測量建筑材料的熱導(dǎo)率

由于人口增長和城市化進(jìn)程的加快，能源需求持續(xù)攀升。在全球范圍內(nèi)，維持舒適的室內(nèi)溫度在能源消耗中占比巨大，因此，用于建筑結(jié)構(gòu)的新型創(chuàng)新隔熱高效材料成為了節(jié)能領(lǐng)域的前沿焦點。

水泥和混凝土在建筑行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，研究人員正在探索如何研發(fā)出性能更優(yōu)的材料，既能提供高效的隔熱性能，又不降低結(jié)構(gòu)強度。在這些材料的研發(fā)過程中，熱導(dǎo)率至關(guān)重要，因為較低的熱導(dǎo)率意味著更好的隔熱系統(tǒng)。使用 Trident測試混凝土的熱導(dǎo)率變得輕而易舉，無需調(diào)整樣品尺寸，幾秒鐘內(nèi)即可完成測試。根據(jù)測試目的，可以選擇使用 MTPS 和 TPS 瞬態(tài)傳感器。

圖1. 配備 MTPS 和 FLEX TPS 傳感器的 Trident

圖2. 采用改進(jìn)型瞬態(tài)平面熱源法（MTPS）對氣凝膠混凝土進(jìn)行熱導(dǎo)率測試

圖3. 采用瞬態(tài)平面熱源法（TPS）對混凝土進(jìn)行熱導(dǎo)率測試

圖4. 保溫混凝土

案例亮點一

建筑材料的熱導(dǎo)率：熱流計法、激光閃光分析法與改進(jìn)型瞬態(tài)平面熱源法的對比

圖5. 三種測量熱導(dǎo)率的儀器，從左到右依次為：熱流計、激光閃光分析法以及配備 MTPS 傳感器的 C-Therm 熱導(dǎo)率儀

以下內(nèi)容節(jié)選自論文《建筑材料熱導(dǎo)率的測量及與熱流計、激光閃光分析和 TCi 的相關(guān)性》。使用熱流計（HFM）、激光閃光分析（LFA）以及 C-Therm 公司的改進(jìn)型瞬態(tài)平面熱源（MTPS）方法的熱導(dǎo)率儀（TCi），對木地板、墻體材料、膠合板和高密度纖維板（HDF）等各種建筑材料的熱導(dǎo)率進(jìn)行了測量。

“開展本實驗是為了測量采用 TCi（采用 MTPS 方法）以及現(xiàn)行 KS 標(biāo)準(zhǔn)中所包含的 HFM（KS L 9016）和 LFA（KS L 1604）所測得的熱導(dǎo)率之間的相關(guān)性。

通過使用 HFM 和 TCi 測量各種材料的熱導(dǎo)率來研究其相關(guān)性，結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)（R2）高達(dá) 0.9 以上。因此，使用 TCi 測量的熱導(dǎo)率是可信的，因為對于含有更高質(zhì)量百分比再生石墨的木地板、墻體材料、膠合板以及 HDF，使用 HFM 和 TCi 測量的熱導(dǎo)率顯示出高度相關(guān)性。

對于含有更高質(zhì)量百分比再生石墨的環(huán)氧膠粘劑，使用 LFA 和 TCi 測量的熱導(dǎo)率顯示出高達(dá) 0.978 的高相關(guān)系數(shù)（R2）。因此，對于含有更高質(zhì)量百分比再生石墨的環(huán)氧膠粘劑，使用 TCi 測量的熱導(dǎo)率是可信的。然而，對于含有更高質(zhì)量百分比再生石墨的 HDF，使用 LFA 和 TCi 測量的熱導(dǎo)率顯示出非常低的相關(guān)系數(shù)（R2），僅為 0.504，因為在 LFA 實驗中熱導(dǎo)率并未持續(xù)增加?；谶@一結(jié)果，使用 LFA 獲得的值不可信，因為它不適用于測量諸如 HDF 這類均質(zhì)材料的熱導(dǎo)率。與現(xiàn)有方法不同，TCi 可以通過使用各種樣品形狀方便地測量熱導(dǎo)率。由于該設(shè)備體積小，即使在空間受限的地方也能方便地測量熱導(dǎo)率，預(yù)計它將在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?！?o:p>

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https://ctherm.com/resources/tech-library/building-materials-thermal-conductivity-measurement-and-correlation-with-heat-flow-meter-laser-flash-analysis-and-tci/

