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材料和方法
復(fù)合砂混凝土砌塊的制備
在本研究中，按照表2所示的不同比例（按重量計(jì)）制備了由混有處理過(guò)的棕櫚纖維和鋸末的砂礫巖組成的新型復(fù)合材料。原始鋸末和棕櫚纖維材料（如圖2，a和b所示）最初用毒死蜱（CPS）溶液處理，以殺死任何潛在的隱藏昆蟲(chóng)/害蟲(chóng)。CPS是一種有機(jī)磷農(nóng)藥[34]，對(duì)植物基材料的化學(xué)成分或機(jī)械性能沒(méi)有影響[35]。當(dāng)用于處理木材、建筑材料和結(jié)構(gòu)時(shí)，它也沒(méi)有化學(xué)粘合性能[36]。在本研究中，使用氯化石蠟（50%液體濃縮物）的處理過(guò)程是在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行的，以1%氯化石蠟與99%水的體積比例將其與水混合[36]。此后，將處理過(guò)的鋸末和棕櫚纖維材料在露天陽(yáng)光下干燥3天，然后與砂混凝土砂漿混合，以獲得生物基復(fù)合材料。對(duì)于鋸末，使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械篩測(cè)量0.5至1.4 mm之間的顆粒直徑，而對(duì)于棕櫚纖維，使用數(shù)字游標(biāo)卡尺測(cè)量0.4至0.8 mm的直徑。
表2.制備復(fù)合砂混凝土砌塊的成分。
砂質(zhì)混凝土和處理過(guò)的鋸屑樣品復(fù)合材料砂質(zhì)混凝土與處理過(guò)的棕櫚纖維樣品復(fù)合材料
S0 100%砂凝土，0%鋸末，P0 100%砂凝土，0%棕櫚纖維
S10 90%砂凝土，10%鋸屑，P10 90%砂質(zhì)混凝土，10%棕櫚纖維
S20 80%砂凝土，20%鋸屑，P20 80%砂質(zhì)混凝土，20%棕櫚纖維
S30 70%砂凝土，30%鋸屑P30 70%砂質(zhì)混凝土，30%棕櫚纖維
S40 60%砂質(zhì)混凝土，40%鋸屑P40 60%砂土混凝土，40%棕櫚纖維
圖2
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圖2.復(fù)合材料制備：（a）處理過(guò)的棕櫚纖維，（b）鋸末，（c）砂混凝土（砂水泥混合物）和（d）不同養(yǎng)護(hù)日的砂混凝土生物基復(fù)合塊。
使用克努斯特土木工程實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)模具，根據(jù)加納使用的450 mm x 125 mm x 225 mm的標(biāo)準(zhǔn)砌塊尺寸，模制沙礫巖生物基復(fù)合材料，以形成不同的砌塊樣品（圖2d）。然后將砌塊固化28天，然后確定其熱機(jī)械性能（熱導(dǎo)率、抗壓強(qiáng)度和密度）。
熱機(jī)械性能的測(cè)定
熱導(dǎo)率
使用TPS 2500S熱盤(pán)熱常數(shù)分析儀（HDTCA），采用平板法測(cè)定了含有處理過(guò)的棕櫚纖維和鋸末的不同塊體砂混凝土樣品的熱導(dǎo)率（k）。HDTCA溫度傳感器的精度為±0.01 攝氏度，導(dǎo)熱系數(shù)再現(xiàn)性為±2.0%。如圖3所示制作盤(pán)形塊樣品/元件，并在熱盤(pán)熱常數(shù)分析儀（圖4）中進(jìn)行測(cè)試，以確定熱導(dǎo)率。在測(cè)量熱導(dǎo)率值之前，根據(jù)ANSI/NCSL Z540.1（R2002）校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器。
圖3
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圖3.確定“k”值的圓盤(pán)形塊元件。
圖4
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圖4.使用HDTCA測(cè)量熱導(dǎo)率的設(shè)置。
在使用HDTCA測(cè)定樣品的熱導(dǎo)率值時(shí)，確保了樣品厚度（t）與傳感器半徑（r）之比的要求，從而：。通過(guò)熱盤(pán)裝置使盤(pán)形塊樣品經(jīng)受熱流（Q）和溫差(∆T） 在穩(wěn)態(tài)條件下測(cè)量整個(gè)表面。然后使用傅立葉一維熱方程確定導(dǎo)熱率值，如下所示：
(1)
