新型保温砂浆性能的实验

目的研究相变蓄热材料的添加对保温砂浆导热系数和比热的影响,以及保温砂浆抵抗温度破坏的能力.方法向保温砂浆中添加自制的相变蓄热材料,对导热系数和比热容进行测试.通过保温砂浆和泡沫混凝土冻融循环后的破坏程度,比较保温砂浆与泡沫混凝土抗冻能力.结果保温砂浆中添加了相变蓄热材料,其导热系数没有因为添加密度较大物质而变大;保温砂浆中添加质量为5%的相变蓄热材料后,比热容增大了54%;经过测试保温砂浆的吸湿量要小于泡沫混凝土的吸湿量;经过5次冻融循环试验后,保温砂浆试件的边缘棱角处基本没有变化,而泡沫混凝土试件的边缘棱角处已经出现明显的脱落,其试件形状出现变化.结论添加相变蓄热材料对保温砂浆的导热系数基本不造成影响,相变蓄热材料的添加可大幅度提高保温砂浆的蓄热能力,保温砂浆的吸湿能力不及泡沫混凝土,表明保温砂浆内部积水的机率要小于泡沫混凝土,由于保温砂浆中含有一定比例的苯粒,其抵抗冻融的能力要大于泡沫混凝土.

黄河源区若尔盖站冻融期土壤温、湿度的模拟与改进

利用陆面过程模式CLM3.5对黄河源区若尔盖站进行了一年的数值模拟试验,通过比较土壤温度、土壤含水量的观测值与模拟值,检验了该模式在黄河源季节性冻土地区的模拟能力。结果表明,模式对土壤温度的模拟,非冻结期较好,深层土壤温度稍偏高;冻结期模拟值偏低,冻结深度偏大。对土壤含水量的模拟,在冻融期出现了较大偏差,含水量骤降(冻结)、骤增(消融)的时间均较观测提前。模式土壤热传导参数化方案中的土壤基质热导率计算偏大是造成土壤温、湿度偏差的主要原因。将Johansen土壤基质热导率方案替换了原模式参数化方案后,模拟结果有一定的改进,土壤温度暖舌、冷舌的模拟深度显著减小,冻结期土壤温度模拟偏低的现象也得到了改进,土壤含水量骤降、骤增的时间与观测更为接近。

轻质保温高延性水泥基复合材料的拉伸性能与耐久性能

本研究采用引气剂与PVA纤维制备出密度等级为A10、强度等级达C20的轻质保温高延性水泥基复合材料(LIHDCC),并研究了不同纤维体积掺量时LIHDCC的基本力学性能、导热性能、单轴拉伸性能、纤维/基体界面粘结性能、抗冻性能、抗氯离子渗透性能及其孔结构。结果表明,纤维体积掺量为1.5%和2.0%的LIHDCC的抗压强度均可以达到C20;导热系数分别为0.08 W/(m·K)和0.10 W/(m·K);极限拉伸应变分别为0.72%和0.85%;纤维在基体中的平均化学粘结力为6.92 J/m^2,摩擦应力和滑移硬化系数分别为1.25 MPa和0.42;LIHDCC具有较好的抗氯离子渗透性能及抗冻融能力;通过X射线层析扫描(X-CT)技术对LIHDCC孔径大小与孔的分布进行分析,引气剂引入的气泡分布均匀,气泡平均直径在0～1 mm。

石膏泡沫混凝土的性能研究

以脱硫石膏为基材,通过添加矿渣、水泥和自制添加剂改性,外掺少量生石灰、促凝剂和发泡剂制备不同密度等级的石膏泡沫混凝土。研究了不同外加剂掺量对胶凝材料初、终凝时间和力学性能的影响,测试了石膏泡沫混凝土的导热系数,阐述了产品的热工性能。测试结果表明,产品的强度高、导热系数低,综合性能优良,有利于工业副产石膏的资源化利用和提高节能减排水平。