案例亮點二

含硅粉的玄武巖纖維增強泡沫混凝土的試驗研究

原出版物摘要：泡沫混凝土是一種低密度混凝土，因其特意增加的孔隙率而具有良好的隔熱和熱性能。然而，由于其高孔隙率以及孔隙的連通性，可能會使有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土介質(zhì)，因此泡沫混凝土通常物理力學(xué)性能和耐久性較差。因此，泡沫混凝土通常被認(rèn)為不適用于主要承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件。為了應(yīng)對這一問題，本研究采用玄武巖纖維和硅灰來提高泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)完整性。在這方面，制備了 18 種不同發(fā)泡劑、玄武巖纖維和硅灰含量的混合料。通過表觀孔隙率、吸水率、抗壓、抗折和劈裂抗拉強度、吸水性、超聲脈沖速度（UPV）、干縮、凍融、導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻試驗，對制備的泡沫混凝土的物理力學(xué)性能、耐久性和隔熱性能進(jìn)行了評估。基于試驗結(jié)果，開發(fā)出了一種高耐久性泡沫混凝土，其最大抗壓、抗折和劈裂抗拉強度分別約為 46MPa、6.9MPa 和 3.07MPa。此外，研究發(fā)現(xiàn)，硅灰的加入可顯著影響孔隙網(wǎng)絡(luò)并增強纖維 - 漿體基體。然而，玄武巖纖維的作用在更大程度上取決于硅灰的使用，這可能是由于其與水泥漿體的結(jié)合性較低。本研究結(jié)果意義重大，表明通過使用玄武巖纖維和硅灰制備高耐久性輕質(zhì)隔熱泡沫混凝土具有巨大潛力。[1]

在熱導(dǎo)率測試中，使用了一臺符合 ASTM D7984 標(biāo)準(zhǔn)、熱導(dǎo)率范圍為 0 至 500 W/mK的 C-therm TCi 熱導(dǎo)率分析儀。在該測試中，向測試樣品表面施加恒定的瞬時熱脈沖，根據(jù)材料表面溫度隨時間的升高來確定熱擴散率。[1]

圖6. a) 導(dǎo)熱系數(shù)；b) 不同泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與干容重的關(guān)系。[1]

[1] Osman Gencel, Mehrab Nodehi, Oguzhan Yavuz Bayraktar, Gokhan Kaplan, Ahmet Benli, Aliakbar Gholampour, Togay Ozbakkaloglu, Basalt fiber-reinforced foam concrete containing silica fume: An experimental study, Construction and Building Materials, Volume 326, 2022, 126861, ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126861. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061822005475)

案例亮點三

凝膠型氣凝膠的化學(xué)后處理及含氣凝膠水泥的保溫性能

本案例重點介紹了通過將氣凝膠與水泥混合以獲得更好熱性能，從而研發(fā)出隔熱性能更強的建筑材料的研究。氣凝膠是一種隔熱性能極佳的材料，其純態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)值小于 0.03 W/mK 。

使用熱常數(shù)分析儀（TCi）測試的混合樣品的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果如下圖所示（圖 2）。氣凝膠含量的重量百分比增加，直接關(guān)系到固化水泥復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的降低。添加 2.0% 重量比的氣凝膠后，導(dǎo)熱系數(shù)降低了超過 75%。

圖7. 氣凝膠水泥熱導(dǎo)率

案例亮點四

采用瞬態(tài)平面熱源法對輕質(zhì)混凝土進(jìn)行熱導(dǎo)率測試

采用 C-Therm 瞬態(tài)平面熱源（TPS）FLEX 傳感器測量了輕質(zhì)混凝土的熱導(dǎo)率（圖 3）。

將這款 13 mm厚的柔性聚酰亞胺傳感器置于切割后的輕質(zhì)混凝土圓柱體之間。

參考 ISO 標(biāo)準(zhǔn)文件并對熱導(dǎo)率進(jìn)行近似計算后，選定施加功率為 0.5 W，測量測試時間為 40 s。實驗分 10 個試驗階段進(jìn)行。

在每次測試間移除傳感器進(jìn)行十次測量后，輕質(zhì)混凝土的熱導(dǎo)率被測定為 0.52 W/mK，重現(xiàn)性優(yōu)于 5%。

圖 8 展示了重現(xiàn)性結(jié)果，實線代表 10 次試驗的平均熱導(dǎo)率。平均線上方和下方為 ±5% 的誤差線。試驗間觀察到的差異部分可歸因于樣品的不均勻性。

還通過另外 10 次測量來檢驗精度，測量期間不拆除傳感器。每次測量之間等待 3 分鐘，以確保在下一次測量前熱量完全消散。經(jīng)測定，精度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于 2%。

圖8. 輕質(zhì)混凝土的熱導(dǎo)率