CN107144597B

CN107144597B - 测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置及方法

Info

Publication number: CN107144597B
Application number: CN201710408037.1A
Authority: CN
Inventors: 汤茗喆
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2037-06-02
Also published as: CN107144597A

Abstract

本发明属于建筑材料科学实验技术领域，具体地，涉及一种测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置及方法；试验装置，包括：固定支架、直流电源、温度数据采集系统；其中：固定支架上，从上到下依次放置支架板、隔热板、第一对比试样、第一片状电加热器、第一热电偶组、第一受压试样、第二热电偶组、第二受压试样、第二片状电加热器、第二对比试样、绝热板；直流电源与第一、第二片状电加热器相连接；温度数据采集系统与第一、第二热电偶组相连；利用本发明提供的操作方法，结合温度数据采集系统获得的数据，得到待测建筑材料的导热系数。本发明能够测量建筑材料的导热系数与应力大小、含水率之间关系，测试精度较高，速度快。

Description

测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置及方法

技术领域

本发明属于建筑材料科学实验技术领域，具体地，涉及一种测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置及方法。

背景技术

随着我国建筑节能工作的不断开展和对围护结构热工性能要求的提高，建筑材料的绝热性能正逐渐成为研究者关注的重点。为了有效满足建筑结构的节能环保要求，需要确切掌握材料的导热性能参数，尤其是建筑材料的有效导热系数。目前，关于建筑材料有效导热系数的研究很少，其主要集中于无应力、气干状态下的建筑材料。然而，实际服役状态下的建筑材料经常处于应力状态，应力会改变建筑材料的孔隙率，进而造成材料导热系数的改变；同时，服役状态下的建筑材料随着环境湿度的变化，其含水率也会发生相应的改变，而水的存在也会造成材料导热系数的变化。因此，有必要针对实际服役状态下的建筑材料的导热系数展开研究，总结应力和含水率对有效导热系数的影响规律，从而获得确切的有效导热系数。

目前，依据实验原理可以将测量建筑材料导热系数的方法分为稳态法和准稳态法。其中，稳态法的测试过程较长，测试完成时，试样的湿度场已经发生改变，所得到的实验结果误差较大。准稳态法测量时间短，能够较准确的测取材料的导热系数，但是准稳态法需要在建筑材料内埋设热源和温度传感器，导致被测建筑材料的力学性能改变。申请号为201510724632.7的发明专利公开了一种测量单周压缩过程混凝土导热系数下降率的装置及方法，该试验装置能够测量混凝土试件在单轴压缩过程中的导热系数及变化规律，但是其试验原理采用了稳态法，并不能测量不同湿度下受压建筑材料的导热系数。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置及方法，能够测量建筑材料的导热系数与应力大小、含水率之间关系，测试过程中不会影响建筑材料原有的力学性能，试验装置简单，易操作，精度较高，测试速度快。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置，包括：固定支架、直流电源、温度数据采集系统；其中：固定支架上，从上到下依次放置支架板、隔热板、第一对比试样、第一片状电加热器、第一热电偶组、第一受压试样、第二热电偶组、第二受压试样、第二片状电加热器、第二对比试样、绝热板；直流电源与第一片状电加热器、第二片状电加热器相连接；温度数据采集系统与第一热电偶组、第二热电偶组相连；利用本发明提供的测量服役状态下建筑材料导热系数的操作方法，结合温度数据采集系统获得的数据，得到待测建筑材料的导热系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：能够测量建筑材料的导热系数与应力大小、含水率之间关系；测量过程中，不会影响建筑材料原有的力学性能，能够精确地向待测试样施加压力荷载；试验装置构造简单，易操作，精度较高；测试速度快。

