混凝土导热系数的试验研究与预测模型

采用防护热板法和瞬态平面热源法测试了粗骨料、水泥砂浆和混凝土的导热系数,考察了砂率、骨料种类及其体积分数、水灰比和饱和度对混凝土导热系数的影响;利用复合材料导热系数模型,分析了饱和/干燥状态下混凝土内水泥砂浆与粗骨料间界面热阻的影响.结果表明:混凝土导热系数随饱和度、骨料体积分数、骨料导热系数的增大而增加,随水灰比的增大而减小;对干燥混凝土导热系数的预测需考虑界面热阻的影响.在假定混凝土固相导热系数随着饱和度线性增大的基础上,提出了基于饱和度影响的混凝土导热系数计算模型.     

粗骨料随机分布对混凝土导热性能的影响

采用COMSOL与MATLAB联合仿真的方法,基于混凝土二维细观几何模型,实现了混凝土稳态热传导的数值模拟.在利用试验结果验证数值模拟有效性的基础上,分析了骨料随机分布对混凝土导热性能的影响,并讨论了粗骨料粒径、形状及其体积分数,以及分散相导热系数对混凝土导热性能的影响规律.结果表明:粗骨料随机分布是造成混凝土导热性能产生随机性的重要因素;混凝土导热系数相对平均值随着粗骨料体积分数、分散相导热系数的增加而增大,但受粗骨料粒径和形状的影响不大;粗骨料体积分数越高,分散相与水泥砂浆导热系数相差越大,粗骨料粒径越大,轴长比越大,混凝土导热系数的变异性越显著,但当粗骨料体积分数超过35%后混凝土导热系数的变异性基本保持不变.     

石墨掺量及骨料种类对混凝土导热系数的影响与内在机理研究

为了探究石墨、粗骨料种类对混凝土导热系数的影响,揭示石墨混凝土导热系数变化的内在机理。利用DRE-Ⅲ多功能快速导热系数测试仪,对不同石墨掺量、不同粗骨料种类的导热系数进行测试,采用对比分析法考察石墨掺量、粗骨料种类对石墨混凝土导热性能的影响,探究其作用机理;并以普通混凝土导热系数计算公式为基础,提出骨料影响系数Ⅰ、推导出可供工程利用的石墨混凝土导热系数预测公式。结果表明:混凝土的导热系数随粗骨料导热系数的增大而增大,增长幅度为5%～6%;混凝土导热系数随石墨取代率的升高而增大;石墨混凝土骨料影响系数Ⅰ与导热系数之间存在显著的线性关系,改良的导热系数公式计算值与试验值吻合较好,可为以后的实际应用提供一定的借鉴。     

玻化微珠在无机保温承重材料中的传热机理分析

细观尺度是宏观特征和微观组成之间联系的纽带,对混凝土进行细观尺度的研究,能够形象地揭示混凝土各组成成分对整体性能的传热机理,是研究该类型保温混凝土传热机理的一种有效方法。研究了保温骨料粒径、所占体积比对保温混凝土有效导热系数的影响,并建立了保温混凝土细观模型,针对其保温特性,采用有限元模拟的方式对保温混凝土温度场和热流通道进行了分析。研究表明:保温骨料所占体积比越大,导热系数越低;当保温骨料粒径在0.315～0.63 mm时,混凝土能够获得较好的导热系数;随着保温骨料占比的逐渐增大,保温骨料类似于"热阻器",能够使粗骨料与砂浆形成的大热流通道不断被阻隔、压缩,大热流通道在混凝土试件中的比例不断缩小,从而使混凝土整体热阻增大,传热能力减弱。     

考虑温度效应的界面层对混凝土热学参数影响分析

温度场是影响混凝土结构耐久性评价的重要因素之一,密度、质量热容、导热系数是混凝土材料的主要热学参数,决定于混凝土组成及细观结构。基于混凝土二维三相细观几何模型,考虑各相材料热学参数温度依赖性,得到了混凝土宏观热学参数并与试验结果比较。在验证该数值方法有效性的基础上,开展了升温过程中界面层厚度、界面层材料属性对混凝土热学参数的影响规律及影响程度分析。研究表明:随着温度升高,混凝土密度、导热系数逐渐降低,混凝土质量热容逐渐升高;随着界面层厚度增加,混凝土密度、导热系数逐渐减小,混凝土质量热容略微增大;界面层厚度的变化对混凝土导热系数影响最大,密度次之,对质量热容影响不显著;随着界面层导热系数、密度、质量热容的增加,混凝土的热学参数随之增加,但增幅有差异。     

