CN105628735B - 一种高温下混凝土导热率的准稳态测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温下混凝土导热率的准稳态测定装置及方法，该装置包括所述芯板夹在两块试样中间，所述测温板置于两块试样外侧，芯板、试样和测温板的四周均采用绝热层包裹，四角开有螺孔的两块导热板置于两块测温板的外侧，将螺栓穿过导热板的四个螺孔，紧固螺丝使导热板夹紧芯板、试样、绝热层和测温板形成一个整体；所述整体置于高温电炉中，芯板的厚度面插有两个热电偶A，测温板的厚度面插有热电偶B，所述热电偶A、热电偶B的另一端与数据采集仪连接，数据采集仪再与电脑连接；所述数据采集仪置于冷箱中的冰水混合物上。该发明不仅可以测量常温至700℃高温下混凝土及水泥砂浆的导热率，而且运行成本低。

Description

一种高温下混凝土导热率的准稳态测试装置及方法

技术领域

本发明涉及建筑防火性能化设计领域，具体是一种高温下混凝土导热率的准稳态测试装置及方法。

背景技术

随着时代的发展，城市建设步伐不断加快，现代建筑工程的规模越来越大，工程所需的材料和技术也越来越复杂，然而现行的防火技术规范不能涵盖所有建筑的防火安全要求，越来越不适应社会经济快速发展的需求。因此，国家正在大力推进建筑防火性能化设计。

在目前常用的钢筋混凝土结构中建筑防火与高温下混凝土及水泥砂浆保护层的传热性能密切相关，所以需要掌握高温下混凝土及水泥砂浆等建筑墙体材料的传热性能。此外，夏季室内开空调后，室内温度低于室外温度，须减少热量由外向内传递；冬季室内温度高于室外温度，须减少热量由内向外传递，这就需要了解不同材料的传热性能。目前使用的稳态法测试防火材料导热率的装置测试结果较为准确，但测试时所需试件的尺寸较大，仪器价格昂贵，操作繁琐且只能测试100℃以下防火材料的导热率。热线法和热带法等瞬态法虽然能够用于测试高温下防火材料的导热率，但是无法测试非均质材料的导热率。此外，瞬态法只能测试均质材料局部的导热率，而不能测试混凝土、水泥砂浆等非均质材料整体厚度方向上的导热率，且热线法和热带法测试仪器价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温下混凝土导热率的准稳态测试装置及方法，该装置结构简单、操作便捷，不仅可以测量常温至700℃以下不均匀防火材料整体的导热率，而且运行成本低。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高温下混凝土导热率的准稳态测试装置，该装置包括芯板、绝热层、测温板、导热板、电炉、热电偶A、热电偶B、数据采集仪以及电脑，所述芯板夹在两块试样中间，所述测温板置于两块试样外侧，芯板、试样和测温板的四周均采用绝热层包裹，四角开有螺孔的两块导热板置于两块测温板的外侧，将螺栓穿过导热板的四个螺孔，紧固螺丝使导热板夹紧芯板、试样、绝热层和测温板形成一个整体；所述整体置于高温电炉中，芯板的厚度面插有两个热电偶A，测温板的厚度面插有一个热电偶B，所述热电偶A、热电偶B的另一端与数据采集仪连接，数据采集仪再与电脑连接；所述数据采集仪置于冷箱中的冰水混合物上。

作为本发明的进一步改进，分别在试样与测温板之间、导热板与测温板之间放置铝箔纸。

作为本发明的进一步改进，所述热电偶A、热电偶B的直径为1mm；所述芯板和测温板为铜板，其长度和宽度分别与试样的长度和宽度相同，所述芯板的厚度面中间位置沿水平方向开有两个直径为1.2mm的圆孔，所述测温板的厚度面中间位置沿水平方向开有一个直径为1.2mm的圆孔。