附图说明

图1导热系数测试装置结构示意图；

图2导热系数测试装置爆炸示意图；

图3第一受压试样示意图；

图中：1、固定支架，2、直流电源，3、温度数据采集系统，4、支架板，5、隔热板，6、第一对比试样，7、第一片状电加热器，8、第一热电偶组，9、第一受压试样，10、第二热电偶组，11、第二受压试样，12、第二片状电加热器， 13、第二对比试样，14、绝热板，15、主体螺杆，16、螺母，17、支座，18、待测建筑材料，19、受压钢板，20、支座螺杆，21、支座螺母，22、第一垫片， 23、弹簧，24、第二垫片，25、压力传感器。

具体实施方式

如图1、图2所示，测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置，包括：固定支架1、直流电源2、温度数据采集系统3；其中：固定支架1上从上到下依次放置支架板4、隔热板5、第一对比试样6、第一片状电加热器7、第一热电偶组8、第一受压试样9、第二热电偶组10、第二受压试样11、第二片状电加热器12、第二对比试样13、绝热板14；直流电源2与第一片状电加热器7、第二片状电加热器12相连接；温度数据采集系统3与第一热电偶组8、第二热电偶组10相连。

如图2所示，固定支架1为方形板；四根主体螺杆15依次焊接于固定支架的四个角端，方向朝上；主体螺杆15贯穿于支架板4；在主体螺杆15的上端设置有螺纹，并连接螺母16，螺母用于固定支架板4。

如图3所示，第一受压试样9，包括：支座17、待测建筑材料18和受压钢板19；支座17为方形板，支座上从上到下依次放置受压钢板19、待测建筑材料18；四根支座螺杆20依次焊接于支座的四个角端，方向朝上，支座螺杆20 贯穿于受压钢板19；支座螺杆20的上端设置有螺纹，支座螺杆上端从上至下依次连接支座螺母21、第一垫片22、弹簧23、第二垫片24、压力传感器25；压力传感器25和受压钢板19相接触。

待测建筑材料18的形状为方形板，其厚度应小于宽度的六分之一；待测建筑材料18与受压钢板19接触的面积应小于第一片状电加热器7的面积。

隔热板5、绝热板14的材质采用绝热抗压材料，例如高性能多孔陶瓷；支架板4、主体螺杆15、第一垫片22、第二垫片24、支座17、受压钢板19、支座螺杆20均采用不锈钢等耐腐蚀高强度材料。

第二受压试样11与第一受压试样完全相同。

测量服役状态下建筑材料导热系数的操作方法，包括如下步骤：

步骤一：测量受压钢板的热损失P_钢板损失：实验台上，从上到下依次放置隔热板5、第一对比试样6、第一片状电加热器7、第一热电偶组8、受压钢板19、第二热电偶组10、待测建筑材料18，直流电源2连接第一片状电加热器7，温度数据采集系统3与第一热电偶组8、第二热电偶组10相连，开启第一片状电加热器7，直到当第一热电偶组测取的平均温度T_受压1与第二热电偶组测取的平均温度T_受压2之间的差值(T_受压1－T_受压2)变化浮动小于0.5℃时，开始进行计算受压钢板的热损失P_钢板损失，计算公式如下：

其中：P₀是直流电源输出功率，S_试样是待测建筑材料与受压钢板接触的面积， λ_钢板是受压钢板的导热系数，d_钢板是受压钢板的厚度；计算过程在连接温度数据采集系统的计算机中完成，并绘制T_受压1与P_钢板损失的关系曲线，拟合出公式P_钢板损失(T)；

步骤二：测量支座的热损失P_支座损失：在实验台上，从上到下依次放置待测建筑材料18、第一片状电加热器7、第一热电偶组8、支座17、第二热电偶组 10、受压钢板19，直流电源2连接第一片状电加热器7，温度数据采集系统3 与第一热电偶组8、第二热电偶组相连10，开启第一片状电加热器7，直到当第一热电偶组测取的平均温度T_支1与第二热电偶组测取的平均温度T_支2之间的差值(T_支1－T_支2)变化浮动小于0.5℃时，开始进行计算支座的热损失P_支座损失，计算公式如下：

