水泥基多孔材料微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與傳熱行為的研究.pdf

1、隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，能源的消耗和對(duì)外依存度越來(lái)越大。普通使用的化石能源在燃燒時(shí)釋放出大量溫室氣體(CO2)、有毒氣體(SO2)和粉塵顆粒。因此，節(jié)能降耗既是實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速健康發(fā)展的重要舉措，也是保護(hù)環(huán)境和人民生命安全的必然要求。眾所周知，建筑能耗約占社會(huì)總能耗30％，而建筑節(jié)能最重要的措施是使用保溫材料。目前市場(chǎng)廣泛使用的有機(jī)保溫材料具有保溫隔熱性能好、質(zhì)量輕、可加工性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);但是這些有機(jī)泡沫保溫

2、材料也存在諸多嚴(yán)重缺點(diǎn):保溫層易開裂、空鼓、脫落，保溫材料易老化，在建筑物服役期內(nèi)需多次更換保溫層，浪費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力。更為嚴(yán)重的是耐高溫、防火安全性差，近年來(lái)屢屢發(fā)生其被引燃而導(dǎo)致的重大火災(zāi)事故，有機(jī)材料燃燒迅速，并產(chǎn)生劇毒氣體，是導(dǎo)致多人死亡的主要原因。因此，以不燃的無(wú)機(jī)多孔材料取代有機(jī)泡沫材料進(jìn)行建筑保溫是未來(lái)的重要發(fā)展方向之一。
　　本文以輕質(zhì)、多孔、節(jié)能、保溫、防火為特征的水泥基多孔材料體系為研究對(duì)象，以發(fā)展和完善

3、輕質(zhì)多孔材料的制備與調(diào)控理論與技術(shù)為目標(biāo)，交叉融合材料學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、數(shù)值模擬、建筑物理、土木工程、力學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，從水泥基材料組成及微結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，系統(tǒng)研究氣泡在堿性水泥漿體中的微結(jié)構(gòu)形成和演化規(guī)律以及泡沫穩(wěn)定機(jī)制;利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像分析技術(shù)對(duì)輕質(zhì)水泥基泡沫材料微結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬和多維度重構(gòu)（二維、三維）;在此基礎(chǔ)上，建立了水泥基多孔材料二維和三維穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值模型，預(yù)測(cè)了水泥基多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)。最后，基于理論和實(shí)驗(yàn)分析，制備

4、了合適的水泥基多孔材料，用于“徽式”傳統(tǒng)民居外墻的熱工性能提升示范工程。本文所取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下:
　　(1)運(yùn)用超聲波無(wú)損技術(shù)原位監(jiān)測(cè)了水泥基多孔材料微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律
　　本文通過(guò)自主研發(fā)的新型超聲波無(wú)損監(jiān)測(cè)設(shè)備(ZL200910028456)，首次采用超聲波穿透技術(shù)研究了水泥基多孔材料的微結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，分析了影響水泥基多孔材料早期穩(wěn)定性的多種因素和機(jī)理，發(fā)展了超聲波在非飽和多孔介質(zhì)中傳播的共振與耗散理論。研究結(jié)果表明

5、超聲波方法是一種原位監(jiān)測(cè)水泥基多孔材料微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程非常有效的無(wú)損測(cè)試方法?；诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)分析，可以得到下列結(jié)論:改進(jìn)型Anderson-Hampton模型可以解釋了氣泡在水泥基材料水化早期對(duì)超聲波的傳播速度和能量耗散的影響:在水泥基材料水化早期，少量氣泡會(huì)顯著降低聲波傳播速度，當(dāng)氣體含量大于5％時(shí)，超聲波傳播速度低于其在空氣中的傳播速度(340m/s);水泥基多孔材料微結(jié)構(gòu)形成和水化過(guò)程可能分成三個(gè)階段:潛伏期、加速期和減速期;系統(tǒng)研

6、究了發(fā)泡劑、粉煤灰、養(yǎng)護(hù)溫度等因素對(duì)水泥基多孔材料的凝結(jié)、硬化過(guò)程的影響:提高養(yǎng)護(hù)溫度可以加速水化反應(yīng)速率，發(fā)泡劑和粉煤灰對(duì)水化反應(yīng)有緩凝作用;研究了不同配比水泥基多孔材料初凝和終凝時(shí)間對(duì)應(yīng)的超聲波傳播速度，并給出了水泥基多孔材料對(duì)應(yīng)于初凝時(shí)間與終凝時(shí)間的超聲波傳播速度范圍（274-372 m/s和613-676 m/s）;提高水化速度，降低凝結(jié)、硬化時(shí)間是提高水泥基多孔材料氣泡-漿體二元系統(tǒng)早期穩(wěn)定性的有效方法。
　　(2)采用