哪里A是圓盤(pán)形塊體元件的表面積，t是厚度，Δt是被測(cè)塊體元件表面溫度的差值。對(duì)每種元素進(jìn)行了五次試驗(yàn)，并計(jì)算了平均熱導(dǎo)率值。
抗壓強(qiáng)度
還使用Avery試驗(yàn)機(jī)（ATM）測(cè)定了砂質(zhì)混凝土生物基復(fù)合塊的每個(gè)樣品的抗壓強(qiáng)度。圖5示出了安裝在ATM中的實(shí)心塊的示例。ATM的準(zhǔn)確度為±1.5%。
圖5
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圖5.抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)裝置。
使用等式（2）計(jì)算復(fù)合塊的抗壓強(qiáng)度（Cs）。
(2)
式中，F(xiàn)c是施加的導(dǎo)致砌塊破碎的極限荷載，A是垂直于荷載的橫截面積。
塊體傳熱實(shí)驗(yàn)
為了確定通過(guò)控制塊樣品（100%砂混凝土）以及含處理鋸屑和棕櫚纖維的砂混凝土復(fù)合塊的熱傳遞，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以測(cè)量通過(guò)它們的單位面積熱傳遞率。圖6顯示了實(shí)驗(yàn)裝置。FluxDAQ儀器，用于測(cè)量和記錄溫度以W/m2計(jì)）。在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，使用電阻表面加熱器在塊表面（外表面）的一側(cè)加熱。然后，在穩(wěn)態(tài)條件下，針對(duì)施加的每個(gè)熱流測(cè)量塊樣品的表面溫度。在實(shí)驗(yàn)中，確保了砌塊外表面溫度不超過(guò)50°C，以模擬Zempare等人[37]工作中報(bào)告的建筑表面溫度的實(shí)際情況。
圖6
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圖6.用于壁傳熱分析的實(shí)驗(yàn)裝置。
熱通量和表面溫度數(shù)據(jù)通過(guò)FluxDAQ儀器記錄在計(jì)算機(jī)上。溫度和熱流傳感器的精度分別為±0.75%和0.02 W/m2。
復(fù)合墻體系統(tǒng)的熱模擬
為了估算辦公室空間冷卻所需的墻體傳熱負(fù)荷，使用熱阻電路計(jì)算了整體傳熱系數(shù)（U）（圖7），該辦公室由不同的砌塊樣品和水泥砂漿（k=0.72 kW/m°C）在砌塊兩側(cè)建造。復(fù)合墻的每一層（包括外部水泥砂漿、中間砌塊和內(nèi)部水泥砂漿）用熱阻表示。
圖7
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圖7.墻壁的熱阻電路。
三個(gè)串聯(lián)熱阻的總熱阻計(jì)算如下：
(3)
其中Rpo、Rb和Rpi分別為外部石膏、砌塊和內(nèi)部石膏的熱阻。內(nèi)水泥砂漿和外水泥砂漿通常具有相同的材料和厚度，其中kp和kb分別為水泥砂漿和砌塊的熱導(dǎo)率，Δxp和Δxb分別為水泥抹灰和砌塊的厚度。
壁熱流可以用總傳熱系數(shù)（U）表示為：
(4)
在哪里和
利用通過(guò)砌塊墻的整體熱傳遞信息，對(duì)位于加納庫(kù)馬西市的標(biāo)準(zhǔn)辦公室的空間冷卻潛在節(jié)電進(jìn)行了分析。辦公室墻壁的特性和安裝在辦公室中的空調(diào)的能效等級(jí)（EER）見(jiàn)表3。Kumasi的月平均相對(duì)濕度（RH）和干球溫度（Tdb）也見(jiàn)表[6]。
表3.庫(kù)馬西市標(biāo)準(zhǔn)辦公室的墻壁特征和氣候數(shù)據(jù)。
月相對(duì)濕度（%）Tdb（°C）的壁特性
總墻面面積66平方米，2007年1月70.2日至27.8日
砌塊墻面：49.5 m2，F(xiàn)eb 66.0 29.5
12 mm厚砌塊上的水泥抹面，Mar 70.3 29.0
k=0.72瓦/米k四月75.0 28.9
五月78.0至28.0
125 mm厚砂混凝土砌塊的控制，Jun 80.1 26.5
k=1.34瓦/米，k-Jul 82.1 25.9
八月84.0 25.0
125 mm厚的復(fù)合砂混凝土砌塊，Sep 81.2 26.1
在Oct 78.5和27.0中改變“k”值
安裝在辦公室的空調(diào)用于空間冷卻，EER=3.15，耗電2600 kWh/年，11月76.1 28.1
12月70.3日至27.5日
年度76.0 27.4
