再生砖骨料混凝土导热系数试验研究

　　摘要：通过基于稳态平板法的导热仪对再生砖骨料混凝土(RBAC)进行导热系数试验，研究了不同再生砖粗骨料取代率、再生砖细骨料取代率(0%，40%，70%，100%)对混凝土导热系数的影响。试验结果表明，再生砖骨料混凝土导热性能优于普通混凝土，随着再生骨料(RBA)替代率的逐步增大，混凝土的导热系数减小，当砖粗骨料替代率达到100%时，再生混凝土导热系数比普通混凝土降低了54%。在保持100%再生粗骨料替代率的前提下，再生混凝土导热系数随砖细骨料替代率的增加而减小;当再生混凝土骨料全为砖骨料时，导热系数下降了55.3%。当再生砖粗、细骨料替代率分别达到100%、70%时，试件导热系数下降幅度最大，保温隔热性能较好。

　　關键词：再生砖骨料(RBA);导热系数;骨料掺量;稳态法

　　0 引言

　　近年来，随着我国建筑水平的不断提高，新建、改建、扩建以及拆除等建筑活动产生了大量的建筑垃圾。2018年《中国建筑垃圾处理行业发展前景与投资战略规划分析报告》显示：我国每年建筑垃圾的排放总量约为15.5亿吨-24亿吨之间，其中粘土砖占有相当大分量，在过去50年，我国至少产生了300亿立方米的粘土砖，未来50年内大都会转化成建筑垃圾。我国目前的建筑垃圾资源化率不足5%，大量建筑垃圾被送到公共垃圾填埋场和非法地点[1]，既造成巨大浪费，也危及环境和人体健康。研究表明废弃砖块经压碎、筛选处理后可替代砂石作为骨料制作混凝土[2]，其热工性能和耐火性能优于天然骨料普通混凝土，且砖骨料再生利用经济可行，环境友好[3]，是砌体建筑垃圾资源化利用的有效途径之一[4]。由于再生砖骨料(recycled brick aggregate，RBA)自身的特点，使得热工性能异于再生骨料混凝土(recycled brick aggregate concrete，RBAC)，但国内外鲜有研究。因此，本文以粘土砖废料做混凝土骨料，试验研究不同再生砖骨料掺量下的混凝土导热系数，可以为后续再生砖骨料混凝土研究及工程实践提供借鉴。

　　1 再生混凝土导热系数研究现状

　　国内外诸多研究人员分别从再生骨料混凝土导热系数的变化机理、再生粗、细骨料替代率、水灰比、再生细骨料粉体含量等方面对混凝土导热系数展开了大量实验研究，并取得了相应研究成果。主要研究领域如表1所示。

　　综上所述，国内众多学者通过向混凝土中掺入再生骨料制成再生混凝土并研究其热工性能，其中多数骨料为混凝土骨料，而对再生砖骨料混凝土导热系数的研究却很有限。并且在再生砖骨料混凝土研究方面又大多偏重力学、声学、耐热性及环保经济研究，鲜有导热性研究。因此，本试验通过调整再生砖粗、细骨料替代率探讨再生混凝土导热系数变化规律，探究再生砖骨料替代天然碎石骨料的合理性。

　　2 试验方案

　　2.1 试验初始材料

　　试验研究所使用的粘土砖来自郑州市某处拆迁的民用住宅房，随机抽取部分拆除的废弃砖作为本次试验用的样品。采用颚式破碎机将粘土砖破碎并筛分后，得到粒径范围为0～4.75mm的再生砖细骨料和5～10mm连续级配的再生砖粗骨料。试验中所用水泥为P·O 42.5R普通硅酸盐水泥，拌合水为普通自来水，天然细骨料为天然河砂。再生混凝土骨料的基本性能指标见表2，部分试验材料如图1所示。

　　2.2 再生砖骨料混凝土配合比设计

　　研究 0%，40%，70%，100%再生砖粗骨料取代天然粗骨料情况下对再生混凝土导热性能的影响。同时保持100%再生粗骨料替代率的前提下，研究再生砖细骨料取代率为0%，40%，70%，100%时对再生混凝土热工性能的影响，设计再生砖骨料混凝土的配合比，分析在不同骨料替代率下導热系数的变化规律。再生砖骨料混凝土的配合比见表3。

　　■

　　注：RCA1-A2，RC表示再生砖骨料混凝土，A1代表再生粗骨料取代率，A2表示再生细骨料取代率。Wa为按照混凝土配合比计算的拌和水量，Wb为额外增加的水量.

