稳态平板法测量预制混凝土传热系数测试导热仪

方乙涵，刘卫东

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

稳态平板法测量预制混凝土传热系数测试导热仪

方乙涵，刘卫东

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

通过自主研发平板导热仪对预制混凝土导热系数进行试验研究，验证该仪器在导热系数测量上的实用性与创新性。该仪器的创新点在于采用新型隔热材料三元乙丙，减少被测试体与空气的热传递；对铜-康铜热电偶进行标定，改善了导热系数受热源温度和环境温度影响的缺点；可一次测两块试块，提高了试验效率，避免了传统稳态法周期较长的缺点；铝粉填充试块使得传热更均匀，减小了误差。

建筑材料；稳态平板法；测量仪器；导热系数

0　引　言

导热系数是表征材料导热能力的物理量，是热传导能力的重要参数，对材料的性质分析以及安全检验等都具有很大的实用价值。因此，精确测量各种材料尤其是新型材料的导热系数是衡量材料能否适应具体工作环境的基本依据［1］。

曾悠兵等［3］试验中采用防护热板法平板导热仪测量试样的导热系数，把被测试样放在热板与冷板之间，热量便由热板通过被测试样向冷板传递。但由于冷热板温差大或由于热板温度设定值高、冷板设定值低等原因导致每次测量系统本身的平衡时间都可能不一样，则测出的导热系数即会有误差。冯毅等［4］对稳态平板导热系数测定仪进行误差分析，找出了影响测量精度的因素，提出改进方法。比如改进试样侧面平均温度，用高精度的温度传感器测量各温度值等，但都过于复杂，并不易于用于实验室中。

在实验室中测量导热系数的方法主要为稳态平板法［7］。其基于稳态法的平板导热系数测定仪成本较低，但一般认为平板导热系数测定仪测量需要时间长，有一定的测量误差［6］。针对平板法以及前人测量方法的缺点，提出了利用稳态平板法测量试块表面电动势从而得到导热系数的方法，并自主研发了仪器。

1　实验原理

本研究采用的是稳态平板法，是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法［7］，适用于测定均质板材的导热系数。

其原理是：加热板被加热时，热量由内向外传递，由于加热板两边的条件对称，故两侧传递的热量均为板加热量的一半［8］。由于是压紧的，忽略接触热阻，试材的导热系数可用下式计算：

式中，Φ为板的总加热量（电功率），W；t2，t1分别为试材的内表面温度和试材的外表面温度 ℃，按试材内侧的热电偶和试材外侧热电偶所测温度分别取其算术平均值；δ为单块试材的厚度，m；A为试材截面积，为0.2×0.12=0.024。

表1　附件参数表Tab.1 Parameters of accessories

如现设导热系数与温度有一定的函数关系，即λ= f（t），t为 t1，t2的平均温度，即 t=（t1+t2）/2，则可按上式（1）算得与试材平均温度对应的导热系数。如不断改变 ，则可得到一组平均温度与导热系数对应的数据，从而可求得函数关系式［10］。

2　仪器的设计与制作

本导热仪为上海理工大学课题组专门设计，由电加热板、支架、夹具、热电偶、转换开关、测量电路、可调功电源、室温计、精密毫伏计、功率表等组成，能进行平板稳态导热法测定材料的导热系数。

测试仪器参数：数字精密毫伏计一只（MB4101T型，供电电压220V，量程0.000到19.999mV，精度±0.005mV）；数显单相有功功率表一只（PZ200P-5K1型，供电电压220V，输入电压0-36V，输入电流0-2A，量程0.00到72.00W，精度±5%+2）；水银温度计一支（0-50℃，0.1℃分度，实验室级）；铜-康铜热电偶共二组，每组10对（通道一热电偶的回归式为：

通道二热电偶的回归式为

实验仪器附图说明见图1，图2。

图1　箱体示意图Fig.1 Case schematic

图2　实验装置示意图Fig.2　Schematic diagram of the experimental apparatus

本仪器采用低电压、小功率，保证了使用的安全性；在仪表选择、试件制作、箱体设计和制造方面注意了可靠性、耐用性和组装的便捷性；热电偶标定时直接使用本机仪表，保证了测试的精度。用于放置试块的保温材料为锌铜，隔热效果很好，并且采用三元乙丙［11］进行密封，最大限度的降低不必要的散热。并且能同时测量两块试块，大大提高了试验效率，解决了稳态法测量周期较长的这个问题，很好的克服了稳态法的缺点，目前该仪器已经申请发明专利。

3　误差实验

3.1试块参数

试验试件为方形薄壁平板试件，体积为120 mm ×200 mm×20 mm，实际导热计算面积为120 mm ×200 mm，板的厚度为20 mm。各混凝土试块参数如表2所示。

3.2实验步骤

（1）将本导热仪放置于室温比较稳定的房间内。检查功率调节旋钮及两个热电偶转换旋钮档位是否都处于“OFF”状态。若否，则将其置于“OFF”状态。

（2）在夹具一侧的板槽内撒一薄层的铝粉，将规定尺寸的试件放入夹具的板槽内，再在试件上撒一薄层的铝粉并将加热板盖上，再在加热板的另一侧也撒一薄层的铝粉，将另一块对称试件放在加热板上并也撒一薄层的铝粉。将夹具的另一侧板槽盖上，用螺钉将整个实验装置固定好。最后在试件的外侧包上三元乙丙泡沫塑料保温材料。撒铝粉的目的是为了填充缝隙，其多少以填满缝隙为准，与试件表面的平整度有关［12］。