基于两相复合材料的再生混凝土弹性模量预测模型

与采用再生混凝土抗压强度计算弹性模量的公式相比,基于两相复合材料的再生混凝土弹性模量预测模型能更好地反映再生粗骨料对混凝土弹性模量的影响,预测结果更为精确。但现有再生混凝土两相复合材料弹性模量预测模型是由再生粗骨料与砂浆的弹性模量按体积加权平均得到的,该种计算方法预测结果偏于保守。目前针对天然骨料混凝土已提出多种两相复合材料弹性模量预测模型,但各模型预测结果有较大差异。基于上述模型,考虑再生粗骨料中残余砂浆的影响,推导得到了6种再生混凝土弹性模量预测模型,并搜集了100组再生混凝土弹性模量试验数据,用于评价各模型的可靠性。在此基础上,统计分析了模型不确定性及其与关键参数之间的相关性,为后续再生混凝土构件与结构的可靠度分析提供统计数据。研究表明,在常见参数范围内,各模型预测结果之间最大可相差23.3%;所提出的BNC(RAC)模型预测精度最高,其预测结果与试验结果比值的均值为1.014,变异系数为8.2%,该模型的不确定性服从正态分布。     

混凝土导热系数试验与分析

为了研究基于现代施工工艺制成的混凝土导热系数,通过稳态平板导热仪对多种混凝土(包括普通混凝土、高强混凝土、再生混凝土以及配筋混凝土)试件进行了导热系数试验,考察了包括骨料体积分数、水灰比、骨料类型、外掺料掺量、温度、干湿状态及钢筋体积分数等因素对混凝土导热系数的影响;进一步考察了再生粗骨料取代率对再生混凝土导热系数的影响.通过这些因素的显著性分析,得到了各因素对混凝土导热系数影响的显著性大小依次为:干湿状态、再生粗骨料取代率、温度、骨料体积分数、骨料类型、钢筋体积分数、水灰比、掺和料种类.     

再生混凝土导热系数试验与分析

采用单位体积用水量、水灰比、再生粗骨料取代率和再生细骨料取代率这4个影响因素设计正交试验,研究这些因素对再生混凝土导热系数和密度的影响;同时定义骨料影响系数C,分析了再生混凝土导热系数变化的内在机理,并基于普通混凝土导热系数的计算公式,提出了修正的再生混凝土导热系数计算公式.结果表明:4个影响因素中,再生粗骨料取代率对再生混凝土导热系数影响最大;再生混凝土导热系数与C值间存在显著的线性关系;修正的再生混凝土导热系数计算公式的计算结果与试验结果吻合较好,便于实际工程应用.     

混凝土界面特性与力学性能的细观数值分析

将混凝土等效为由骨料、水泥砂浆及二者间的界面所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法建立混凝土随机骨料模型。采用线性应力裂缝宽度关系来表征混凝土材料的各相软化力学行为,利用扩展有限元法对单轴拉伸条件下混凝土材料的界面特性与力学性能进行数值分析。分析结果表明,随着界面强度提高,混凝土强度、断裂能和延性增大,破坏模式由单一贯通裂纹向多条非贯通裂纹过渡;混凝土弹性模量随界面弹性模量的增加而增大;界面厚度减小时,混凝土材料的强度、弹性模量、断裂能增加,界面厚度对混凝土力学性能弱化作用变小。     

全再生废砖骨料混凝土导热系数试验分析与预测

以3种不同的再生废砖粗骨料替代率(40%、70%、100%)和再生废砖细骨料替代率(40%、70%、100%)设计7组试验,对再生废砖骨料混凝土导热系数进行试验和分析。试验结果表明:提高再生废砖粗骨料替代率可降低再生废砖骨料混凝土导热系数;在再生废砖粗骨料替代率为100%的基础上,增加再生废砖细骨料的替代率,则再生混凝土导热系数持续下降,其中全再生废砖骨料混凝土导热系数最低,相比普通混凝土降低幅度为57.52%;定义了再生废砖骨料影响系数G,G值越大,再生混凝土导热系数越低;研究了再生砖骨料混凝土导热系数的变化机理,在Hasselman-Johnson模型基础上,提出了再生废砖骨料混凝土导热系数修正公式,计算预测值与试验值吻合良好。     

混凝土弹性模量的微分法预测

对混凝土的弹性性质进行了计算,将混凝土复合材料简化为由水泥砂浆和粗骨料所组成的二相复合材料,运用了细观力学的方法对其进行了简单估算,最后将该方法所推导出来的理论结果与公开发表的实验数据进行了比较.     

再生混凝土抗碳化性能的研究

系统研究了水胶比、水泥用量、再生粗集料性能、矿物掺和料、再生粗集料取代率、荷载水平等因素对再生混凝土碳化性能的影响.试验表明:再生混凝土的碳化性能不仅受新砂浆的影响,而且还受再生粗集料取代率及其自身强度的影响;矿物掺和料取代水泥使得再生混凝土的碳化深度增大;应力水平对再生混凝土碳化过程产生重大影响.     

Factors affecting the thermal properties of concrete and applicability of its prediction models

In this paper an investigation on thermal conductivity of mortar, concrete and its major constituent aggregate is presented. Four different types of rocks were tested for their conductivities at dry and fully saturated states, which were further crushed and used as coarse aggregates in concrete. Thermal conductivity of mortar and concrete have been measured at various moisture contents. The applicability of Campbell-Allen and Thorne's model in assessing the influence of aggregate type has been investigated. Using a few advanced models for thermal conductivity of porous material, it has been demonstrated that there exists a possibility to gain insight into the nature of the pore that is likely to be encountered in the concrete. The relationship between concrete conductivity and aggregate conductivity at various degrees of saturation including at dry and fully saturated conditions have been developed. Further, equivalent conductivity of solid, which is a necessary input parameter for porous material models, has been evaluated for all the types of concrete under consideration.     