　　2.3 试件制作

　　制作尺寸为270mm×270mm×22mm的木模，在内表面刮刷干净并均匀涂抹润滑油。称取试验所需要的水泥、粗、细骨料、水等原材料;人工拌合混凝土，将搅拌均匀的拌合物分多次装填在模具中，分别采用振捣棒、振动台将试件振捣密实成型，用刮刀将试件表面轻刮抹平，保证其表面平整度，张贴试件水灰比等基本信息，便于进行导热系数试验。制作过程如图2所示。

　　2.4 导热系数测试方法

　　材料的导热系数是材料自身热工性能的参数之一，是表征其导热能力的物理量。建筑绝热材料导热系数可使用稳态法进行检测[12]。稳态防护热板法是指在稳态条件下，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匀温平板为界的无限大平板中存在的一维恒定热流[13]。此方法原理较简单，计算简便，有较高的检测精度，广泛应用于混凝土热工实验中[14]。本试验混凝土试件的上下两表面平整且均匀可近似视为两个无限大平板，试件外围的加热铜板保证热流处于一维稳定状态，符合稳态防护热板法检测条件。混凝土导热系数λ(W/m·K)的表达式如下：

　　■ (1)

　　式中：?准为通过试件的热流量(W);S为试件有效测试面面积(m2);δ为试件厚度(m);Δt为试件两侧表面温差(℃)。

　　试件拆模后，对各混凝土试件表面磨平处理，避免因试件表面不平整给后续导热系数试验产生误差。处理后将试件放在湿度95%、温度(20±2)℃的标准养护箱养护至28d，并在测试导热系数前放入烘箱中进行烘干处理。试件见图3，设备装置如图4所示。

　　3 试验结果分析

　　本文利用基于稳态法的导热仪对7组不同掺量的砖骨料混凝土试件进行导热系数试验。通过观察温度差值、室内温度等试验数据，选择5组较稳定的数据计算相应导热系数的平均值。各组试块的导热系数、表观密度、24h吸水率、孔隙率等指标如表4所示。

　　根据表4导热系数数据，绘制不同砖骨料取代率情况下导热系数的变化趋势折线图如图5、图6所示。

　　如图5、图6所示，导热系数变化折线图反映了再生砖骨料混凝土在不同骨料代替率下导热系数的变化趋势，横坐标是7种不同砖骨料配合比类型因素，纵坐标是在某一水平因素下对应导热系数的算数平均值。

　　在本实验给定条件下，再生砖粗骨料取代率对试件导热系数的影响：从图5中曲线趋势得出，随着再生砖粗骨料取代率的增加，再生混凝土的导热系数从1.65W/m·k骤降到0.76W/m·k，下降54%;再生砖粗骨料取代率从0%到40%曲线陡然降低，从40%到70%曲线斜率有所减缓，但仍处于下降状态;从70%到100%导热系数下降较快，其斜率与第一阶段相近，对再生砖骨料混凝土导热系数影响较大;当砖粗骨料替代率达到100%时，混凝土导热系数最小，保温隔热性能最好。

　　再生砖细骨料取代率对试件导热系数的影响：图6表明，当再生砖粗骨料中粗骨料全为砖骨料时，再逐步增大砖细骨料取代率，试件的导热系数将逐渐降低，再生混凝土的导热系数从0.76W/m·k降到0.35W/m·k，下降55.3%左右。再生砖细骨料取代率从0%到40%曲线逐渐降低，从40%到70%曲线斜率有所增加，下降程度增大。从70%到100%导热系数下降变缓，趋于不变，表明当再生砖细骨料替代率大于70%后对试件导热系数影响较小。

　　4 结语

　　本试验通过向普通混凝土中掺入砖骨料的方式配置再生混凝土，利用基于稳态平板法的导热仪对7组不同掺量的砖骨料混凝土试件进行导热系数试验，得出如下结论：①再生混凝土导热系数随再生砖粗骨料替代率的增加而减小。在混凝土粗骨料为再生骨料，细骨料为天然砂时，其导热系数范围为0.76～1.65W/m·k，当砖粗骨料替代率达到100%时，混凝土导热系数最小，比普通混凝土降低了54%。②在保持100%再生粗骨料替代率的前提下，再生混凝土导热系数随再生砖细骨料替代率的增加而减小。导热系数范围为0.35～0.76W/m·k。当再生混凝土骨料全为砖骨料时，导热系数下降了55.3%。③可再生砖骨料混凝土的导热系数低于普通混凝土，当再生砖粗、细骨料替代率分别达到100%、70%时，试件导热系数下降幅度最大，保温隔热性能较好。

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