侯 风

(郑州工业应用技术学院 河南 郑州 450000)

高性能空心玻璃微珠水泥基复合材料的热学试验

侯 风

(郑州工业应用技术学院 河南 郑州 450000)

本文将从仿真和实验相结合的角度建立高性能空心玻璃微珠水泥基复合材料细观结构演化模型，研究微珠增强水泥后宏观的热性能与微珠空心结构的依赖关系。本文研究的主要内容有：宏观热学实验：当微珠掺入量分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%时，将这些试件分别在JW～3型导热系数测定仪上进行热学实验，将宏观热学实验得出的数据与有限元仿真分析的数据进行对比。

空心玻璃微珠；水泥基；复合材料；有限元分析；热学行为

通过建立中空玻璃微珠增强水泥基复合材料的有限元计算模型，对中空玻璃微珠水泥基复合材料的导热系数进行了数值模拟计算；同时对空心玻璃微珠导热特性和复合材料微结构的一些控制参数对等效导热系数的影响进行了研究。从它的研究结果可知：复合材料的导热系数会随着微珠填充的体积分数呈现出非线性的降低趋势。主要原因是微珠内部惰性气体的导热系数非常小，并且内部气体占据了微珠大部分的体积，必然导致复合材料的整体导热性能的急剧下降[1]。

一、试验材料的选择及配合比方案

本文通过对中空玻璃微珠填充体积对等效导热系数热学实验研究，与数值模拟结构进行对比分析。试验方案采用的是水泥、砂子、水、微珠、减水剂按着一定的比例混合的拌合物，试验是用空心玻璃微珠等量替换砂子制作而成的水泥基复合材料。本实验中采用工程中最常用的C30型号普通水泥。

表1 试验材料用量

本实验使用的是中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司研发并提供的H60型空心玻璃微珠，微珠形状为规则的球壳体，直径大小为40～80微米，体积密度为0.6g/cm3，抗压强度为9MPa；水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥；砂为ISO标准砂；水选用自来水；减水剂选用萘系粉末状高效减水剂，郑州建科混凝土外加剂有限公司生产的JKH-1型高效减水剂。

二、试件的制作

制作试件用水泥砂浆采用人工搅拌，为了避免玻璃微珠在搅拌过程中被撞击、挤压破坏。先把水泥、标准砂进行预先搅拌，当把其搅拌均匀后，在将微珠加进去搅拌，当这三种物质全部搅拌均匀时，搅拌桶内材料的颜色均匀，无单一材料颜色即搅拌均匀。然后在慢慢的加入适量的水。试块的模具采用的尺寸为300mm×300mm×10mm。按表1中每个配合比均制作出3组试件。

(一)实验设备简介

实验设备采用JW～3型热流计式导热仪，

1.主要技术参数如下：

测量范围：试样热阻应大于0.1m.k/w

热板温度：室温～60℃

泠板温度：室温～5℃

试样尺寸：300×300(mm)

电源电压：～220V±20V AC50HZ

环境条件：温度5～40℃、相对湿度<90%

测量误差：≤±5%

2.仪器的构造和原理

仪器有三部分组成

(1)主体部分：JW～3型导热系数测定仪的主体部分是有三部分组成：热板、冷板、热流计。热板表面尺寸300mm×300mm×6mm，热板是将铜板和加热器紧密的结合在一起，热板内部设置控温热电偶。温控措施采用的是智能化的测量仪，用智能化的测量仪控制器来控制加热电压。冷却板的规格尺寸为300mm×300mm×30mm，采用恒温的冷水对铝板进行冷却，采用螺旋形逆向流动的液体槽对进出水进行控制。冷板在工作台上是可以自由移动的，这样导热仪的工作台上就可以夹上不同厚度的试件。

(2)冷热源及控制系统：JW～3型导热系数测定仪的热源使用的是电子调压器来进行电压调节的，这样就能把我们预先设定的电压进行整流，然后进行转换，转换后的电压就成为了直流电压，控制热板温度主要是通过控温系统。冷源是由压缩机组、水槽、水泵、搅拌、加热控制电路、水温显示灯组成了。

(3)智能化测量仪:89C52微电脑系统是智能化测量仪上采用的微电脑系统，这种微电脑系统共有十六个测量通道，第一条测量线路通道是标准铂材料制作成的电阻进行的测温，第一条测量通道测到的温度就是热偶端点补偿温度。热板侧控温热电偶安置于第二条通道，热板侧热流计表面热电偶位于第三、四通道，冷板侧热流计表面热电偶位于第五、六路通道内，从七路通道到十二路通道是测量工作台装置中各处的空气温度，而测量热流计输出热电势的高低是在第十三到十六路通道中进行的。

(二)导热系数测量的理论基础——傅里叶导热定律。热力学第二定律表明：在一个物体里面的只要存在着温度差，热量就会自动的从高温处传到低温处。这个过程就称为热传递的过程，热传递这个能量传递的过程靠的是温差的推动，此传递过程称为热传递过程。从热量的传递机理上来分类，我们把热的传递过程分为三类：热传导、热对流和热辐射。

要完成导热这一过程必须需要满足三个条件：(1)物体内部有温差的存在并且各部分物质没有宏观的位移。(2)两个温度不同的物体接触，扩散过程是构成微观粒子的随机热运动，热传导是物质的固有属性。

一般说来，研究导热问题的理论基础就是导热热流速率方程，这个方程把物体内特定地点、特点时间的温度和导热热流密度联系在一起，导热热流速率方程是傅里叶导热定律。这个方程没有精确的推导过程，而是通过实验的现象长期的观察总结出来的。傅里叶定律可以描述为：在各向同性的连续物体中，任何时刻、任何地点的局部导热热流密度数值与温度梯度成正比例变化，但是方向是反向的[2]。可以用如下的数学表达式表示：

