水泥基多孔材料微結構形成機理與傳熱行為的研究.pdf

1、隨著中國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，能源的消耗和對外依存度越來越大。普通使用的化石能源在燃燒時釋放出大量溫室氣體(CO2)、有毒氣體(SO2)和粉塵顆粒。因此，節(jié)能降耗既是實現(xiàn)我國經(jīng)濟持續(xù)快速健康發(fā)展的重要舉措，也是保護環(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。目前市場廣泛使用的有機保溫材料具有保溫隔熱性能好、質(zhì)量輕、可加工性強等優(yōu)點;但是這些有機泡沫保溫

2、材料也存在諸多嚴重缺點: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，浪費大量人力、物力、財力。更為嚴重的是耐高溫、防火安全性差，近年來屢屢發(fā)生其被引燃而導致的重大火災事故，有機材料燃燒迅速，并產(chǎn)生劇毒氣體，是導致多人死亡的主要原因。因此，以不燃的無機多孔材料取代有機泡沫材料進行建筑保溫是未來的重要發(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)控理論與技術為目標，交叉融合材料學、計算數(shù)學、數(shù)值模擬、建筑物理、土木工程、力學、傳熱學等學科，從水泥基材料組成及微結構角度出發(fā)，系統(tǒng)研究氣泡在堿性水泥漿體中的微結構形成和演化規(guī)律以及泡沫穩(wěn)定機制;利用計算機技術和圖像分析技術對輕質(zhì)水泥基泡沫材料微結構進行數(shù)值模擬和多維度重構（二維、三維）;在此基礎上，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，預測了水泥基多孔材料的有效導熱系數(shù)。最后，基于理論和實驗分析，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。本文所取得的主要創(chuàng)新成果如下:
　　(1)運用超聲波無損技術原位監(jiān)測了水泥基多孔材料微結構的演變規(guī)律
　　本文通過自主研發(fā)的新型超聲波無損監(jiān)測設備(ZL200910028456)，首次采用超聲波穿透技術研究了水泥基多孔材料的微結構演化過程，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。研究結果表明

5、超聲波方法是一種原位監(jiān)測水泥基多孔材料微結構形成過程非常有效的無損測試方法?；诶碚摵蛯嶒灧治觯梢缘玫较铝薪Y論:改進型Anderson-Hampton模型可以解釋了氣泡在水泥基材料水化早期對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，少量氣泡會顯著降低聲波傳播速度，當氣體含量大于5％時，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構形成和水化過程可能分成三個階段: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)護溫度等因素對水泥基多孔材料的凝結、硬化過程的影響:提高養(yǎng)護溫度可以加速水化反應速率，發(fā)泡劑和粉煤灰對水化反應有緩凝作用;研究了不同配比水泥基多孔材料初凝和終凝時間對應的超聲波傳播速度，并給出了水泥基多孔材料對應于初凝時間與終凝時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、硬化時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構
　　運用X射線CT三維成像技術(3D-X-CT)，重構和表征了水泥基多孔材料的微觀結構。對孔的三個主要結構參數(shù)（孔隙率、平均孔徑、孔徑分布）進行了系統(tǒng)的分析。其主要結論為:X-CT三維成像技術可以用于水泥基多孔材料微觀結構的重構與表征，由于自身分辨率的影響(10μm)，一定范圍內(nèi)的細孔不能鑒別，造成其測試的孔隙率與實驗值相比稍微偏低;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時尤為明顯;當濕密度大于900kg/m3，平均孔徑接近預制泡沫的平均孔徑(0.1mm);水泥基多孔材料密度越低，孔徑分布范圍越大，孔徑分布服從對數(shù)正態(tài)分布，可以用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來表征。
　　(3)建立了基于三維微結構特征參數(shù)的二維和三維水泥基多孔材料微結構重構模型與穩(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構產(chǎn)生的結構特征參數(shù)，采用一種“隨機產(chǎn)生”方法，通過自主開發(fā)的計算機程序，重構了水泥基多孔材料的二維和三維微觀結構。對于二維和三維傳熱問題，分別采用了“電阻網(wǎng)格法”和“有限體積法”來求解基于二維與三維重構圖像的穩(wěn)態(tài)傳熱方程。研究結果表明:數(shù)值模擬與EMPT分析模型模擬的結果與趨勢都很接近，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性分布特征;當孔隙率小于20％時，EMP

10、T模型可以作為一種簡單的分析模型用于預測水泥基多孔材料的有效導熱系數(shù);當孔隙率超過35％時，與其他分析模型相比，數(shù)值模擬結果與實驗值更吻合;三維模型模擬結果不但與產(chǎn)生的微結構相關，而且和劃分的網(wǎng)格數(shù)目有關，三維模擬結果隨著第三個維度的網(wǎng)格數(shù)目變化而變化，并且服從指數(shù)分布關系，第三方向的網(wǎng)格數(shù)目必須達到一定的數(shù)量，才能保證預測結果的穩(wěn)定;二維數(shù)值模擬結果總是小于實驗值，而與其相比，三維模型預測結果更接近實驗值。二維模型對有效導熱系數(shù)的低估

11、來源于對第三個維度的固相傳熱路徑的忽略;對于不同密度水泥基多孔材料，二維模型與三維模型預測結果滿足指數(shù)關系: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
　　本文最后實地考察了徽州當?shù)氐臍夂颉⑷宋暮蜌v史條件，系統(tǒng)研究了典型的“徽式名居”建造結構和其熱工性能;并針對當?shù)匦陆ǖ幕帐矫窬拥慕Y構構造，提出三種可行的熱性能提升方案，并詳細闡述了其工法;通過環(huán)境倉實驗對比了三種方案

12、的熱提升效果。在環(huán)境倉實驗中，我們使用當?shù)爻Ｓ玫慕ㄖ牧?，按照傳統(tǒng)徽式墻體的建造方式建造出迷你空斗墻體，然后加載當?shù)氐牡湫蜌夂驐l件。研究結果表明: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)保護和提升熱舒適度的雙重要求。通過復合水泥基多孔材料填充自保溫系統(tǒng)和無機內(nèi)保溫系統(tǒng)，可以顯著改善熱橋效應，整體的保溫效果是未經(jīng)過保溫處理的墻體的2.5倍，熱阻值達到0.701 m2·K/