統(tǒng)計(jì)分析
測(cè)量了不同樣品的三種主要熱機(jī)械性能，包括熱導(dǎo)率（k）、抗壓強(qiáng)度（Cs）和密度（ρ）。在熱機(jī)械性能測(cè)量中，每個(gè)材料樣品重復(fù)5次實(shí)驗(yàn)。然后使用等式計(jì)算與測(cè)量相關(guān)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。（5） 以及6[38]，在95%置信水平下。
(5)
(6)
其中，Xi是第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，是平均值，N是數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，t取決于N和置信水平（在本例中為95%）。從統(tǒng)計(jì)表[39]中使用了t=2.57的值。以下各節(jié)介紹了通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析不同生物基復(fù)合材料塊的節(jié)能潛力獲得的結(jié)果。
結(jié)果和討論
熱機(jī)械性能
不同復(fù)合材料的計(jì)算平均值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差如表4所示。
表4.復(fù)合材料的熱機(jī)械性能。
樣品組成k（W/m，k）CS（MPa）ρm（kg/m3）
S0 100%砂質(zhì)混凝土，0%鋸屑1.34±0.014 4.196±0.016 2053.71
S10 90%砂凝土，10%鋸末0.98±0.016 4.160±0.018 2002.74
S20 80%的砂礫巖，20%的鋸屑0.95±0.016 2.489±0.019 1840.44
S30為70%的砂質(zhì)混凝土，30%的鋸屑為0.56±0.018和1.244±0.014和1753.55
S40 60%的砂凝土，40%的鋸屑0.37±0.021 1 1.156±0.020 1721.96
P0:100%砂礫巖，0%棕櫚纖維1.34±0.014.196±0.016 2053.71
P10 90%砂質(zhì)混凝土，10%棕櫚纖維1.03±0.015 4.569±0.017 1990.52
P20 80%砂礫巖，20%棕櫚纖維0.97±0.016 4.089±0.017 1943.13
P30 70%砂礫巖，30%棕櫚纖維0.83±0.017 3.911±0.01488.84
P40 60%的砂礫巖，40%的棕櫚纖維0.45±0.019 2.382±0.014824.64
從表4可以看出P40 60%的砂礫巖，40%的棕櫚纖維0.45±0.019 2.382±0.014824.64
從表4中可以看出，由于密度在1700至2400 kg/m3之間，所有生產(chǎn)的砌塊均歸類(lèi)為致密骨料砌塊[27]。為了比較不同復(fù)合砌塊的導(dǎo)熱率和抗壓強(qiáng)度與其密度，繪制了數(shù)值，并在圖8中顯示。
圖8
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圖8.復(fù)合塊的熱導(dǎo)率和抗壓強(qiáng)度。
從圖8中可以看出，對(duì)于含鋸末和棕櫚纖維的砂礫巖復(fù)合塊，熱導(dǎo)率和抗壓強(qiáng)度通常隨著植物基材料百分比的增加而降低。發(fā)現(xiàn)沙礫巖-鋸末復(fù)合材料的熱導(dǎo)率值低于沙礫巖棕櫚纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱率值。在這項(xiàng)工作中獲得的復(fù)合塊的熱導(dǎo)率值與值（k=0.44−[29,40,41]的工作中報(bào)告了1.02 W/m K）。
就抗壓強(qiáng)度而言，與砂質(zhì)混凝土鋸末復(fù)合材料相比，砂質(zhì)混凝土棕櫚纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出相對(duì)較高的值。根據(jù)文獻(xiàn)和建筑規(guī)范，用作建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料的最小抗壓強(qiáng)度應(yīng)為3.0 MPa[26]。使用該最小抗壓強(qiáng)度（Cs≥ 3.0 MPa）作為標(biāo)準(zhǔn)，并與圖8的結(jié)果進(jìn)行比較，出現(xiàn)了以下情況（具有條件）：
1.