其中：P₀是直流电源输出功率，S_试样是待测建筑材料与受压钢板接触的面积， λ_支座是支架的导热系数，d_支座是支座的厚度；计算过程在连接温度数据采集系统的计算机中完成，并绘制T_支2与P_支座损失的关系曲线，拟合出公式P_支座损失(T)；

步骤三：装配第一受压试样：依据实验室建筑材料含水率的测量方法，确定待测建筑材料的含水率，然后，在支座17上按从下到上顺序依次放置待测建筑材料18、受压钢板19，四根支座螺杆20应贯穿于受压钢板19，在每根钢螺杆的顶端，从上到下依次设置支座螺母21、第一垫片22、弹簧23、第二垫片 24、压力传感器25，拧紧支座螺母21，从而压缩弹簧对受压钢板施压，四根钢螺杆依次进行，观察压力传感器，直至满足实验所需的压力；

步骤四：选取一块与步骤三中待测建筑材料的尺寸完全相同的待测建筑材料，重复步骤三，装配第二受压试样11；

步骤五：测量待测建筑材料的导热系数λ：在固定支架上，从上到下依次放置支架板4、隔热板5、第一对比试样6、第一片状电加热器7、第一热电偶组8、第一受压试样9、第二热电偶组10、第二受压试样11、第二片状电加热器12、第二对比试样13、绝热板14；直流电源2与第一片状电加热器7、第二片状电加热器12相连接；温度数据采集系统3与第一热电偶组8、第二热电偶组10相连；四根主体螺杆贯穿于支架板4，并拧紧主体螺杆15顶部的螺母16，开启第一、第二片状电加热器，直到当第一热电偶组测取的平均温度T_实1与第二热电偶组测取的平均温度T_实2之间的差值(T_实1－T_实2)变化浮动小于0.5℃时，开始进行计算待测建筑材料的导热系数λ，计算公式如下：

其中：P₀是直流电源输出功率，d_试样是待测建筑材料的厚度，S_试样是待测建筑材料与受压钢板接触的面积，λ_支座是支架的导热系数，d_支座是支座的厚度，λ _钢板是受压钢板的导热系数，d_钢板是受压钢板的厚度。

Claims

1.一种测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置，包括：固定支架、直流电源、温度数据采集处理系统；其特征在于：固定支架上从上到下依次放置支架板、隔热板、第一对比试样、第一片状电加热器、第一热电偶组、第一受压试样、第二热电偶组、第二受压试样、第二片状电加热器、第二对比试样、绝热板；直流电源与第一片状电加热器、第二片状电加热器相连接；温度数据采集处理系统与第一热电偶组、第二热电偶组相连；第一受压试样，包括支座、待测建筑材料和受压钢板；支座为方形板，支座上从上到下依次放置受压钢板、待测建筑材料；四根支座螺杆依次焊接于支座的四个角端，方向朝上，支座螺杆贯穿于受压钢板；支座螺杆的上端设置有螺纹，支座螺杆上端从上至下依次连接支座螺母、第一垫片、弹簧、第二垫片、压力传感器；压力传感器和受压钢板相接触；第二受压试样的构造、材料、尺寸应与第一受压试样完全相同。

2.根据权利要求1所述的测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置，其特征在于：固定支架为方形板；四根主体螺杆依次焊接于固定支架的四个角端，方向朝上；主体螺杆贯穿于支架板；在主体螺杆的上端设置有螺纹，并连接螺母，螺母用于固定支架板。

3.根据权利要求1或2所述的测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置，其特征在于：待测建筑材料的形状为方形板，其厚度应小于宽度的六分之一；待测建筑材料与受压钢板接触的面积应小于第一片状电加热器的面积。

4.根据权利要求1或2所述的测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置，其特征在于：隔热板、绝热板的材质采用绝热抗压材料；支架板、主体螺杆、第一垫片、第二垫片、支座、受压钢板、支座螺杆均采用不锈钢。