炉渣粉煤灰混凝土砌块的基本性能试验研究

介绍了炉渣粉煤灰混凝土砌块的原材料种类及性能,设计了6种不同试验配合比的炉渣粉煤灰混凝土砌块,分别进行了密度、抗压强度、冻融及导热系数试验,得出了炉渣粉煤灰混凝土砌块在不同配合比下的各基本性能指标。经过对比分析,炉渣粉煤灰混凝土砌块的密度约为1700 kg/m3,抗压强度大于10.0 MPa,导热系数约为0.298 W(/m·K),冻融试验结果满足规范要求。

多孔混凝土道面的温度分布与冻融特点

利用数值分析的方法,分析了普通混凝土道面和多孔混凝土道面在低温环境下温度传递的规律,并对多孔混凝土道面表层结构在冬季冻融循环作用下的温度传递过程与温度场分布进行了数值模拟。基于多孔混凝土道面温度内部热传递对流-传导复合方式的分析,建立了多孔混凝土内部温度传递解析方程。以乌鲁木齐机场道面冬期低温月份的表层结构温度场变化规律为例,分析在采用多孔混凝土时的内部温度场分布规律。分析结果表明,多孔混凝土中对外连接孔直径越大,或孔隙间距越小时,其温度传递速度就越快,混凝土受冻速度也越快。利用四面体堆积结构等效多孔混凝土内部结构的间接方式进行了低温冻融和强度实验,并测试了堆积颗粒间点接触的抗冻性能变化规律。实验结果表明,多孔混凝土中颗粒间点接触强度随冻融次数增多而降低,且在前30次冻融过程中降低更显著,50次冻融循环后的强度降低可达50%。

秸秆/聚丙烯纤维-玻化微珠保温混凝土抗冻融试验研究

为探索冻融循环下秸秆粉末、聚丙烯纤维和玻化微珠对保温混凝土导热性能的影响,采用正交试验设计16组保温混凝土并进行抗压强度、抗拉强度和导热系数的试验测试,分析秸秆粉末体积率(因素A)、玻化微珠代砂体积率(因素B)、聚丙烯纤维体积率(因素C)对秸秆/聚丙烯纤维-玻化微珠保温混凝土导热系数变化和质量损失的影响。结果表明,随冻融循环次数增加,混凝土隔热能力和质量均不断降低;80次冻融循环后导热系数平均增大49.97%,质量损失平均降低37.93%。极差分析表明,对导热系数的影响顺序为:因素A>因素B>因素C,对质量损失的影响顺序为:因素A>因素C>因素B。冻融循环下,秸秆纤维对保温混凝土导热系数、质量损失的影响较其他掺合料明显,并可有效延长热量传递路径,提高保温效果。

大气环境下再生混凝土自保温砌块耐久性能研究

采用100%的再生粗、细骨料制备再生混凝土自保温砌块,设计正交试验,探讨了胶凝材料、煤渣及玻化微珠等因素对砌块的抗压强度、保温性能和耐久性能(收缩、碳化、抗冻及耐水性能)的影响规律。结果表明:胶凝材料对再生混凝土自保温砌块的性能影响最大,砌块28 d抗压强度均可达到MU5.0以上等级,最高可达MU10等级;玻化微珠和煤渣共同作用改善了砌块的保温性能,砌块的最小导热系数可达到自保温混凝土复合砌块当量导热系数等级E15;经过合理配合比制备的砌块耐久性指标可达到夏热冬冷地区大气环境下使用50年的要求,满足自保温砌块与建筑结构同寿命的目标。

不同养护制度下矿渣加气混凝土性能差异及微观形貌分析

分析了不同养护制度对矿渣加气混凝土物理性能的影响,并采用SEM分析制品的物理性能与微观结构之间的内在联系。结果表明:标准养护与蒸汽养护条件下生成少量的Ca(OH)2、双碱C-S-H凝胶、片状托勃莫来石(少量或没有)等形成层状的硅酸凝胶,造成制品内部存在大量的孔洞、连通孔、孔结构间隙、微裂缝等缺陷;蒸压条件下,水化与水热反应充分,晶胶配比合理,在孔外壁生成大量单碱C-S-H和高结晶度的柳叶状托勃莫来石,孔内壁有托勃莫来石支撑,将"零密度"的孔形成封闭的"刚性球",优化孔结构,增加无害孔、减小微裂缝;不同养护制度下制品的各类性能,以蒸压条件下最好,蒸汽条件下次之,标准养护条件下最差。

