水泥基多孔材料微结构形成机理与传热行为的研究

摘要

随着中国经济社会的快速发展和人民生活水平的日益提高，能源的消耗和对外依存度越来越大。普通使用的化石能源在燃烧时释放出大量温室气体(CO2)、有毒气体(SO2)和粉尘颗粒。因此，节能降耗既是实现我国经济持续快速健康发展的重要举措，也是保护环境和人民生命安全的必然要求。众所周知，建筑能耗约占社会总能耗30％，而建筑节能最重要的措施是使用保温材料。目前市场广泛使用的有机保温材料具有保温隔热性能好、质量轻、可加工性强等优点;但是这些有机泡沫保温材料也存在诸多严重缺点:保温层易开裂、空鼓、脱落，保温材料易老化，在建筑物服役期内需多次更换保温层，浪费大量人力、物力、财力。更为严重的是耐高温、防火安全性差，近年来屡屡发生其被引燃而导致的重大火灾事故，有机材料燃烧迅速，并产生剧毒气体，是导致多人死亡的主要原因。因此，以不燃的无机多孔材料取代有机泡沫材料进行建筑保温是未来的重要发展方向之一。
　　本文以轻质、多孔、节能、保温、防火为特征的水泥基多孔材料体系为研究对象，以发展和完善轻质多孔材料的制备与调控理论与技术为目标，交叉融合材料学、计算数学、数值模拟、建筑物理、土木工程、力学、传热学等学科，从水泥基材料组成及微结构角度出发，系统研究气泡在碱性水泥浆体中的微结构形成和演化规律以及泡沫稳定机制;利用计算机技术和图像分析技术对轻质水泥基泡沫材料微结构进行数值模拟和多维度重构（二维、三维）;在此基础上，建立了水泥基多孔材料二维和三维稳态传热数值模型，预测了水泥基多孔材料的有效导热系数。最后，基于理论和实验分析，制备了合适的水泥基多孔材料，用于“徽式”传统民居外墙的热工性能提升示范工程。本文所取得的主要创新成果如下:
　　(1)运用超声波无损技术原位监测了水泥基多孔材料微结构的演变规律
　　本文通过自主研发的新型超声波无损监测设备(ZL200910028456)，首次采用超声波穿透技术研究了水泥基多孔材料的微结构演化过程，分析了影响水泥基多孔材料早期稳定性的多种因素和机理，发展了超声波在非饱和多孔介质中传播的共振与耗散理论。研究结果表明超声波方法是一种原位监测水泥基多孔材料微结构形成过程非常有效的无损测试方法。基于理论和实验分析，可以得到下列结论:改进型Anderson-Hampton模型可以解释了气泡在水泥基材料水化早期对超声波的传播速度和能量耗散的影响:在水泥基材料水化早期，少量气泡会显著降低声波传播速度，当气体含量大于5％时，超声波传播速度低于其在空气中的传播速度(340m/s);水泥基多孔材料微结构形成和水化过程可能分成三个阶段:潜伏期、加速期和减速期;系统研究了发泡剂、粉煤灰、养护温度等因素对水泥基多孔材料的凝结、硬化过程的影响:提高养护温度可以加速水化反应速率，发泡剂和粉煤灰对水化反应有缓凝作用;研究了不同配比水泥基多孔材料初凝和终凝时间对应的超声波传播速度，并给出了水泥基多孔材料对应于初凝时间与终凝时间的超声波传播速度范围（274-372 m/s和613-676 m/s）;提高水化速度，降低凝结、硬化时间是提高水泥基多孔材料气泡-浆体二元系统早期稳定性的有效方法。
　　(2)采用三维X射线CT(3D-X-CT)系统表征了水泥基多孔材料的微观结构