5.一种测量服役状态下建筑材料导热系数的操作方法，采用权利要求1-4之一所述的测量服役状态下建筑材料导热系数的试验装置，其特征在于，步骤如下：

步骤一：测量受压钢板的热损失P_钢板损失：固定支架上，从上到下依次放置隔热板、第一对比试样、第一片状电加热器、第一热电偶组、受压钢板、第二热电偶组、待测建筑材料，直流电源连接第一片状电加热器，温度数据采集处理系统与第一热电偶组、第二热电偶组相连，开启第一片状电加热器，直到当第一热电偶组测取的平均温度T_受压1与第二热电偶组测取的平均温度T_受压2之间的差值(T_受压1－T_受压2)变化浮动小于0.5℃时，开始进行计算受压钢板的热损失P_钢板损失，计算公式如下：

其中：P₀是直流电源输出功率，S_试样是待测建筑材料与受压钢板接触的面积，λ_钢板是受压钢板的导热系数，d_钢板是受压钢板的厚度；计算过程在连接温度数据采集处理系统的计算机中完成，并绘制T_受压1与P_钢板损失的关系曲线，拟合出公式P_钢板损失(T)；

步骤二：测量支座的热损失P_支座损失：在固定支架上，从上到下依次放置待测建筑材料、第一片状电加热器、第一热电偶组、支座、第二热电偶组、受压钢板，直流电源连接第一片状电加热器，温度数据采集处理系统与第一热电偶组、第二热电偶组相连，开启第一片状电加热器，直到当第一热电偶组测取的平均温度T_支1与第二热电偶组测取的平均温度T_支2之间的差值(T_支1－T_支2)变化浮动小于0.5℃时，开始进行计算支座的热损失P_支座损失，计算公式如下：

其中：P₀是直流电源输出功率，S_试样是待测建筑材料与受压钢板接触的面积，λ_支座是支座的导热系数，d_支座是支座的厚度；计算过程在连接温度数据采集处理系统的计算机中完成，并绘制T_支2与P_支座损失的关系曲线，拟合出公式P_支座损失(T)；

步骤三：装配第一受压试样：依据实验室建筑材料含水率的测量方法，确定待测建筑材料的含水率，然后，在支座上按从下到上顺序依次放置待测建筑材料、受压钢板，四根支座螺杆应贯穿于受压钢板，在每根支座螺杆的顶端，从上到下依次设置支座螺母、第一垫片、弹簧、第二垫片、压力传感器，拧紧支座螺母，从而压缩弹簧对受压钢板施压，四根支座螺杆依次进行，观察压力传感器，直至满足实验所需的压力；

步骤四：装配第二受压试样，第二受压试样与第一受压试样完全相同；

步骤五：测量待测建筑材料的导热系数λ：在固定支架上，从上到下依次放置支架板、隔热板、第一对比试样、第一片状电加热器、第一热电偶组、第一受压试样、第二热电偶组、第二受压试样、第二片状电加热器、第二对比试样、绝热板；直流电源与第一片状电加热器、第二片状电加热器相连接；温度数据采集处理系统与第一热电偶组、第二热电偶组相连；四根主体螺杆贯穿于支架板，并拧紧主体螺杆顶部的螺母，开启第一、第二片状电加热器，直到当第一热电偶组测取的平均温度T_实1与第二热电偶组测取的平均温度T_实2之间的差值(T_实1－T_实2)变化浮动小于0.5℃时，开始进行计算待测建筑材料的导热系数λ，计算公式如下：

其中：P₀是直流电源输出功率，d_试样是待测建筑材料的厚度，S_试样是待测建筑材料与受压钢板接触的面积，λ_支座是支座的导热系数，d_支座是支座的厚度，λ_钢板是受压钢板的导热系数，d_钢板是受压钢板的厚度。