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保温砂浆的导热系数方法和应用注意事项有哪些?

发表时间: 2019-04-10 09:36:36

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保温砂浆的导热系数方法和应用注意事项有哪些?

为了满足建筑物对室内舒适性和能源效率要求日益增长的需求,已经开发出各种具有杰出热功能的新式资料,例如结合了轻质骨料和纳米资料的隔热砂浆,以及添加了相变微胶囊的一起具有隔热和蓄热功用的隔热砂浆。

点评这些隔热砂浆隔热功能的重要物理功能参数是导热系数,而隔热砂浆导热系数会受到砂浆温度、硬化状况、枯燥状况和水分含量的影响,一起还有多种测验办法能够用来丈量砂浆的导热系数,这使得隔热砂浆导热系数的测验点评十分紊乱,很多测验成果千差万别。为了点评各种因素对砂浆导热系数的影响以及各种测验办法在砂浆导热系数测验中的准确性,咱们特别选取了葡萄牙里斯本大学Gomes等人在2018年宣布的研讨作业[1]来阐明测验办法挑选和正确运用的重要性。

葡萄牙里斯本大学Gomes等人针对添加了发泡聚苯乙烯颗粒和二氧化硅气凝胶的隔热砂浆,在其硬化状况(固化28天)、枯燥状况和不同水分含量条件下,测验了砂浆的导热系数。测验办法别离选用了两种稳态法和两种瞬态法。为了对这些测验办法进行比较,将一切测验成果都转换23℃下的导热系数。

本文将对Gomes等人的比照测验作业进行简要介绍,评论和指出测验中存在的问题,并提出了更合理的测验办法和测验过程主张,以期完成更有用和准确的砂浆资料热物理功能测验。

在该测验比照研讨中点评了两种隔热砂浆:

(1)具有发泡聚苯乙烯颗粒(EPS)()的工业隔热砂浆;

(2)在先前的工业隔热砂浆中掺入二氧化硅气凝胶(Ag)配方()。

砂浆是市售的保温砂浆,由矿物粘合剂(水泥和石灰)和轻质骨料(100%的EPS颗粒,直径小于3 mm)组成。此外,它还含有颜料、流变剂、树脂、空气夹带剂和疏水剂。另一种研讨的砂浆配方是在砂浆中加入二氧化硅气凝胶,质量百分比为100%,即二氧化硅气凝胶质量与工业砂浆总质量的比值。

这种二氧化硅气凝胶具有十分低的导热系数(0.018~0.020 W/mK),堆积密度规模为60~100,并且是无定形半透明的,不具有反响性且具有杰出的耐火性。

图2-1示出了混合后的砂浆,以及用于不同后续实验丈量办法的各种模具(立方体,板材和圆柱形)。

在出产两种砂浆之后,固化过程包含:(1)将样品放入聚乙烯袋中7天,进行湿固化;(2)从袋子中取出样品;(3)依据ISO 1015-11枯燥固化21天。该程序在环境条件受控的室内进行:空气温度为20±5℃,相对湿度为50%。

在这项研讨中,和的导热系数选用了稳态和瞬态两类办法:

(1)两种稳态办法——热流计法(HFM),两种不同的设备,编号为1和2,以及Lee盘法。

(2)两种瞬态办法——改进型瞬态平面源法(MTPS)和瞬态热线法(TLS)。

表3-1显现了每种砂浆配方和实验点评的样品数量。

3.1. 导热系数稳态测验办法

稳态法导热系数丈量是在已知厚度的样品上建立安稳的温度梯度,并丈量从一侧到另一侧的热流。这些办法被认为是导热系数丈量中最准确的办法,但另一方面,可能有一些缺点,例如在样品上到达稳态温度梯度需求很长时刻,在某些情况下,需求校准样品,导致丈量耗时很高。

在Gomes等人的研讨中,依据EN ISO 8301运用了热流计法[2]。关于这些测验,挑选两种设备,一种是来自Holometrix的Rapid K(HFM1)和Senff等人描述的热流计法丈量设备(HFM2)[3],并运用不同尺度的样品。在热流计办法中,样品位于两个等温加热板,热板和冷板的中间,一旦经过运用一维的傅里叶定律得到稳态,则可依据公式(1)确认导热系数。图3-1是该办法的示意图,图3-2标明该测验设备。