冻融作用下木质素纤维改良黄土力学与热学特性试验研究

冻融循环作用是造成寒区工程病害的主要因素之一。为探究冻融循环对木质素纤维改良黄土力学和热学的影响,通过轻型击实试验、冻融循环试验、不固结不排水三轴剪切试验、热常数分析试验和X射线衍射试验,以木质素纤维掺量、冻融循环次数和围压为变量展开研究。结果表明:随着掺量的增加,改良黄土的最大干密度降低,最优含水率升高;随着冻融循环次数的增加,试样的应力-应变曲线由应变硬化型向应变弱软化型转变;试样的质量损失率、破坏强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角和导热系数均随着冻融循环次数的增加呈下降趋势,在经历第1次冻融循环后衰减率最高,并且总是在掺量为5%时达到最大值;试样的破坏强度和黏聚力在经历6~9次冻融循环后趋于稳定;黄土及掺量为5%的改良黄土在X射线衍射分析中成分相似,未发现新的物质生成,因此,木质素纤维是一种绿色的物理固化材料。该研究成果可为寒区土体加固提供新思路。

冻融循环对季冻区隧道衬砌混凝土导热系数影响研究

为研究冻融循环作用对衬砌导热系数的改变,将混凝土简化为多孔介质模型,利用Hamilton and Crosser理论计算模型和COMSOL仿真软件对不同孔隙率的混凝土试件导热系数进行计算和分析。研究结果表明:1)通过对混凝土随机分布模型的有效导热系数进行逆运算,得到不同冻融循环作用下不同孔隙率的混凝土模型的有效导热系数,进而确定混凝土试件有效导热系数与冻融循环次数之间呈非线性函数关系;2)衬砌导热系数在冻融循环作用下,初期导热系数随着冻融循环次数的增加而下降,中期随着冻融循环次数的逐渐增加,导热系数出现较小程度的增大。

冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和热通量的影响

为了研究冻融期不同覆盖和气象因子对土壤导热率和土壤热通量的影响,在2015年11月-2016年4月期间,设置了裸地(BL)、自然积雪覆盖(SC)、6 000 kg/hm^2秸秆+积雪覆盖(SM1)、12 000 kg/hm^2秸秆+积雪覆盖(SM2)和18 000 kg/hm^2秸秆+积雪覆盖(SM3)5种不同的处理,测定了20、40、60和100 cm土壤含水率和温度,并计算出土壤导热率和土壤热通量。研究结果发现:在土壤冻结期,土壤导热率随着土壤的冻结而增大,直至完全冻结后基本保持不变,而在土壤融化期则逐渐减小。冻融阶段,积雪和秸秆覆盖会延缓土壤导热率的变化,减小土壤导热率的变化。冻结期,裸地处理的土壤导热率最大,平均为1.55 W/(m×K);融化期,裸地处理的土壤导热率最小,平均为0.79 W/(m×K)。在冻结期,土壤热量向上传递,传递量先增加后减小;在融化期,土壤热量向下传递,传递量逐渐增加。积雪和秸秆覆盖可以减小土壤热通量及其变化。积雪和秸秆覆盖条件下的土壤热通量比裸地少4.73~8.84 W/m^2。裸地处理的土壤导热率与水汽压的相关性最好,相关系数为-0.84,与风速的相关性最差,相关系数为-0.43。积雪和秸秆覆盖条件下的土壤导热率与环境温度的相关性最好,相关系数为-0.67^-0.73,与风速的相关性最差,相关系数为-0.18^-0.25。土壤热通量与太阳辐射的相关性最好,相关系数为-0.88^-0.91,与风速的相关性最差,相关系数为-0.44^-0.53。整体而言,积雪和秸秆覆盖会减小大气环境对土壤导热率和热通量的影响。