7、三維X射線CT(3D-X-CT)系統(tǒng)表征了水泥基多孔材料的微觀結(jié)構(gòu)
　　運(yùn)用X射線CT三維成像技術(shù)(3D-X-CT)，重構(gòu)和表征了水泥基多孔材料的微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)孔的三個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（孔隙率、平均孔徑、孔徑分布）進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。其主要結(jié)論為:X-CT三維成像技術(shù)可以用于水泥基多孔材料微觀結(jié)構(gòu)的重構(gòu)與表征，由于自身分辨率的影響(10μm)，一定范圍內(nèi)的細(xì)孔不能鑒別，造成其測(cè)試的孔隙率與實(shí)驗(yàn)值相比稍微偏低;隨著泡沫含量的增加，包裹和分隔

8、氣泡的膠凝材料漿體含量相對(duì)減少，這增大了氣泡相互搭接、融合的幾率;水泥基多孔材料的密度越低，孔隙率和平均孔徑越大，這種現(xiàn)象在密度小于900kg/m3時(shí)尤為明顯;當(dāng)濕密度大于900kg/m3，平均孔徑接近預(yù)制泡沫的平均孔徑(0.1mm);水泥基多孔材料密度越低，孔徑分布范圍越大，孔徑分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，可以用對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來(lái)表征。
　　(3)建立了基于三維微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的二維和三維水泥基多孔材料微結(jié)構(gòu)重構(gòu)模型與穩(wěn)態(tài)傳熱模型

9、>　　基于3D-X-CT表征的水泥基多孔材料的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，采用一種“隨機(jī)產(chǎn)生”方法，通過(guò)自主開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序，重構(gòu)了水泥基多孔材料的二維和三維微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)于二維和三維傳熱問(wèn)題，分別采用了“電阻網(wǎng)格法”和“有限體積法”來(lái)求解基于二維與三維重構(gòu)圖像的穩(wěn)態(tài)傳熱方程。研究結(jié)果表明:數(shù)值模擬與EMPT分析模型模擬的結(jié)果與趨勢(shì)都很接近，這主要是由于這兩種模型在物理意義上都考慮到多孔材料中孔隨機(jī)性分布特征;當(dāng)孔隙率小于20％時(shí)，EMP

10、T模型可以作為一種簡(jiǎn)單的分析模型用于預(yù)測(cè)水泥基多孔材料的有效導(dǎo)熱系數(shù);當(dāng)孔隙率超過(guò)35％時(shí)，與其他分析模型相比，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值更吻合;三維模型模擬結(jié)果不但與產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)相關(guān)，而且和劃分的網(wǎng)格數(shù)目有關(guān)，三維模擬結(jié)果隨著第三個(gè)維度的網(wǎng)格數(shù)目變化而變化，并且服從指數(shù)分布關(guān)系，第三方向的網(wǎng)格數(shù)目必須達(dá)到一定的數(shù)量，才能保證預(yù)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定;二維數(shù)值模擬結(jié)果總是小于實(shí)驗(yàn)值，而與其相比，三維模型預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值。二維模型對(duì)有效導(dǎo)熱系數(shù)的低估

11、來(lái)源于對(duì)第三個(gè)維度的固相傳熱路徑的忽略;對(duì)于不同密度水泥基多孔材料，二維模型與三維模型預(yù)測(cè)結(jié)果滿足指數(shù)關(guān)系:k3D=0.892k2D0.844。
　　(4)采用水泥基多孔材料提升“徽式”傳統(tǒng)民居墻體的熱工性能
　　本文最后實(shí)地考察了徽州當(dāng)?shù)氐臍夂?、人文和歷史條件，系統(tǒng)研究了典型的“徽式名居”建造結(jié)構(gòu)和其熱工性能;并針對(duì)當(dāng)?shù)匦陆ǖ幕帐矫窬拥慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)造，提出三種可行的熱性能提升方案，并詳細(xì)闡述了其工法;通過(guò)環(huán)境倉(cāng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了三種方案

12、的熱提升效果。在環(huán)境倉(cāng)實(shí)驗(yàn)中，我們使用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫慕ㄖ牧希凑諅鹘y(tǒng)徽式墻體的建造方式建造出迷你空斗墻體，然后加載當(dāng)?shù)氐牡湫蜌夂驐l件。研究結(jié)果表明:水泥基多孔材料內(nèi)填充方式可以在不改變“徽式”外墻形貌的基礎(chǔ)上，大幅度提高建筑墻體的保溫隔熱性能，符合建筑遺產(chǎn)保護(hù)和提升熱舒適度的雙重要求。通過(guò)復(fù)合水泥基多孔材料填充自保溫系統(tǒng)和無(wú)機(jī)內(nèi)保溫系統(tǒng)，可以顯著改善熱橋效應(yīng)，整體的保溫效果是未經(jīng)過(guò)保溫處理的墻體的2.5倍，熱阻值達(dá)到0.701 m2·K/