在Gomes等人的研讨中,还选用了一种Lee式圆盘稳态测验办法,这种办法的测验仪器如图3-3所示。

3.2. 导热系数瞬态测验办法

瞬态办法是动态办法,是对由源发送的电热脉冲响应的丈量,经过对所定义时刻间隔丈量的温度的数学模型进行核算。这些办法具有一些长处,例如测验过程简略快速,可一起丈量不同热功能参数以及无需校准样品,但只有当样品与环境到达热平衡时才干发挥作用。

在Gomes等人的研讨中,运用了改进型瞬态平面源(MTPS)和瞬态热线法(TLS),运用Applied Precision公司的设备ISOMET 2114,别离运用平面和线源探针[4]。这些丈量契合ASTM D5334[5]、ASTM D5930[6]和EN ISO 22007-2[7]规范。一切测验均在20±3℃的均匀参阅温度下进行。图3-4和图3-5显现了用两种探头对样品的丈量。

必须指出的是,运用MTPS丈量时,将样品置于隔热资料板上以防止样品和作业台之间的热传导。经过TLS丈量样品时用针头探针进行穿孔,使探针(100 mm)彻底穿透到样品中并与砂浆彻底接触。

在Gomes等人的研讨中选用五种不同的设备来点评隔热砂浆的导热系数,每种都具有明显的特征和办法。

经过稳态办法(HFM1,HFM2和Lee式圆盘)点评导热系数需求很长时刻才干到达测验样品的稳态温度梯度。此外,在某些情况下,需求进行初始校准丈量(运用具有已知导热系数的样品),从而为该过程添加了更多时刻。因为所挑选的稳态丈量程序中的过程数量添加,这些办法也比选用的瞬态办法更依赖于操作员,例如,操作员的数据记载直到到达安稳状况(HFM1,HFM2和Lee式圆盘)和/或设备和样品操作(Lee式圆盘)。

HFM1办法需求***的样品,在研讨作业中,因为资料的稀缺性,并不总是能够出产。可是,它是许多已宣布研讨中运用的规范办法,答应与其他类型的资料直接比较。

HFM2办法需求比HFM1更小的样品,更简单出产,并且具有更高的丈量规模,但其准确性和再现性很差,约束了其与其他办法丈量成果的比较。

另一方面,Lee式圆盘法十分耗时,在丈量过程中需求遵从许多过程,这会导致相关过错的添加。尽管Lee式圆盘法的精度和重现性值很差,但它所用的样品尺度最小。假如资料数量有约束,这种办法在开发新产品时十分有利。

经过瞬态办法(MTPS和TLS)点评导热系数比稳态办法花费的时刻少得多,并且因为操作简略,并且丈量程序的过程削减,因而也不易发生操作过错。这两种办法都具有特定的准确性和可重复性。

MTPS办法需求比TLS和HFM更小的样本。可是,作为约束因素,它的阈值下限丈量规模为0.04 W/mK,高于砂浆的某些导热系数值。

TLS办法是样本大小要求方面的排列第二的办法,样品尺度要求仅次于HFM1办法,但它更快更简单操作,阈值下限丈量规模为0.015 W/mK,这使得它十分有用点评低导热系数新式隔热砂浆的办法。

表4-1显现了所研讨的导热率办法的定性比较分析。能够得出结论,在创新式隔热砂浆的开发的初始阶段,因为需求小样品,Lee式圆盘是一种风趣的点评办法。关于第二个开发阶段,它能够运用HFM2或MTPS和TLS办法,后者更快,更简单并且具有已知的准确性和再现性。HFM1办法仅适用于最终发展阶段,当有资料可用时,能够将获得的成果与其他研讨进行比较。

一切办法的导热系数均有明显改变,为0.056(均匀值)±0.008 W/mK,为0.034(均匀值)±0.007 W/mK(28天固化,转化温度为23℃),其对应于高达14%的差错和21%的差错。因而,导热系数丈量办法的影响在新式隔热砂浆研讨中至关重要。

在Gomes等人的研讨中,首要关注两种隔热砂浆(EPS和EPS+二氧化硅气凝胶)的导热性,选用了四种不同的丈量办法——两种稳态办法和两种瞬态办法——运用了5种不同的设备和样品几许形状进行了测验。此外,还评论了引入气凝胶和水分含量的影响。

