CN105572163A - 混凝土干燥状态下导热系数测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混凝土干燥状态下导热系数测定装置，装置包括隔热测试盒、试件下表面加热装置、上表面热流量测试装置、温度采集装置。本发明通过测量传热稳定状态下试件下表面加热区域与上表面对应区域的三点平均温度以及通过试件的热流量，经过计算得到干燥状态下块状混凝土材料的导热系数。本发明中隔热测试盒底部与中部设置隔层，两侧设置试件放置台，在隔热功能上充分利用了高分子纳米材料——气凝胶。本发明在很大程度上简化了现有的混凝土导热系数测试设备，并且提供了直观观察比较不同混凝土作为围护结构的隔热效果。

Description

混凝土干燥状态下导热系数测定装置

技术领域

本发明涉及混凝土性能测试技术领域，具体是一种混凝土干燥状态下导热系数测定装置。

背景技术

建筑材料的导热系数是其一个重要的热工参数，是切实反映建筑材料导热性能的最直接的物理量，在科研和建筑领域中，建筑材料导热系数的测定是必不可少的一个环节，对导热系数的研究与测定是研发保温材料与新型混凝土的关键。

目前对混凝土导热系数的测定方法有以下几种方法：

防护热板法。此方法是稳态法的一种，依据的标准是《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》(GB10294-2008)。该方法只适用于测定干燥均质试件，试件热阻应大于0.1m²·k/w。依据的原理是在稳态条件下，在具有平行表面的均匀板状试件内，建立类似于以两个平行的温度均匀的平面为界的无限大平板中存在的一维均匀热流密度，通过测定稳定状态下流过计量单元的一维恒定热流Q、计量单元的面积A及试件冷、热表面的温度差ΔT，可计算出厚度为d的试件的导热系数λ（λ=Q·d/（ΔT·A））。防护热板法的试验装置可分为双试件和单试件两种形式，双试件装置要求两试块厚度差不超过2%，试件表面偏离平整度的最大值为0.025%。优点是能较为准确的测得均质体和均质多孔体的导热系数，缺点是只适用于试件干燥状态下导热系数的测定，并且对于像混凝土这样的各向非均质体的导热系数并不能准确测定。

热流计法。此方法是稳态法的另一种，依据的标准是《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》(GB10295-2008)。依据的原理是当热板和冷板在恒定温度和恒定温差的稳定状态下，热流计装置在热流计中心测量区域和试件中心区域建立一个单向稳定热流密度，该热流穿过一个（或两个）热流计的测量区域及一个（或两个接近相同）的时间的中间区域。此方法首先需要通过ISO8302防护热板法测定标准试件的热阻，再由测试试件的热阻和标准试件热阻相比得到测试试件的热阻，最后由已测得的测试试件的厚度计算出其导热系数。在本方法中，最关键的是标定试件的热阻必须准确测定，优点与防护热板法相同，能够较为准确的测得均质体和均质多孔体的导热系数，缺点是该法检测的准确度取决于标定试件导热系数测试的准确度，同时对于类似混凝土的各向非均质体也不能准确测得其导热系数。

热脉冲法。此方法是基于非稳态法，依据的标准是《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)。热脉冲法测定导热系数的装置由一个加热器和放置在加热器两侧材料相同的三块试件以及测温热电偶组成，当加热器通以电流后，根据被测试件的温度变化测出试件的导热系数。此方法的优点是设备简单，操作方便，不需要控温制冷装置，适用于测定干燥或不同含湿状况下轻骨料混凝土的导热系数，并且一次试验中可以同时测出材料的导热系数、导温系数和比热，试验时间短，避免了试件在测试过程中的湿迁移。缺点是这种方法不能够有效测定普通混凝土和各种新型混凝土的导热系数。

随着我国人口的增多，建筑物的大量建造，大量的开采已经对自然环境造成了极大的破坏，天然资源逐渐枯竭，在国策与各种因素综合考虑下，各种新型混凝土应运而生，良好的导热系数极具说服力，是建筑材料得以进一步推广的重要热工性能之一，这就要求我们要有一个统一简便的测定方法，为新型混凝土的推广使用提出指导性的建议。