冻融条件下XPS板吸水特性及力学性能研究

为了研究冻融循环对保温板物理力学性能的影响,以XPS板为对象,通过冻融循环前后力学性能的对比分析,研究了冻融循环前后XPS板吸水率、导热系数、应力应变之间的变化规律。结果表明:XPS板导热系数随着表观密度的增大而增大。常温下,浸水0~40 d时,XPS板体积吸水率随浸水天数增加而呈阶梯状增长,40 d后体积吸水率稳定在1.3%;体积吸水率随冻融循环次数的增加呈线性增长,200次循环后体积吸水率达到12.5%。导热系数随含水率的增大而增大。XPS板在应力小于0.2 MPa时,变形表现为线弹性,而后屈服。随着冻融循环次数的增加,屈服点降低;压缩强度随冻融循环次数增加而减小,压缩强度损失量随厚度增大而增大。

基于正交试验的EPS轻型混凝土配合比设计及性能研究

保温性能和抗冻性能对衡量功能一体化材料耐久性,以及促进绿色节能、减排具有重要影响。借助正交试验方法,以聚苯乙烯(EPS)掺量、水胶比、聚甲醛(POM)纤维掺量为影响因素,开展EPS轻型混凝土的力学性能、保温性能及抗冻性能试验,并对试验结果进行极差分析和AHP-CRITIC混合加权分析,得到综合性能最佳的EPS轻型混凝土基础配合比。结果表明:EPS掺量对EPS轻型混凝土力学性能影响最大,POM纤维能显著提高EPS轻型混凝土的抗拉强度,水胶比对EPS轻型混凝土力学性能影响最小;当EPS掺量为35%(体积分数)、POM纤维掺量为0.9%(质量分数)、水胶比为0.21时,EPS轻型混凝土的力学性能最优;在冻融循环下,EPS轻型混凝土冻融损伤满足二参数Weibull分布模型,该模型能较好地反映EPS轻型混凝土冻融损伤变化规律。

复杂环境下水泥改性生土砌块的导热系数及抗压强度分析

生土基材料具有较好的蓄热和保温性能,但其在复杂环境下的保温性能研究较少。使用水泥等材料对生土进行改性并制备改性生土砌块,分别研究了其在碳化、浸水和冻融循环条件下导热系数的变化规律,并对其机理进行分析。结果表明,经过碳化后的水泥改性生土砌块导热系数有所降低;浸水14 d后导热系数增大30%以上;而冻融循环15次后,其导热系数为未冻融砌块的2倍以上,保温性能明显下降。

冻融循环对渠道保温材料导热性能的影响

为明确冻融过程对渠道保温材料导热性能的影响程度,以聚苯乙烯(XPS)保温材料为对象,采用快速冻融实验方法,获取了冻融作用下XPS板吸水率及导热系数的变化规律。结合保温材料多孔结构特征,构建了材料三相导热系数模型,并引入参数对体积分数进行修正,从而提高了模型预测精度。最后利用实验结果和既有模型,验证了该模型的可靠性。结果表明:冻融循环200次后,XPS的导热系数约增大43%。通过调整两个拟合参数,导热系数预测值与实测值的最大相对误差可小于5%。建议充分预留保温性能安全系数,以应对保温材料导热系数增大带来的问题。研究成果可为保温层设计及保温材料性能优化提供参考。

脱硫石膏泡沫混凝土砌块的性能研究

以脱硫石膏为主要材料,通过添加水泥、矿渣粉、自制添加剂改性,外掺少量CaO、促凝剂和发泡剂制备出了不同密度等级的脱硫石膏泡沫混凝土砌块。研究了不同外加剂掺量对胶凝材料初终凝时间和力学性能的影响;利用导热系数测定仪测试了石膏泡沫混凝土的导热系数;对脱硫石膏基胶凝材料水化产物机理进行了分析。研究表明:脱硫石膏泡沫混凝土砌块与其他类型砌块相比具有强度高、耐水性好、导热系数低等优良性能。