　　运用X射线CT三维成像技术(3D-X-CT)，重构和表征了水泥基多孔材料的微观结构。对孔的三个主要结构参数（孔隙率、平均孔径、孔径分布）进行了系统的分析。其主要结论为:X-CT三维成像技术可以用于水泥基多孔材料微观结构的重构与表征，由于自身分辨率的影响(10μm)，一定范围内的细孔不能鉴别，造成其测试的孔隙率与实验值相比稍微偏低;随着泡沫含量的增加，包裹和分隔气泡的胶凝材料浆体含量相对减少，这增大了气泡相互搭接、融合的几率;水泥基多孔材料的密度越低，孔隙率和平均孔径越大，这种现象在密度小于900kg/m3时尤为明显;当湿密度大于900kg/m3，平均孔径接近预制泡沫的平均孔径(0.1mm);水泥基多孔材料密度越低，孔径分布范围越大，孔径分布服从对数正态分布，可以用对数正态分布函数来表征。
　　(3)建立了基于三维微结构特征参数的二维和三维水泥基多孔材料微结构重构模型与稳态传热模型
　　基于3D-X-CT表征的水泥基多孔材料的微观结构产生的结构特征参数，采用一种“随机产生”方法，通过自主开发的计算机程序，重构了水泥基多孔材料的二维和三维微观结构。对于二维和三维传热问题，分别采用了“电阻网格法”和“有限体积法”来求解基于二维与三维重构图像的稳态传热方程。研究结果表明:数值模拟与EMPT分析模型模拟的结果与趋势都很接近，这主要是由于这两种模型在物理意义上都考虑到多孔材料中孔随机性分布特征;当孔隙率小于20％时，EMPT模型可以作为一种简单的分析模型用于预测水泥基多孔材料的有效导热系数;当孔隙率超过35％时，与其他分析模型相比，数值模拟结果与实验值更吻合;三维模型模拟结果不但与产生的微结构相关，而且和划分的网格数目有关，三维模拟结果随着第三个维度的网格数目变化而变化，并且服从指数分布关系，第三方向的网格数目必须达到一定的数量，才能保证预测结果的稳定;二维数值模拟结果总是小于实验值，而与其相比，三维模型预测结果更接近实验值。二维模型对有效导热系数的低估来源于对第三个维度的固相传热路径的忽略;对于不同密度水泥基多孔材料，二维模型与三维模型预测结果满足指数关系:k3D=0.892k2D0.844。
　　(4)采用水泥基多孔材料提升“徽式”传统民居墙体的热工性能
　　本文最后实地考察了徽州当地的气候、人文和历史条件，系统研究了典型的“徽式名居”建造结构和其热工性能;并针对当地新建的徽式民居的结构构造，提出三种可行的热性能提升方案，并详细阐述了其工法;通过环境仓实验对比了三种方案的热提升效果。在环境仓实验中，我们使用当地常用的建筑材料，按照传统徽式墙体的建造方式建造出迷你空斗墙体，然后加载当地的典型气候条件。研究结果表明:水泥基多孔材料内填充方式可以在不改变“徽式”外墙形貌的基础上，大幅度提高建筑墙体的保温隔热性能，符合建筑遗产保护和提升热舒适度的双重要求。通过复合水泥基多孔材料填充自保温系统和无机内保温系统，可以显著改善热桥效应，整体的保温效果是未经过保温处理的墙体的2.5倍，热阻值达到0.701 m2·K/W，超过了国家标准规定的值（0.67 m2· K/W）。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 常用的保温材料对比