作为本发明的进一步改进，所述绝热层为多层岩棉毯组成，岩棉毯的导热率小于0.05W/m·K。

一种高温下混凝土导热率的准稳态测试方法，包括以下步骤：

A、首先安装高温下混凝土导热率的准稳态测试装置；确定防火材料的测量温度，设定电炉的恒定温度；

B、接通电源，电炉开始加热，当电炉持续加热至设定温度，恒温30分钟，在此期间每秒测定一次所有热电偶的温度数据，记录测定数据，实验完毕后，切断电源；

C、在电炉恒温过程中，选取相对稳定的传热阶段(测温板的升温速率与芯板的升温速率相差小于0.2℃/分钟)的温度数据，认为此时处于准稳态传热阶段(近似认为是处于稳态传热阶段)，根据傅里叶一维平板稳定传热的原理，△t时间内从试样里传出的热量全部传入芯板内；芯板的比热容用C表示，质量用M表示，传入的热量用Q₁表示，芯板在单位时间内的升温值用ΔT₂表示，传入芯板的热量Q₁＝C×M×ΔT₂；试样的导热率用K表示，试样的导热面积用A表示，流经试样传向芯板的热量用Q₂表示，试样的厚度用Δx表示，温度梯度用ΔT₁/Δx表示，试样两侧的温度差用ΔT₁表示，经试样传向芯板的热量Q₂＝K×A×(△T₁/△x)；根据傅里叶规律，由传出和传入的热量相等可得公式：Q₁＝2Q₂，由于本装置试样关于芯板对称分布设置，芯板接收到的热量是两块试样的热量之和，因此推导出公式：C×M×ΔT₂＝2K×A×(ΔT₁/Δx)，将公式进行变形得到导热率：K＝2C×M×ΔT₂×A^-1×(ΔT1/Δx)^-1。

D、将测得的试样两侧的温度差ΔT1和芯板在单位时间内的升温值ΔT2代入上述傅里叶一维平板稳定传热原理的公式中，计算出在测量温度下试样的导热率K。

作为本发明进一步改进，在工作过程中电炉的升温速度为2℃/分钟，最高加热到800℃。

本发明与现有技术相比，该装置结构简单、操作便捷、运行成本低，既可以适用于测试常温至700℃以下混凝土板的导热率，也可以用于测试常温至700℃以下水泥砂浆板的导热率，可以连续测定同一组试样在不同高温温度下的导热率。

附图说明

图1是高温下混凝土导热率的准稳态测试装置的结构示意图；

图2是材料组装整体结构的放大剖面图；

图3是图1中材料组装整体结构的放大旋转右视图；

图4是图1中材料组装整体结构的放大俯视图；

图中：1.芯板，2.试样，3.绝热层，4.导热板，5.螺栓，6.热电偶A，6-1.热电偶B，7.电炉，8.数据采集仪，9.冷箱，10.电脑，11.铝箔纸，12.测温板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1至图4所示，一种高温下混凝土导热率的准稳态测试装置，该装置包括芯板1、绝热层3、测温板12、导热板4、电炉7、热电偶A6、热电偶B6-1、数据采集仪8以及电脑10。安装时，首先将所述导热板4平放，在导热板4正中间铺好铝箔纸11，再放置一块测温板12，在铺好铝箔纸11的测温板12上放置一块试样2，在所述试样2上放置芯板1，另一侧的试样2、导热板3、铝箔纸11和测温板12关于芯板1对称布置，所述试样2为上下面平整的混凝土板，由于试样2为两块且关于芯板1对称分布，这样可以计算出两块试样导热率的平均值，达到减小误的目的。芯板1、试样2和测温板12的四周用绝热层3包裹，将螺栓5穿过导热板4的四个螺孔，紧固螺丝从而使导热板4夹紧芯板1、试样2、绝热层3、测温板12，并形成一个整体结构，所述螺栓5采用耐高温螺栓；将此整体结构置于具有恒温功能的高温电炉7中，芯板1的厚度面上靠近两侧试样2的位置插有两个热电偶A6，两个测温板12的厚度面上靠近其相邻试样2的位置分别插有热电偶B6-1，所述热电偶A6、热电偶B6-1的另一端与数据采集仪8连接，数据采集仪8再与电脑10连接；所述数据采集仪8置于冷箱9中的冰水混合物上，由于所述数据采集仪8置于冰水混合物之上，这样使热电偶冷端保持零度，从而增加采集数据的精度。本装置可以根据芯板1的尺寸调节试样2和绝热层3和测温板12的尺寸来测试不同尺寸的试样2的导热率，该装置通用性较强。