目前，房屋舒适度已经是人类生产生活需要认真考虑的因素，国内很多高校都在对混凝土的导热系数进行研究，但由于测定设备的不同，以及各种测定设备对均质体和均质多孔体的限制，导致在相同的混凝土研究结果上出现一些较大的偏差，没能对混凝土的导热系数有一个统一的结论，并且也没有就各种混凝土作为围护结构时，给出人类生活在其中舒适度的一个直观评比，在这种产学研急需快速结合的形势下，提出一种简单、实用、便捷的混凝土导热系数测定装置势在必行。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种混凝土干燥状态下导热系数测定装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种混凝土干燥状态下导热系数测定装置，包括隔热测试盒、试件下表面加热装置、试件上表面热流量测试装置和温度采集装置；

所述的隔热测试盒包括左盒壁和右盒壁，左盒壁的顶端和底端以及右盒壁的顶端和底端都向内延设有凸棱，左盒壁和右盒壁之间的后端固定有后盒壁、底部固定有盒底、前端活动安装有前盒壁（前盒壁卡置在左、右盒壁之间，前盒壁的左端卡置在左盒壁及其上下凸棱形成的凹槽内，前盒壁的右端卡置在右盒壁及其上下凸棱形成的凹槽内，前盒壁可在左、右盒壁之间前后推拉）、顶部设有与后盒壁铰接的盒盖，其中，前、后、左、右盒壁以及盒盖都设有夹层，夹层内填充有高分子纳米气凝胶；左盒壁的内壁上以及右盒壁的内壁上位于前、后盒壁之间的部分沿左、右盒壁水平中线的位置分别设有支撑棱；

所述的试件下表面加热装置由加热电阻丝和稳压交流电源组成，加热电阻丝置于测试盒内的盒底上；

所述的试件上表面热流量测试装置采用正方形的热流传感片（即热流传感器），热流传感片置于测试盒内；

所述的温度采集装置采用三组热电偶组，每组热电偶组包括三个热电偶，其中第一组热电偶组置于测试盒内的盒底上，第二组热电偶组固定于热流传感片上，第三组热电偶组固定于一根钢丝上，钢丝的两端分别固定于左、右盒壁的支撑棱的中间位置；测试盒的前盒壁上开设有供热流传感片及热电偶的引线穿出的孔洞。

使用时，制作混凝土试件，所选上试件和下试件为同一批制作，尺寸相同，表面平整度误差2%以内，在测试之前将下试件上下表面打磨平整，用导热硅脂将下试件在打磨平整后出现的小孔填充，最大限度减少热流量采集时因为孔隙造成的误差，之后将试件烘干至恒重。将前盒壁拉出，在左、右盒壁的支撑棱下方插入下试件，在左、右盒壁的支撑棱上方插入上试件，其中，下试件通过自身重力向下压加热电阻丝和第一组的三个热电偶，使其与下试件的下表面紧密结合；将热流传感片及第二组三个热电偶紧密贴合在下试件的上表面上，将第三组的三个热电偶固定在钢丝上，在左右盒壁的支撑棱上方插入上试件，将前盒壁推入到左、右盒壁之间，并将盒盖闭合，从而组成封闭的盒体，同时将加热电阻丝和第一组的三个热电偶的引线从前盒壁和盒底之间的缝隙中穿出与外部计算机相连，将热流传感片和第二组的三个热电偶的引线以及第三组的三个热电偶的引线从前盒壁的孔洞中穿出与外部计算机相连，确认成功连接后，将缝隙和孔洞缝隙用保温胶填充。

在本发明装置加热过程中实时采集温度、热流量、加热功率，并通过比较下试件下表面三点平均温度（第一组热电偶）和测试盒中部隔层三点平均温度（第三组热电偶），来直观对比不同材料做围护结构时的舒适度。

测试过程稳定传热状态确定为加热功率稳定时，下试件上下表面温差一定，热流传感器显示数值稳定。

本装置利用导热系数的定义：在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（k，℃），在1秒钟内，通过1m²面积传递的热量，单位为瓦/米·度W/(m·k)（此处为k可用℃代替）。用公式λ=Φ·d/（ΔT·s）计算得到材料导热系数。其中，Φ表示在加热功率、下试件上下表面温度稳定时，热流传感片所测的通过下试件的热流量；d表示下试件的平均厚度；ΔT表示在加热功率、下试件上下表面温度、热流传感片所测热流量稳定时，下试件两个表面温差的绝对值；s表示所用热流传感器与下试件上表面接触的面积。

通过监测、采集上下试件之间隔层区域温度随下试件下表面温度的变化趋势，对于不同材料制作的试件，采取两种对比方法评估不同材料分别作为建筑围护结构时的隔热效果，即人类居住于其中的舒适程度。