混凝土湿筛水泥砂浆阻尼比的试验研究

为了研究混凝土细观三相材料中水泥砂浆的阻尼性能,通过配制几种混凝土,采用湿筛方法筛出粗骨料制作成水泥砂浆试件.利用模态测试方法测试其动态性能,获得水泥砂浆阻尼比的一些基础性数据.试验表明:湿筛水泥砂浆抗压强度比对应的混凝土高9%～33%,砂浆的阻尼比随抗压强度的增大而减小.     

混凝土界面过渡区水分传输特性试验研究

设计制作了一批圆柱形水泥砂浆试件和混凝土试件，通过水分传输试验获取各试件的平均水分传输系数，引入界面过渡区（ITZ）与砂浆基体水分传输系数的比值β，再根据混凝土试件的并联传输模型反算获得β值。研究了截面形式、砂浆水灰比、砂灰比、粗骨料材质、表面粗糙度等因素对β值的影响。试验结果表明：ITZ与砂浆基体水分传输系数的比值β在90~175的范围内；截面形式相同时，花岗岩质粗骨料表面不进行处理时的β值均比进行喷砂处理时的β值大；β值随着砂浆水灰比的变化无明显变化，随着砂浆砂灰比的增大而减小；截面形式及砂浆配合比相同时，β值的大小不仅与骨料表面粗糙度相关，还与骨料材质相关。     

Microwave-assisted beneficiation of recycled concrete aggregates

The presence of mortar has been reported as the main factor causing the lower quality of recycled concrete aggregates (RCA) when compared to natural aggregates (NA). A novel microwave-assisted technique to increase the quality of RCA by partially removing the mortar adhering to RCA particles and breaking up the lumps of mortar present in RCA is introduced in this paper. The technique takes advantage of the difference in the electromagnetic properties of the adhering mortar and natural aggregates to generate high thermal stresses within the mortar, especially at the interface with the embedded natural aggregates, to cause delamination. The stresses generated also result in the breaking up of the lumps of mortar into smaller pieces. The results of an experimental study conducted to investigate the capability of the microwave-assisted RCA beneficiation technique and to compare its efficiency with other beneficiation methods proposed in available literature are presented. Moreover, the effects of incorporating various amounts of un-treated and microwave-treated coarse RCA on the mechanical properties of concrete are investigated. The temperature distribution and stresses developed in RCA when subjected to microwave heating during the beneficiation process are numerically calculated for a better understanding of the processes involved.     

外墙保温材料导热系数的试验研究

针对常用的XPS聚苯乙烯泡沫塑料、EPS聚苯乙烯泡沫塑料,以及水泥基复合保温砂浆和建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温节能材料,试验研究材料的保温性能,得出不同保温材料密度与导热系数的关系。研究结果表明,XPS聚苯乙烯泡沫塑料、EPS聚苯乙烯泡沫塑料保温材料的表观密度和导热系数之间没有表现出特定的关系。水泥基复合保温砂浆和建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温节能材料的导热系数随着密度的增大线性增加,大孔径材料比小孔径材料导热系数要大。通过研究,可以对建筑垃圾为骨料的硅酸盐保温节能材料配方及工艺的进一步改良提供理论依据和指导。     

Deformation field and crack analyses of concrete using digital image correlation method

The study on the deformation distribution and crack propagation of concrete under axial compression was conducted by the digital image correlation (DIC) method. The main parameter in this test is the water-cement (W/C) ratio. The novel analysis process and numerical program for DIC method were established. The displacements and strains of coarse aggregate, and cement mortar and interface transition zone (ITZ) were obtained and verified by experimental results. It was found that the axial displacement distributed non-uniformly during the loading stage, and the axial displacements of ITZs and cement mortar were larger than that of coarse aggregates before the occurrence of macro-cracks. The effect of W/C on the horizontal displacement was not obvious. Test results also showed that the transverse and shear deformation concentration areas (DCAs) were formed when stress reached 30%–40% of the peak stress. The transverse and shear DCAs crossed the cement mortar, and ITZs and coarse aggregates. However, the axial DCA mainly surrounded the coarse aggregate. Generally, the higher W/C was, the more size and number of DCAs were. The crack propagations of specimens varied with the variation of W/C. The micro-crack of concrete mainly initiated in the ITZs, irrespective of the W/C. The number and distribution range of cracks in concrete with high W/C were larger than those of cracks in specimen adopting low W/C. However, the value and width of cracks in high W/C specimen were relatively small. The W/C had an obvious effect on the characteristics of concrete deterioration. Finally, the characteristics of crack was also evaluated by comparing the calculated results.