作为本发明的进一步改进，分别在试样2与测温板12之间、导热板4与测温板12之间放置铝箔纸11，所述铝箔纸11的尺寸与试样2外侧的尺寸相同，这样可以使试样2均匀受热。

作为本发明的进一步改进，所述热电偶A6、热电偶B6-1的直径为1mm；所述芯板1和测温板12为铜板，其长度和宽度分别与试样2的长度和宽度相同，所述芯板1的厚度面中间靠近两侧相邻试样2的位置沿水平方向开有两个直径为1.2mm的圆孔，所述测温板12的厚度面中间靠近相邻试样2位置沿水平方向开有一个直径为1.2mm的圆孔，以便达到测量试样2两侧温度的目的。

作为本发明的进一步改进，所述绝热层3为多层岩棉毯组成，岩棉毯的导热率小于0.05W/m·K，这样即可以达到隔热的目的，又方便热电偶A6、热电偶B6-1穿过。

一种高温下混凝土导热率的准稳态测试方法，包括以下步骤：

A、首先安装高温下混凝土导热率的准稳态测试装置；确定防火材料的测量温度，设定电炉7的恒定温度；

B、接通电源，电炉7开始加热，当电炉7持续加热至设定温度，恒温30分钟，在此期间每秒测定一次所有热电偶的温度数据，记录数据采集仪8上显示的测定数据，实验完毕后，切断电源；

C、在电炉恒温过程中，选取相对稳定的传热阶段(测温板12的升温速率与芯板1的升温速率相差小于0.2℃/分钟)的温度数据，认为此时处于准稳态传热阶段(近似认为是处于稳态传热阶段)，根据傅里叶一维平板稳定传热的原理，△t时间内从试样2里传出的热量全部传入芯板1内；芯板1的比热容用C表示，质量用M表示，传入的热量用Q₁表示，芯板1在单位时间内的升温值用ΔT₂表示，传入芯板1的热量Q₁＝C×M×ΔT₂；试样2的导热率用K表示，试样2的导热面积用A表示，传出的热量用Q₂表示，试样2的厚度用Δx表示，温度梯度用ΔT₁/Δx表示，试样2两侧的温度差用ΔT₁表示，试样2里传出的热量Q₂＝K×A×(△T₁/△x)；根据傅里叶规律，由传出和传入的热量相等可得公式：Q₁＝2Q₂，由于本装置试样2关于芯板1对称分布设置，芯板1接收到的热量是两块试样2的热量之和，因此推导出公式：C×M×ΔT₂＝2K×A×(ΔT₁/Δx)，将公式进行变形得到导热率：K＝2C×M×ΔT₂×A^-1×(ΔT₁/Δx)^-1。

D、将测得的试样2两侧的温度差ΔT1和芯板1在单位时间内的升温值ΔT2代入上述傅里叶一维平板稳定传热原理的公式中，计算出在测量温度下试样2的导热率K。

为了提高测试结果的准备性，优先的，在工作过程中电炉7的升温速度为2℃/分钟，最高加热到800℃。

在该技术方案中，通过采用高温电炉7加热至设定温度，恒温30分钟，在恒温期间每秒测定一次所有热电偶的温度数据。依据本发明的方法处理数据后可以得到在该测定温度下的导热率；继续加热至新的设定温度，可以连续测定同一组试样在不同高温温度下的导热率。

Claims (6)