抗壓強(qiáng)度（Cs）≥ 3.0兆帕{90% 砂礫巖， 10% 鋸末 （S10）
2.
抗壓強(qiáng)度（Cs）≥ 3.0MPa
結(jié)果表明，對(duì)于砂礫巖-鋸末復(fù)合材料，只有樣品（S10）符合（Cs）的抗壓強(qiáng)度要求≥ 3.0 MPa，熱導(dǎo)率為0.98 W/m K。對(duì)于砂質(zhì)混凝土-棕櫚纖維復(fù)合材料，復(fù)合樣品（P10）、（P20）和（P30）滿足（Cs）的抗壓強(qiáng)度要求≥ 相應(yīng)的熱導(dǎo)率值分別為1.03 W/m K、0.97 W/m m K和0.83 W/m K。比較滿足抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)（Cs）的復(fù)合塊的這些熱導(dǎo)率值≥ 3.0 MPa），確定復(fù)合塊體樣品P30的熱導(dǎo)率值最大降低38.1%。
抗壓強(qiáng)度隨密度的變化
如圖9所示，用密度繪制復(fù)合塊體的抗壓強(qiáng)度。
圖9
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圖9.抗壓強(qiáng)度與密度的關(guān)系。
從圖9的結(jié)果可以看出，砂質(zhì)混凝土棕櫚纖維復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度通常高于砂質(zhì)混凝土鋸末復(fù)合材料。鋸屑-棕櫚纖維復(fù)合材料的較高抗壓強(qiáng)度可歸因于棕櫚纖維的形態(tài)排列，棕櫚纖維呈圓柱形且不規(guī)則，具有許多細(xì)絲和細(xì)胞，使纖維與砂凝土基質(zhì)之間具有良好的粘合性[42]。
導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的變化
還針對(duì)不同樣品的密度繪制了熱導(dǎo)率值，如圖10所示。
圖10
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圖10.熱導(dǎo)率與密度的關(guān)系。
從熱導(dǎo)率與密度的關(guān)系結(jié)果可以看出，通常情況下，密度的變化會(huì)導(dǎo)致熱導(dǎo)率沿同一方向變化。這意味著，隨著復(fù)合材料密度的降低，導(dǎo)熱系數(shù)也降低。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和密度之間存在很強(qiáng)的關(guān)系（棕櫚纖維和鋸末復(fù)合材料的R2分別為0.95和0.86）。這一結(jié)果與Riaz等人[29]的研究結(jié)果一致，后者強(qiáng)調(diào)了熱導(dǎo)率對(duì)密度的強(qiáng)烈依賴(lài)性。從最佳擬合線推斷，可以觀察到熱導(dǎo)率與密度（ρ）的關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式如下：
(7)
式中：ks和kp分別表示鋸屑和棕櫚纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。通過(guò)測(cè)試與文獻(xiàn)[33、[43]、[44]、[45]中報(bào)道的植物基復(fù)合建筑材料的其他熱導(dǎo)率值的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性（等式（7））能夠在18%的裕度內(nèi)估計(jì)其值。這意味著等式（7）可用于估算18%不確定度范圍內(nèi)的植物基復(fù)合建筑材料的熱導(dǎo)率。
傳熱分析
對(duì)生物基砂混凝土復(fù)合塊和對(duì)照樣品（100%砂混凝土）進(jìn)行傳熱分析。使用為每個(gè)樣品獲得的熱導(dǎo)率值（k）來(lái)評(píng)估b的每單位表面積的傳熱速率 |