1．3 水泥基多孔材料的特性

1．4 水泥基多孔材料的发展历程和定义

1．5 水泥基多孔材料研究现状

1．5．1 水泥基多孔材料制备和基本性能

1．5．2 水泥基材料早期水化及微结构形成机理

1．5．3 水泥基多孔材料微结构表征

1．5．4 多孔介质传热行为研究

1．6 存在问题

1．7 本文研究内容

1．8 论文总体框架

参考文献

第二章 水泥基多孔材料设计方法、制备技术和基本性能

2．1 引言

2．2 水泥基多孔材料组成

2．2．1 水泥

2．2．2 粉煤灰

2．2．3 细尾砂

2．2．4 外加剂

2．2．5 发泡剂

2．2．6 稳泡剂

2．2．7 水

2．3 水泥基多孔材料配合比设计

2．3．1 配合比设计方法

2．3．2 配合比

2．4 制备工艺和流程

2．4．1 水泥基浆体的制备

2．4．2 泡沫的制备

2．4．3 泡沫与胶凝浆体的混合

2．4．4 卸浆与输送

2．4．5 养护

2．4．6 制备流程

2．5 水泥基多孔材料早期性能

2．5．1 工作性

2．5．2 流变学性能

2．5．3 凝结时间

2．6 物理性能

2．6．1 湿密度

2．6．2 干密度

2．6．3 湿密度与干密度关系

2．7 抗压强度

2．7．1 实验方法

2．7．2 典型荷载位移曲线

2．7．3 密度影响

2．7．4 粉煤灰影响

2．7．5 细尾砂的影响

2．7．6 强度与孔隙率的关系

2．8 导热系数

2．8．1 实验方法

2．8．2 密度的影响

2．8．3 粉煤灰与尾砂的影响

2．8．4 导热系数预测分析模型

2．9 本章小结

参考文献

第三章 水泥基多孔材料早期微结构形成机理

3．1 引言

3．2 硅酸盐水泥的水化反应与过程

3．2．1 硅酸盐水泥的水化反应

3．2．2 硅酸盐水泥的水化过程

3．3 气泡的生长、融合及稳定机理

3．3．1 泡沫的分类

3．3．2 气泡生成原理

3．3．3 气泡失稳机制

3．3．4 水泥基多孔材料中孔结构形成过程

3．4 超声波原位监测水泥基多孔材料的微结构形成过程

3．4．1 引言

3．4．2 配合比

3．4．3 理论基础

3．4．4 超声波测试设备

3．4．5 实验结果与分析

3．4．6 讨论

3．4．7 结论

参考文献

第四章 计算机X射线断层扫描(X-CT)表征水泥基多孔材料的微观结构

4．1 引言

4．2 X-CT工作原理

4．3 实验方法

4．4 配合比

4．5 结果和讨论

4．5．1 孔隙率

4．5．2 平均孔径

4．5．3 孔径分布

4．6 本章小结

参考文献

第五章 水泥基多孔材料的二维(2D)微结构重构与传热行为数值模拟

5．1 引言

5．2 模拟方法

5．2．1 2D微结构重构(随机产生法)

5．2．2 计算有效导热系数(电阻网格法)

5．3 结果与讨论

5．3．1 稳定性分析

5．3．2 校准

5．3．3 与实验结果及其他分析模型对比

5．4 本章小结

参考文献

第六章 水泥基多孔材料的三维(3D)微结构重构与传热行为数值模拟

6．1 引言

6．2 模拟方法

6．2．1 3D微结构重构(随机产生法)

6．2．2 计算有效导热系数(有限体积法)

6．3 结果与讨论

6．3．1 校准

6．3．2 3D与2D模型的对比

6．3．3 3D模型与实验和其他分析模型对比

6．3．4 3D与2D模型的关系

6．4 本章小结

参考文献

第七章 徽式建筑空斗墙体热性能提升

7．1 引言

7．1．1 研究思路

7．1．2 徽式传统名居及徽州地区

7．1．3 徽式民居建筑材料和墙体构造

7．2 传统及新建徽式墙体热性能

7．2．1 测试方法

7．2．2 测试结果

7．2．3 小结

7．3 热提升方法

7．3．1 无机内保温

7．3．2 水泥基多孔材料填充

7．4 环境仓实验

7．4．1 环境仓简介

7．4．2 实验设计

7．4．3 原材料

7．4．4 构造方式

7．4．5 实验方法

7．4．6 结果与讨论

7．5 本章小结

参考文献

第八章 结论与展望

8．1 全文结论

8．1．1 水泥基多孔材料设计理论、制备技术和基本性能

8．1．2 水泥基多孔材料早期微结构形成机理

8．1．3 3D-X-CT表征水泥基多孔材料的微结构

8．1．4 二维(2D)与三维(3D)微结构重构与传热行为数值模拟

8．1．5 徽式建筑空斗墙体热性能提升

8．2 主要创新点

8．3 研究展望

作者简历

攻读博士期间发表的学术论文及专利

致谢