1.一种高温下混凝土导热率的准稳态测试装置，其特征在于,该装置包括芯板(1)、绝热层(3)、测温板(12)、导热板(4)、电炉(7)、热电偶A(6)、热电偶B(6-1)、数据采集仪(8)以及电脑(10)，所述芯板(1)夹在两块试样(2)中间，所述测温板(12)置于两块试样(2)外侧，芯板(1)、试样(2)和测温板(12)的四周均采用绝热层(3)包裹，四角开有螺孔的两块导热板(4)置于两块测温板(12)的外侧，将螺栓(5)穿过导热板(4)的四个螺孔，紧固螺丝使导热板(4)夹紧芯板(1)、试样(2)、绝热层(3)和测温板(12)形成一个整体；所述整体置于具有恒温功能的高温电炉(7)中，芯板(1)的厚度面插有两个热电偶A(6),测温板(12)的厚度面插有热电偶B(6-1)，所述热电偶A(6)、热电偶B(6-1)的另一端与数据采集仪(8)连接，数据采集仪(8)再与电脑(10)连接；所述数据采集仪(8)置于冷箱(9)中的冰水混合物上。

2.根据权利要求1所述的高温下混凝土导热率的准稳态测试装置，其特征在于，分别在试样(2)与测温板(12)之间、导热板(4)与测温板(12)之间放置铝箔纸(11)。

3.根据权利要求1所述的高温下混凝土导热率的准稳态测试装置，其特征在于，所述热电偶A(6)、热电偶B(6-1)的直径为1mm；所述芯板(1)和测温板(12)为铜板，其长度和宽度分别与试样(2)的长度和宽度相同，所述芯板(1)的厚度面中间位置沿水平方向开有两个直径为1.2mm的圆孔，所述测温板(12)的厚度面中间位置沿水平方向开有一个直径为1.2mm的圆孔。

4.根据权利要求1或2所述的高温下混凝土导热率的准稳态测试装置，其特征在于，所述绝热层(3)为多层岩棉毯组成，岩棉毯的导热率小于0.05W/m·K。

5.一种高温下混凝土导热率的准稳态测试方法，包括以下步骤：

A、首先安装如权利要求1-4中任一所述的高温下混凝土导热率的准稳态测试装置；确定防火材料的测量温度，设定电炉(7)的恒定温度；

B、接通电源，电炉(7)开始加热，当电炉(7)持续加热至设定温度，恒温30分钟，在此期间每秒测定一次所有热电偶的温度数据，记录测定数据，实验完毕后，切断电源；

C、在电炉恒温过程中，选取相对稳定传热阶段的温度数据，认为是处于准稳态传热阶段，根据傅里叶一维平板稳定传热的原理，△t时间内从试样(2)里传出的热量全部传入芯板(1)内；芯板(1)的比热容用C表示，质量用M表示，传入的热量用Q₁表示，芯板(1)在单位时间内的升温值用ΔT₂表示，传入芯板(1)的热量Q₁＝C×M×ΔT₂；试样(2)的导热率用K表示，试样(2)的导热面积用A表示，流经试样(2)传向芯板(1)的热量用Q₂表示，试样(2)的厚度用Δx表示，温度梯度用ΔT₁/Δx表示，试样(2)两侧的温度差用ΔT₁表示，经试样(2)传向芯板(1)的热量Q₂＝K×A×(ΔT₁/Δx)；根据傅里叶规律，由传出和传入的热量相等可得公式：Q₁＝2Q₂，由于本装置试样(2)关于芯板(1)对称分布设置，芯板(1)接收到的热量是两块试样(2)的热量之和，因此推导出公式：C×M×ΔT₂＝2K×A×(ΔT₁/Δx)，将公式进行变形得到试样(2)导热率：K＝2C×M×ΔT₂×A-1×(ΔT₁/Δx)^-1；

D、将测得的试样(2)两侧的温度差ΔT1和芯板(1)在单位时间内的升温值ΔT2代入上述傅里叶一维平板稳定传热原理的公式中，计算出在测量温度下试样(2)的导热率K。

6.根据权利要求5所述的高温下混凝土导热率的准稳态测试方法，其特征在于，在工作过程中电炉(7)的升温速率为2℃/分钟，最高加热到800℃。