再生磚骨料混凝土導熱系數試驗研究

　　摘要：通過基于穩態平板法的導熱儀對再生磚骨料混凝土(RBAC)進行導熱系數試驗，研究了不同再生磚粗骨料取代率、再生磚細骨料取代率(0%，40%，70%，100%)對混凝土導熱系數的影響。試驗結果表明，再生磚骨料混凝土導熱性能優于普通混凝土，隨著再生骨料(RBA)替代率的逐步增大，混凝土的導熱系數減小，當磚粗骨料替代率達到100%時，再生混凝土導熱系數比普通混凝土降低了54%。在保持100%再生粗骨料替代率的前提下，再生混凝土導熱系數隨磚細骨料替代率的增加而減小;當再生混凝土骨料全為磚骨料時，導熱系數下降了55.3%。當再生磚粗、細骨料替代率分別達到100%、70%時，試件導熱系數下降幅度最大，保溫隔熱性能較好。

　　關鍵詞：再生磚骨料(RBA);導熱系數;骨料摻量;穩態法

　　0 引言

　　近年來，隨著我國建筑水平的不斷提高，新建、改建、擴建以及拆除等建筑活動產生了大量的建筑垃圾。2018年《中國建筑垃圾處理行業發展前景與投資戰略規劃分析報告》顯示：我國每年建筑垃圾的排放總量約為15.5億噸-24億噸之間，其中粘土磚占有相當大分量，在過去50年，我國至少產生了300億立方米的粘土磚，未來50年內大都會轉化成建筑垃圾。我國目前的建筑垃圾資源化率不足5%，大量建筑垃圾被送到公共垃圾填埋場和非法地點[1]，既造成巨大浪費，也危及環境和人體健康。研究表明廢棄磚塊經壓碎、篩選處理后可替代砂石作為骨料制作混凝土[2]，其熱工性能和耐火性能優于天然骨料普通混凝土，且磚骨料再生利用經濟可行，環境友好[3]，是砌體建筑垃圾資源化利用的有效途徑之一[4]。由于再生磚骨料(recycled brick aggregate，RBA)自身的特點，使得熱工性能異于再生骨料混凝土(recycled brick aggregate concrete，RBAC)，但國內外鮮有研究。因此，本文以粘土磚廢料做混凝土骨料，試驗研究不同再生磚骨料摻量下的混凝土導熱系數，可以為后續再生磚骨料混凝土研究及工程實踐提供借鑒。

　　1 再生混凝土導熱系數研究現狀

　　國內外諸多研究人員分別從再生骨料混凝土導熱系數的變化機理、再生粗、細骨料替代率、水灰比、再生細骨料粉體含量等方面對混凝土導熱系數展開了大量實驗研究，并取得了相應研究成果。主要研究領域如表1所示。

　　綜上所述，國內眾多學者通過向混凝土中摻入再生骨料制成再生混凝土并研究其熱工性能，其中多數骨料為混凝土骨料，而對再生磚骨料混凝土導熱系數的研究卻很有限。并且在再生磚骨料混凝土研究方面又大多偏重力學、聲學、耐熱性及環保經濟研究，鮮有導熱性研究。因此，本試驗通過調整再生磚粗、細骨料替代率探討再生混凝土導熱系數變化規律，探究再生磚骨料替代天然碎石骨料的合理性。

　　2 試驗方案

　　2.1 試驗初始材料

　　試驗研究所使用的粘土磚來自鄭州市某處拆遷的民用住宅房，隨機抽取部分拆除的廢棄磚作為本次試驗用的樣品。采用顎式破碎機將粘土磚破碎并篩分后，得到粒徑范圍為0～4.75mm的再生磚細骨料和5～10mm連續級配的再生磚粗骨料。試驗中所用水泥為P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，拌合水為普通自來水，天然細骨料為天然河砂。再生混凝土骨料的基本性能指標見表2，部分試驗材料如圖1所示。

　　2.2 再生磚骨料混凝土配合比設計

　　研究 0%，40%，70%，100%再生磚粗骨料取代天然粗骨料情況下對再生混凝土導熱性能的影響。同時保持100%再生粗骨料替代率的前提下，研究再生磚細骨料取代率為0%，40%，70%，100%時對再生混凝土熱工性能的影響，設計再生磚骨料混凝土的配合比，分析在不同骨料替代率下導熱系數的變化規律。再生磚骨料混凝土的配合比見表3。

　　■

　　注：RCA1-A2，RC表示再生磚骨料混凝土，A1代表再生粗骨料取代率，A2表示再生細骨料取代率。Wa為按照混凝土配合比計算的拌和水量，Wb為額外增加的水量.