方法一：加热功率一致，试件厚度一致，上下试件之间隔层区域平均温度一致时所需的时间长短，时间越长，表明舒适度越好。

方法二：加热功率一致，试件厚度一致，在相同的时间内不同材料试件隔层区域平均温度所升高的程度，相对变化越小，表明舒适越好。此方法还可以反映不同材料在受热时间积累上所能提供的舒适度大小。

作为优选方案，固定于热流传感片上的三个热电偶沿热流传感片的任一对角线斜向布置，中间的热电偶位于热流传感片的中心位置，两侧的热电偶距中间的热电偶的距离为100mm；置于测试盒盒底上的三个热电偶与固定于热流传感片上的三个热电偶对称布置；固定于钢丝上的三个热电偶中，中间的热电偶位于钢丝的中间位置，两侧的热电偶距中间的热电偶的距离为100mm。三点测试取平均温度，排除偶然因素。

作为优选方案，测试盒的外形尺寸为500mm×400mm×320mm，前、后、左、右盒壁以及盒盖的夹层厚度为10mm，热流传感片的尺寸为100mm×100mm，热电偶的直径为1mm，钢丝的直径为2mm。

本发明是从材料导热系数的定义上出发，用基本的理论、简便的方法设计了一种导热系数测定装置，从而得到材料的导热系数。此装置操作简单，不局限于均质体和均质多孔体导热系数的测定，且不需要控温制冷装置，与此同时，现场还原不同混凝土材料作为围护结构时的隔热差异，通过记录比较，清楚的得到人类生活在不同混凝土结构中所感受到的舒适程度。

本发明的有益效果：一是通过多点温度测试，用最基本的方法、理论得到不同材料的导热系数，为其理论研究与实践应用做出指导；二是现场还原不同建筑材料作为围护结构时，通过由于外界温度升高所导致室内温度的变化来评估不同建筑材料做围护结构时给人类带来的舒适程度。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明装置中的试件下表面加热装置及温度采集装置示意图一。

图4为本发明装置中的试件上表面热流量测试装置及温度采集装置示意图二。

图中：1-左盒壁、2-右盒壁、3-凸棱、4-后盒壁、5-盒底、6-前盒壁、7-盒盖、8-夹层、9-支撑棱、10-加热电阻丝、11-热流传感片、12-热电偶、13-钢丝、14-孔洞。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1至图4所示，一种混凝土干燥状态下导热系数测定装置，其特征在于：包括隔热测试盒、试件下表面加热装置、试件上表面热流量测试装置和温度采集装置；

所述的隔热测试盒包括左盒壁1和右盒壁2，左盒壁1的顶端和底端以及右盒壁2的顶端和底端都向内延设有凸棱3，左盒壁1和右盒壁2之间的后端固定有后盒壁4、底部固定有盒底5、前端活动安装有前盒壁6、顶部设有与后盒壁4铰接的盒盖7，其中，前、后、左、右盒壁6、4、1、2以及盒盖7都设有夹层8，夹层8内填充有高分子纳米气凝胶；左盒壁1的内壁上以及右盒壁2的内壁上位于前、后盒壁6、4之间的部分沿左、右盒壁1、2水平中线的位置分别设有支撑棱9；

所述的试件下表面加热装置由加热电阻丝10和稳压交流电源组成，加热电阻丝10置于测试盒内的盒底5上；

所述的试件上表面热流量测试装置采用正方形的热流传感片11，热流传感片11置于测试盒内；

所述的温度采集装置采用三组热电偶组，每组热电偶组包括三个热电偶12，其中第一组热电偶组置于测试盒内的盒底5上，第二组热电偶组固定于热流传感片11上，第三组热电偶组固定于一根钢丝13上，钢丝13的两端分别固定于左、右盒壁1、2的支撑棱9的中间位置；测试盒的前盒壁6上开设有供热流传感片11及热电偶12的引线穿出的孔洞14。

具体实施时，固定于热流传感片11上的三个热电偶12沿热流传感片11的任一对角线斜向布置，中间的热电偶12位于热流传感片11的中心位置，两侧的热电偶12距中间的热电偶12的距离为100mm；置于测试盒盒底5上的三个热电偶12与固定于热流传感片11上的三个热电偶12对称布置；固定于钢丝13上的三个热电偶12中，中间的热电偶12位于钢丝13的中间位置，两侧的热电偶12距中间的热电偶12的距离为100mm。

测试盒的外形尺寸为500mm×400mm×320mm，前、后、左、右盒壁6、4、1、2以及盒盖7的夹层8厚度为10mm，热流传感片11的尺寸为100mm×100mm，热电偶12的直径为1mm，钢丝13的直径为2mm。