表2　混凝土试块组别与配合比、水灰比的对应关系Tab.2 Correspondence of the concrete block groups with the mixing ratio and the water-cement ratio

（3）将实验装置竖直悬挂到已固定在箱体上方的支架的横杆上。热电偶组可以通过位于箱体面板上的热电偶组（一）接口和热电偶组（二）接口接入箱体与数字精密毫伏计联通。读数时分别用热电偶组输入（一）的切换旋扭和热电偶组输入（二）的切换旋扭选通对应的热电偶，并将加热板的电源线连接到加热件接线柱上。

（4）将温度计插入箱盖上的温度计插孔。

（5）插上电源线，外接 220 V 交流电源，然后打开电源开关。

（6）观察各仪表读数是否异常，若正常则可以开始试验，并将功率调节旋钮调节至所需加热功率处。观察内外侧热电偶的温升是否均匀，同侧热电偶偏差应保持在 10%之内，如不均匀，可重新装夹加大压紧程度。经过较长一段时间（3 小时以上）后，确认此控制温度在预计温度范围内，即进入准稳定状态时，就可进行试读数。此后每隔 10 分钟记录一次读数，直至前后三次测量的各数据偏差小于 2%并且无递增（减）趋势。此次实验工况结束，取最后三次数据平均进行处理。改变加热功率，使加热板壁温稳定在另一温度下，重复上述过程，直至所有实验工况测量结束。

（7）读内侧及外侧相应各点的的热电势时，值得特别注意的是，读热电偶组输入（一）上的热电偶时，热电偶组输入（二）的切换旋扭要处于“OFF”状态；读热电偶组输入（二）上的热电偶时，热电偶组输入（一）的切换旋扭要处于“OFF”状态。

测试面与导体面接触的地方有热电偶，在测试过程中，可以通过热电偶观察到测试表面的温度。由以上测量步骤可得内侧及外侧相应各点热电势，再由热电偶标定公式，得出试块表面实际的电动势。由“铜-康铜热电偶分度表”［13］，可查到实际电势对应的温度。即得到试块表面温度，再通过公式1得出导热系数［14］。

4　实验结果及分析

4.1热电偶标定

热电偶标定为该实验关键点，在测量中会由于试验中的温度变化而有误差。而该仪器热电偶是经过精确标定得到以下标定公式，故将实验数据经过标定公式矫正过后得到的即为精确数据，确保了实验的精确性［15］。表3即为热电偶标定公式。

表3　热电偶标定公式Table 3 Thermocouple calibration formula

经过标定之后与标定之前试块表面相差将近1 ℃，不校正的数据误差很大。故在测量导热系数时，测量的热电偶一定要经过标定。而本实验仪器的热电偶是经过标定的，故可有效地避免误差过大，使得实验数据很精确。

4.2导热系数

由铜-康铜热电偶分度表可对应得出试块表面实际温度，从而得出导热系数。

以上数据可知，配合比中其他参量不变，石子含量越多，流动性越小，导热系数越小。该实验体现了稳态平板导热法的过程简单，方便且易操作，于干燥恒温的环境便可进行试验等优点，所以该仪器使用的稳态平板导热法是测定固体导热系数的优选方法。

5　结　论

通过以上试验，可得到以下几点结论：

（1）测量导热系数时应采用保温效果好的隔热材料，并且注意密封，减少散热。三元乙丙是很好的隔热材料，使实验中与空气的热传递更少；铝粉填充试块使得传热更均匀，减小传统实验室测量方法误差较大的缺点。同时，导热系数受热源温度和环境温度的影响。故在测量导热系数时，实验仪器中的热电偶一定要经过标定。

（2）该仪器适用性广，模具尺寸为标准试件尺寸，可用于各种建筑材料。可一次测两块试块，提高了试验效率，避免了传统稳态法周期较长的缺点。

（3）自主研发的发明专利平板导热仪，可得到导热系数与温度的函数关系。通过改变温度得到导热系数，提出基于稳态平板法测试墙体传热系数的试验方法。

（4）这种装配式预制混凝土夹心保温墙体传热系数测试的方法以及试验采用的仪器是可行的，验证了这种新型墙体传热系数测定的合理性和实用性。

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Steady-state Plate Instrument for Measuring Thermal Conductivity of Concrete

FANG Yihan， LIU Weidong
（School of Environment and Architecture， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

This paper introduces the research on the steady-state plate method for thermal conductivity measuring and the building of the instrument for measuring thermal conductivity of concrete. The innovations of this instrument consist in the use of the new insulation material EPDM to reduce the heat transfer of concrete and air， the standardization of the copper - constantan thermocouple to improve the shortcomings of thermal conductivity infuenced by the temperature of heat and environment， the measurement of two concrete blocks at a time to improve effciency to avoid the disadvantage of long time testing of the traditional steady-state method， and the flling of the concrete block with aluminum powder to evenly reduce heat transfer errors.

construction materials； research instrument； steady plate method； thermal conductivity

date：2016-06-06.Revised date： 2016-06-10.

TQ175.71

A

1006-2874（2016）04-0019-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2016.04.004

2016-06-06。

2016-06-10。

通信联系人：方乙涵，女，硕士。

Correspondent author：FANG Yihan， female， Master.

E-mail：531444234@qq.com