适用范围为0.002-0.500 W / m K，结果为两个样品的平均值。

水泥浆和混凝土的导热系数是根据ASTM C177-04确定的[39] 使用受保护的热板设备。设备的适用测试范围是0.02–2.00 W / m K，每次测试都需要两个300 x 300 x 50 mm的样品。

混凝土的热导率也通过根据ASTM C1363的热箱设备确定[40] 因为使用带保护的热板设备获得的结果超出了设备的测试范围。

首先将所使用的300 x 300 x 50毫米样品湿固化28天，然后在实验室空气中干燥两周，然后在105°C的烤箱中干燥直至达到恒重。通常，要达到恒定的体重大约需要两个月。

  1. 结果和讨论

表5总结了ULCC、水泥浆和混凝土的密度、力学性能和导热系数的结果

3.1 抗压强度，弯曲抗拉强度和弹性模量

图3 清楚地表明，ULCC和混凝土的密度受埋在混凝土中的骨料密度的影响。

由于掺入了空心微球（颗粒密度分别为615和908 kg / m3），与混凝土（2341 kg/m3，使用花岗岩粗骨料和天然砂后，密度分别为2650和2630 kg / m3）相比，ULCC的密度显著降低（脱模后为1154至1471 kg / m3）

图3. 试样1天后的密度

ULCC，水泥浆和混凝土样品的抗压强度受其密度影响。ULCC和水泥浆的抗压强度随着密度的降低而降低（图3).然而，混合物ULCC-1 28天达到了69.4 MPa的抗压强度，类似重量比为0.35的水泥浆和混凝土。ULCC-1的比强度（强度/密度）为0.047 MPa / kg / m3，相当于具有约110 MPa抗压强度的普通重量混凝土。

ULCC、水泥浆和混凝土的抗拉强度随抗压强度的增加而增加（图4a).ULCC的抗弯拉伸强度约为其28天抗压强度的8.4–10.9％，与水泥浆和混凝土的抗弯强度相当。随着密度的降低，ULCC和水泥浆的抗弯拉伸强度也

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