　　2.3 試件制作

　　制作尺寸為270mm×270mm×22mm的木模，在內表面刮刷干凈并均勻涂抹潤滑油。稱取試驗所需要的水泥、粗、細骨料、水等原材料;人工拌合混凝土，將攪拌均勻的拌合物分多次裝填在模具中，分別采用振搗棒、振動臺將試件振搗密實成型，用刮刀將試件表面輕刮抹平，保證其表面平整度，張貼試件水灰比等基本信息，便于進行導熱系數試驗。制作過程如圖2所示。

　　2.4 導熱系數測試方法

　　材料的導熱系數是材料自身熱工性能的參數之一，是表征其導熱能力的物理量。建筑絕熱材料導熱系數可使用穩態法進行檢測[12]。穩態防護熱板法是指在穩態條件下，在具有平行表面的均勻板狀試件內，建立類似于以兩個平行勻溫平板為界的無限大平板中存在的一維恒定熱流[13]。此方法原理較簡單，計算簡便，有較高的檢測精度，廣泛應用于混凝土熱工實驗中[14]。本試驗混凝土試件的上下兩表面平整且均勻可近似視為兩個無限大平板，試件外圍的加熱銅板保證熱流處于一維穩定狀態，符合穩態防護熱板法檢測條件。混凝土導熱系數λ(W/m·K)的表達式如下：

　　■ (1)

　　式中：?準為通過試件的熱流量(W);S為試件有效測試面面積(m2);δ為試件厚度(m);Δt為試件兩側表面溫差(℃)。

　　試件拆模后，對各混凝土試件表面磨平處理，避免因試件表面不平整給后續導熱系數試驗產生誤差。處理后將試件放在濕度95%、溫度(20±2)℃的標準養護箱養護至28d，并在測試導熱系數前放入烘箱中進行烘干處理。試件見圖3，設備裝置如圖4所示。

　　3 試驗結果分析

　　本文利用基于穩態法的導熱儀對7組不同摻量的磚骨料混凝土試件進行導熱系數試驗。通過觀察溫度差值、室內溫度等試驗數據，選擇5組較穩定的數據計算相應導熱系數的平均值。各組試塊的導熱系數、表觀密度、24h吸水率、孔隙率等指標如表4所示。

　　根據表4導熱系數數據，繪制不同磚骨料取代率情況下導熱系數的變化趨勢折線圖如圖5、圖6所示。

　　如圖5、圖6所示，導熱系數變化折線圖反映了再生磚骨料混凝土在不同骨料代替率下導熱系數的變化趨勢，橫坐標是7種不同磚骨料配合比類型因素，縱坐標是在某一水平因素下對應導熱系數的算數平均值。

　　在本實驗給定條件下，再生磚粗骨料取代率對試件導熱系數的影響：從圖5中曲線趨勢得出，隨著再生磚粗骨料取代率的增加，再生混凝土的導熱系數從1.65W/m·k驟降到0.76W/m·k，下降54%;再生磚粗骨料取代率從0%到40%曲線陡然降低，從40%到70%曲線斜率有所減緩，但仍處于下降狀態;從70%到100%導熱系數下降較快，其斜率與第一階段相近，對再生磚骨料混凝土導熱系數影響較大;當磚粗骨料替代率達到100%時，混凝土導熱系數最小，保溫隔熱性能最好。

　　再生磚細骨料取代率對試件導熱系數的影響：圖6表明，當再生磚粗骨料中粗骨料全為磚骨料時，再逐步增大磚細骨料取代率，試件的導熱系數將逐漸降低，再生混凝土的導熱系數從0.76W/m·k降到0.35W/m·k，下降55.3%左右。再生磚細骨料取代率從0%到40%曲線逐漸降低，從40%到70%曲線斜率有所增加，下降程度增大。從70%到100%導熱系數下降變緩，趨于不變，表明當再生磚細骨料替代率大于70%后對試件導熱系數影響較小。

　　4 結語

　　本試驗通過向普通混凝土中摻入磚骨料的方式配置再生混凝土，利用基于穩態平板法的導熱儀對7組不同摻量的磚骨料混凝土試件進行導熱系數試驗，得出如下結論：①再生混凝土導熱系數隨再生磚粗骨料替代率的增加而減小。在混凝土粗骨料為再生骨料，細骨料為天然砂時，其導熱系數范圍為0.76～1.65W/m·k，當磚粗骨料替代率達到100%時，混凝土導熱系數最小，比普通混凝土降低了54%。②在保持100%再生粗骨料替代率的前提下，再生混凝土導熱系數隨再生磚細骨料替代率的增加而減小。導熱系數范圍為0.35～0.76W/m·k。當再生混凝土骨料全為磚骨料時，導熱系數下降了55.3%。③可再生磚骨料混凝土的導熱系數低于普通混凝土，當再生磚粗、細骨料替代率分別達到100%、70%時，試件導熱系數下降幅度最大，保溫隔熱性能較好。

　　推薦閱讀：建筑結構學報投稿問題怎么咨詢