(1)

公式中的负号，表示温度梯度的正方向与热量传递的正方向不同，它们之间是相反的关系，公式中的λ是导热系数。

物质的导热性能的强弱一般采用导热系数的大小来表征，一个物质热性能的重要表征在热传导理论中采用导热系数这个热物理参数来表示。傅里叶定律直接定义并且给出了导热系数的计算公式：

(2)

导热系数λ等于单位温度梯度，单位时间内垂直于单位面积上通过的热流量。

在我们的工作中，许许多多的材料都有自己独特的导热系数，这些不同材料、不同导热系数，一般都是通过不同的试验方法测定的[3]。这些试验方法的理论基础大部分都是依据式2建立的，通过测量被测样品的热流和温度梯度的基础上测量出来的。

(三)空心玻璃微珠水泥基复合材料试验结果。待仪器进入稳定状态后，每隔15min记录一次数据，观察试验数据，若试验数据不是单调的往一个方向变化时，并且变化的幅度小于±3%。试验结束。

(四)试验数据及结果分析。通过试验测得的水泥砂浆的导热系数为0.28w/m·k，而水泥的导热系0.93w/m·k，实际值是试验值的3倍多，造成这种结果的原因很大一部分是由于试件制作过程中的人为因素，试件的表面粗糙不平。在试验过程中试件与热板、冷板的接触不太严密，有一部分空气存留在试件与热、冷板之间。而空气的导热系数为0.023w/m·k，因此试件的导热系数试验值偏小。

图2 试验数据与ABAQUS模拟数据

当中空玻璃微珠掺量分别为5%，10%，15%，20%，25%，30%时，用ABAQUS仿真模拟软件模拟出了中空玻璃微珠水泥材料的导热系数，并用数学软件绘制出了导热系数随掺量的变化曲线(图2)。 中空玻璃微珠掺量对中空玻璃微珠水泥基复合材料的导热系数降低的作用。中空玻璃微珠水泥基复合材料与没有加中空玻璃微珠的纯水泥(0.93w/m·k)相比，当中空玻璃微珠填充水泥基的体积分数达到30%的时候，中空玻璃微珠水泥基复合材料实验室测出的导热系数为0.1605w/m·k，复合材料的导热系数降低了82.74%。而当掺入量为30%时，用ABAQUS数值模拟出来水泥基的导热系数0.1059w/m·k，此时拿纯水泥的导热系数与ABAQUS计算出来的导热系数相比，导热系数降低了88.61%。而且，随着中空玻璃微珠掺量的增大，曲线出现了非线性的变化趋势，而且这种趋势是逐渐降低的[61]。

(五)实验小结、存在的问题及展望。通过对中空玻璃微珠水泥基复合材料等效导热系数的研究可知，在水泥、砂子的搅拌过程中加入一定量的中空玻璃微珠能够有效的降低复合材料的导热系数，能够满足中国建筑节能的强制标准。

目前，已经研发出了中空玻璃微珠保温混凝土，这种保温混凝土的保温性能优越、使用方便、造价成本比较低。与常见的粘贴类的保温材料相比，保温混凝土能有效的减少施工的过程，减少了工程现场的湿作业。所以，我们对空心玻璃微珠水泥基复合材料的微观探索研究和宏观的导热系数测定试验，是为了能研究出更好的墙体保温材料。

本文把中空玻璃微珠作为轻质隔热水泥基复合材料的增强相，研究质轻、隔热、耐高温的水泥砂浆复合材料，利用ABAQUS仿真模拟程序对微观模型进行了仿真计算。同时利用JW-3型建筑材料热流导热仪对中空玻璃微珠水泥材料进行了导热系数的宏观实验。并对ABAQUS仿真计算的结果与导热仪的测定结果进行了对比分析。并得出了中空玻璃微珠水泥材料的导热系数与微珠的分布、掺加、内部结构之间的依赖关系，并得出了以下结论：

(1)掌握了中空玻璃微珠水泥复合材料的配合比。

(2)宏观热学实验表明：随着中空玻璃微珠掺量的增加，中空玻璃微珠水泥材料的导热系数是降低的。

在实验室的热工性能的实验过程中，由于试件比较薄，在试件的安装固定过程中，会造成部分的试件断裂，在后续的研究试验中，建议将试件的厚度加厚至30mm。在本文的水泥砂浆配合比的设计问题上，由于加入的中空玻璃微珠的粒径比较小，在等量替换砂子的时，微珠的比表面积比较小，需要的水量就加大，由于水泥砂浆的强度等级时由水灰比(水泥量：用水量)决定的。当加入玻璃微珠后，水泥砂浆的强度的降低也有可能是水灰比的变化引起的。在后续的研究中，希望能保持水泥和水用量不变情况下来研究复合材料的抗压强度才是有意义的。也可以将水泥、水、砂子的用量不变的情况下，研究出一种外加剂，加入这样外加剂下，可以使水的用量不变。我们会继续往这个方向努力。也希望广大科研人员致力于这方面的研究，为其后续研究提供参考。

[1]张赋. 复合材料微结构仿真与性能预测一体化研究[D].兰州: 兰州理工大学, 2013.

[2]郝丽宏. 双平板式导热系数测定仪的研制[D].天津: 天津大学, 2004.

[3]罗涛. 电力电缆温度场及载流量计算方法研究[D].重庆: 重庆大学, 2009.

侯风(1988-)，男，河南开封人，硕士，助教，研究方向:有限元理论与结构优化设计。