混凝土导热系数的试验方法及应用

目前国内和国际上采用的导热系数测试方法主要有两大类：稳态法和非稳态法。稳态法主要有热流计法（ISO 8301/GBT 10295）［4，5］、防护热板法（ISO 8302/GB 10294）［6，7］，非稳态法主要有热线法（ISO 8894/GBT 10297）［8，9］。

稳态法是指在待测试样上的温度分布达到稳定后才进行测量。当试样达到热平衡以后，借助测量试样每单位面积的热流速率和温度梯度，就可以测定试样的导热系数，其出发点是稳态导热微分方程。该方法原理简单，计算方便，较成熟也易实现，可得到准确的结果，但试验时间长，需要测量多点温度，对测量装置要求高。

非稳态法是指在测量过程中，试样内的温度分布是随时间变化的非稳态温度场，其分析的出发点是非稳态微分方程，借助测试温度变化的速率，测定出试样的热扩散率，从而推导出材料的导热系数。非稳态法以其快速准确的特点近年来发展很快，具有温度范围和量程广、精确度高、样品制备简单等优点。

（1）热流计法。

热流计法是基于傅里叶定律的一种间接或相对的方法，由测试试件的热阻和标准试件热阻比值而得。其测量原理是当热板和冷板在恒定温度和恒定温差的稳定状态下，热流计装置在热流计中心测量区域和试件中心区域建立类似于无限大平板中存在的单向一维稳定热流，该热流穿过一个热流计的测量区域及一个试件的中心区域。假定在测量区域具有稳定的热流密度，并有稳定的温差ΔT和平均温度，用标准试件测得的热流量为Φs，由被测试件测得的热流量为Φu，则标准试件热阻Rs（标准试件的热阻需要通过防护热板法测试得到）和被测试件热阻Ru的比值为：

又因

从而得到被测试件的导热系数：

图3.1所示JW-3型热流计式导热系数试验机，通过测试得到通过热流计（面积为A）的热流密度、温差、试件厚度后，求得材料的导热系数。

值得注意的是，如果在试件和热流计的整个区域内无法获得理想的单向热流密度，就必须注意试件和热流计的边缘热损失问题。此外，由于热流计与试件是接触性测试，应尽量避免试件与热流计间的微小不均匀造成的接触热阻的不均匀分布。

（2）防护热板法。(www.xing528.com)

防护热板法是一种常用的材料导热系数的测试方法，目前主要采用双试样防护热板法，测试精度较高。

图3.2所示DRP-4型导热系数测定仪，是按照GB 10294—1988标准设计的，其测量原理建立在傅立叶定律的基础上。假设稳态条件下防护热板装置的中心计量区域内，在具有平行表面的均匀板状试件中建立类似于两个平行均温平板为界的无限大平板，存在一维恒定热流。为保证中心计量单元建立一维热流和准确测量热流密度，加热单元应分为在中心的计量单元和由隔缝分开的环绕计量单元的防护单元。并且需有足够的边缘绝热或外防护套，特别是在远高于或低于室温下运行的装置，必须设置外防护套。

通过测定稳定状态下流过计量单元的一维稳定热流量Φ、计量单元的面积A（试件受热面积）、试件冷热表面温差ΔT，可计算出材料的导热系数。

（3）热线法。

图3.1　热流计法装置
Fig.3.1　Heat flow meter apparatus

图3.2　防护热板法装置
Fig.3.2　Guarded hot plate apparatus

应注意，防护热板法仅适用于干燥试件。

热线法是非稳态法的一种。热线法的原理是在匀温的试样中放置一根电阻丝，当电阻丝以恒定功率放热时，电阻丝和其附近试样的温度就会随时间升高，根据其温度随时间变化关系，按式（3.5）求出其导热系数：

式中：P为热线AB段的加热功率；L为热线AB段的长度；A为ln t-θ曲线线性区域的斜率；t为时间；θ为温升。

目前，国内各研究和检测机构对于墙体传热系数的研究和检测，通常是在自然条件下或是实验室条件下，采用热流计法、防护热板法或现场热流计法等稳态方法［5，10］。为使本研究中混凝土的导热系数试验与工程实践紧密结合，并考虑试验室实际条件，采用热流计法作为混凝土导热系数的试验方法。