本发明装置的具体使用方法如下：

1）测试试件制作：试件须是同一批制作，试验中的两块试件厚度须一致，为便于热流传感片11的放置，下试件上下表面要打磨平整，存在的可见孔隙用导热硅脂填充。

2）加热电阻丝10及第一组的三个热电偶放置：根据试件尺寸选用合适的加热电阻丝10并置于测试盒盒底5上，同时放置第一组的三个热电偶12，在左、右盒壁1、2的支撑棱9下方插入下试件，加热电阻丝10不能移位，且下试件要向下压紧加热电阻丝10和三个热电偶12，并将加热电阻丝10和第一组的三个热电偶12的引线从前盒壁6和盒底5之间的缝隙穿出并与计算机相连。

3）试件上表面热流量测试装置放置：将第二组的三个热电偶12固定于热流传感片11上，将热流传感片11紧密固定于下试件上表面，第二组的三个热电偶12与盒底的第一组的三个热电偶12对称布置，并将热流传感片11和第二组的三个热电偶12的引线通过前盒壁6预留的孔洞14穿出与计算机相连。

4）固定于钢丝13上的第三组的三个热电偶12的引线通过前盒壁6预留的孔洞14穿出与计算机相连。

5）在左、右盒壁的支撑棱上方插入上试件，推动前盒壁6关闭，并将盒盖盖好。

6）检测设备：接通电源，检查各个数据是否变化，适当调整设备，保温胶填充孔洞14。

7）数据稳定时，用公式计算所测材料导热系数，并实时记录上下两试件之间隔层区域温度变化。

8）换另一种材料重复以上所述步骤，与前一种材料作比较得到作为围护结构时提供给人类的舒适度。

Claims (3)

1.一种混凝土干燥状态下导热系数测定装置，其特征在于：包括隔热测试盒、试件下表面加热装置、试件上表面热流量测试装置和温度采集装置；

所述的隔热测试盒包括左盒壁（1）和右盒壁（2），左盒壁（1）的顶端和底端以及右盒壁（2）的顶端和底端都向内延设有凸棱（3），左盒壁（1）和右盒壁（2）之间的后端固定有后盒壁（4）、底部固定有盒底（5）、前端活动安装有前盒壁（6）、顶部设有与后盒壁（4）铰接的盒盖（7），其中，前、后、左、右盒壁（6、4、1、2）以及盒盖（7）都设有夹层（8），夹层（8）内填充有高分子纳米气凝胶；左盒壁（1）的内壁上以及右盒壁（2）的内壁上位于前、后盒壁（6、4）之间的部分沿左、右盒壁（1、2）水平中线的位置分别设有支撑棱（9）；

所述的试件下表面加热装置由加热电阻丝（10）和稳压交流电源组成，加热电阻丝（10）置于测试盒内的盒底（5）上；

所述的试件上表面热流量测试装置采用正方形的热流传感片（11），热流传感片（11）置于测试盒内；

所述的温度采集装置采用三组热电偶组，每组热电偶组包括三个热电偶（12），其中第一组热电偶组置于测试盒内的盒底（5）上，第二组热电偶组固定于热流传感片（11）上，第三组热电偶组固定于一根钢丝（13）上，钢丝（13）的两端分别固定于左、右盒壁（1、2）的支撑棱（9）的中间位置；测试盒的前盒壁（6）上开设有供热流传感片（11）及热电偶（12）的引线穿出的孔洞（14）。

2.根据权利要求1所述的混凝土干燥状态下导热系数测定装置，其特征在于：固定于热流传感片（11）上的三个热电偶（12）沿热流传感片（11）的任一对角线斜向布置，中间的热电偶（12）位于热流传感片（11）的中心位置，两侧的热电偶（12）距中间的热电偶（12）的距离为100mm；置于测试盒盒底（5）上的三个热电偶（12）与固定于热流传感片（11）上的三个热电偶（12）对称布置；固定于钢丝（13）上的三个热电偶（12）中，中间的热电偶（12）位于钢丝（13）的中间位置，两侧的热电偶（12）距中间的热电偶（12）的距离为100mm。

3.根据权利要求1或2所述的混凝土干燥状态下导热系数测定装置，其特征在于：测试盒的外形尺寸为500mm×400mm×320mm，前、后、左、右盒壁（6、4、1、2）以及盒盖（7）的夹层（8）厚度为10mm，热流传感片（11）的尺寸为100mm×100mm，热电偶（12）的直径为1mm，钢丝（13）的直径为2mm。