与EPS基砂浆比较,以质量百分比为100%的工业砂浆引入二氧化硅气凝胶降低了砂浆的导热系数高达55%,关于干堆积密度观察到相同的趋势。

两种隔热砂浆对水分含量具有高度敏感性,具有指数趋势,这在掺入气凝胶后并未明显受到影响。值得一提的是,研讨砂浆的脆性自身可能会误导水分含量带来的影响。

考虑到用于分析砂浆导热系数的一切办法及其不同的操作温度,一切成果都转换为23℃,由此能够直接比较一切办法的测验成果。观察到一切办法测验成果之间存在明显差异,在28天固化以及转化温度为23℃时,EPS基砂浆高达14%(0.056±0.008 W/mK),EPS+气凝胶砂浆高达21%(0.034±0.007 W/mK),并且通常用稳态法比用瞬态法得到更低的导热系数值。

每种办法的适用性以及它们之间的差异严厉与设备的特性(量程、准确性和再现性)、样品大小、测验时刻和操作的简便性(设备操作员的依赖性和丈量过程中的复杂性)相关。

成果还标明,瞬态办法(MTPS和TLS)适用于小样品,与稳态办法(HFM1,HFM2和Lee的磁盘)比较,需求更少的测验时刻、操作员依赖性和丈量程序的复杂性。可是,规范中说到了稳态办法能够用来与其他发布的成果进行比较,特别是当新式资料的数量较多而不受约束时。

研讨还证明,EPS基砂浆导热系数的一切丈量成果均高于工业砂浆制造商的标称值(0.042 W/mK)。可是,制造商的技能文件缺乏关于测验条件的信息(例如测验温度或转换程序、水分含量、办法/设备的准确度、样品大小和丈量规模),这使得丈量成果很难进行比较。

经过此项研讨所获得的成果,强调了关于具有低导热系数值资料的点评,指定导热系数测验条件和挑选测验办法的重要性,否则资料功能和测验条件的改变规则很简单被测验办法和测验仪器的差错所掩盖。

经过上述对葡萄牙里斯本大学Gomes等人研讨作业的介绍,能够详细了解保温砂浆从样品制备、处理、测验办法挑选和导热系数测验的全过程,了解不同测验办法进行比对的具体过程,对知道和把握保温砂浆热物理功能的测验点评技能很有帮助。但他们的研讨作业还存在一些缺乏,研讨还停留在实验室检测的探究阶段,特别是在测验技能方面还需求进一步开展更深入的作业以真正满足新式保温砂浆的研制和出产需求。存在的缺乏和还需开展的作业首要表现以下几个方面:

(1)在多种测验办法比照测验过程中,通常会选用规范参阅资料来进行比照测验,经过热物理功能安稳的规范参阅资料来***限度降低样品功能波动的影响,真正完成对测验办法自身丈量精度的查核和比照。而在葡萄牙里斯本大学Gomes等人所进行的多种测验办法比照测验中,并未选用导热系数为0.03 W/mK邻近的相应规范参阅资料,如ASTM SRM 1450d,所以他们的比照测验差错中很大一部分是克己保温砂浆样品带来的影响,并不能对各种测验办法做出十分客观的点评。

(2)葡萄牙里斯本大学Gomes等人研讨作业中所选用的测验办法没有问题,尽管论文宣布时刻为2018年,但文中所选用的测验设备普遍都比较陈腐,丈量精度也相应的较差。以文中所说到的EPS基砂浆高达14%(0.056±0.008 W/mK),EPS+气凝胶砂浆高达21%(0.034±0.007 W/mK)的测验差错,在实践工程运用中对保温砂浆进行导热系数测验,就显着丈量太差,这往往会形成实践建筑资料成本的无法准确操控,或实践隔热作用无法到达规划作用。以近些年来的导热系数测验技能发展水平,选用规范化的瞬态平面热源法(TPS)导热系数测验仪器彻底能够在丈量规模和精度方面满足要求,并且样品尺度也十分小。

(3)综上所述,针对保温砂浆类资料导热系数等热物理功能参数的测验,稳态法保留热流计法,而瞬态规律主张选用精度更高的瞬态平面热源法。


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