季节冻土区纤维改良路基土热物理学特性研究

为研究冻融循环下纤维改良粉砂土路基的含水率、干密度、纤维掺量对土体热物理学特性的影响规律,通过开展室内导热系数测试试验,测得不同含水率、干密度、纤维掺量改良粉砂土的导热系数,分析不同因素对改良粉砂土导热系数的影响。结果表明,在干密度、纤维掺量以及冻融次数相同的情况下,改良路基土的导热系数随含水率的增大呈非线性增长,且当含水率超过12%时,增长速率减小,试验范围内导热系数为0.39~1.32 W/(m·K);在含水率、纤维掺量以及冻融次数相同的情况下,改良路基土的导热系数随干密度的增大呈指数增长,且当干密度超过1.9 g/cm^(3)时,增长速率减小,试验范围内导热系数为0.45~1.87 W/(m·K);在含水率、干密度以及冻融次数相同的情况下,改良路基土的导热系数随纤维掺量的增大线性减小,试验范围内导热系数为0.59~1.3 W/(m·K);在含水率、干密度以及纤维掺量相同的情况下,改良路基土的导热系数随冻融循环次数的增大线性减小,试验范围内导热系数在0.48~1.01 W/(m·K)。研究成果可为西部粉砂土分布地区工程建设提供参考。

冻融循环对再生保温混凝土性能影响的试验研究

再生保温混凝土是将建筑材料的再生利用和结构自保温相结合而提出的一种新型绿色建材,为了研究冻融循环对其性能的影响,在再生保温混凝土优化配合比的基础上,设计了5种不同比例再生粗骨料的配合比进行0、15、30、50次冻融循环,并测定相应的抗压强度和导热系数。试验结果表明,再生保温混凝土经过冻融循环后强度有所降低,运用回归分析法确定了不同再生粗骨料取代率的混凝土在不同冻融循环次数后对其抗压性能的定量影响规律,从而为再生保温混凝土在冻融环境下的工作机理研究提供依据。

土壤冻融过程中的水热参数化方案研究进展

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分,其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程,并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此,研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要的科学意义。本文回顾了土壤中的砾石、有机质对土壤冻融过程的影响及物理机制,总结了土壤冻融过程中水热参数化的相关研究成果,包括土壤导热率和水力学参数的计算、水热耦合方案以及冻融锋面计算方案等。相对于普通的矿物质土粒而言,砾石具有高导热率和低热容,有机质具有低导热率和高热容,他们对热量在土壤中的传输及土壤温度垂直分布有不同的影响。另外,砾石和有机质的存在改变了土壤孔隙度、土壤基质毛细作用与吸附作用,进而影响水分在土壤中的传输过程和垂直分布。已有研究表明:(1)当前大部分数值模式中土壤导热率采用Johansen方案及其派生方案进行计算,其中Balland-Arp方案考虑了砾石和有机质对土壤导热率的影响,该方案更好地刻画了土壤冻融过程中土壤导热率变化的连续性;综合考虑热-水-变形相互作用的导热率参数化方案可以较好地刻画土壤冻融过程中的水热耦合和土体冻胀的作用,对相变过程中土壤导热率变化特征的模拟更符合实际观测。(2)过冷水参数化方案刻画了土壤液态水在0℃以下存在的事实;相变温度方案描述了土壤相变温度低于0℃且不固定的事实;导水阻抗方案考虑了土壤冻结对土壤水分下渗的阻抗作用,改善了对冻土区水文过程的模拟效果。(3)土壤冻融过程伴随着水分的相变和能量的转化,水热耦合方案的发展能够较好地刻画土壤中热力-水文过程的协同变化特征,细化了对冻融过程中水分和能量相互作用的复杂物理机制的描述。(4)等温框架的数值模式通过模拟每层土壤中间深度的冻融过程代表该模式分层的整体特征,导致对冻融深度的严重高估或低估,尤其是对厚度较大的模式深层土壤,冻融锋面计算方案的提出和应用减小了这种模拟偏差。目前土壤冻融参数化方案的不足之处包括:绝大多数数值模式没有考虑土壤盐分导致土壤水的冰点降低这一事实;虽然大部分数值模式考虑了土壤有机质对土壤水、热传输的影响,但是模式中对土壤有机质含量及垂直分布的考虑与植被根系的生长状态脱节;模式模拟的土壤深度不足并且下边界通量为零的假定不符合实际情况。发展土壤溶质传输参数化方案以模拟盐分的分布、刻画植被根系生长过程和土壤有机质的分布特征、考虑深层土壤对浅层的热力学影响并完善数值模式中的下边界条件,这些是未来陆面模式改进土壤冻融过程模拟的可能方向。