含濕多孔建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定-瞬態(tài)平面熱源法

3T/CECS×××××—20××含濕多孔建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定—瞬態(tài)平面熱源法本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用瞬態(tài)平面熱源法測試含濕多孔建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)原理及測試裝置、試驗(yàn)環(huán)境條件、試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理及誤差分析、以及試驗(yàn)報(bào)告。本標(biāo)準(zhǔn)適用于各向同性多孔建筑材料在含濕穩(wěn)定狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)測試，且建材試樣為塊狀樣品，試驗(yàn)溫度范圍為10℃~70℃,試驗(yàn)相對濕度范圍為0%~98%。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T32064建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)瞬態(tài)平面熱源測試法GB/T20313建筑材料及制品的濕熱性能含濕率的測定烘干法GB/T17370含濕建筑材料穩(wěn)態(tài)傳熱率的測定3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1多孔建筑材料porousbuildingmaterial由固體骨架及內(nèi)部孔隙共同組成的建筑材料，其孔隙尺寸遠(yuǎn)大于孔隙內(nèi)部流體分子的平均自由程，同時(shí)足夠小以使流體和固體界面上產(chǎn)生黏附力。3.2塊狀樣品bulkspecimens厚度大于10mm，至少有一面為平面的建筑材料。3.3導(dǎo)熱系數(shù)thermalconductivity在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為1K或1℃時(shí)，在1h內(nèi)通過1m2面積所傳遞的熱量。3.4質(zhì)量含濕率moisturecontentmassbymass可蒸發(fā)水的質(zhì)量與干燥材料的質(zhì)量之比。4試驗(yàn)原理及測試裝置4.1試驗(yàn)原理瞬態(tài)平面熱源法依據(jù)無限大介質(zhì)中平面的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理：在初始熱平衡狀態(tài)下，4T/CECS×××××—20××介質(zhì)受到平面熱源的瞬間加熱脈沖后在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)溫度場，利用熱傳導(dǎo)過程中產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)，擬合函數(shù)曲線，計(jì)算得出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。測試時(shí)，對熱源施加恒定直流電，熱源表面產(chǎn)生溫升，電阻增加，使電橋測試系統(tǒng)失衡產(chǎn)生電位變化量。通過電參數(shù)的變化量，得出溫度增值隨時(shí)間變化的函數(shù)。4.2導(dǎo)熱系數(shù)測試裝置測試裝置組成如圖1所示，主要包括主機(jī)、探頭、試樣架、樣品倉等。圖1導(dǎo)熱系數(shù)測試裝置示意圖說明：4.3游標(biāo)卡尺的分度值不應(yīng)低于0.02mm。4.4電子天平的分度值不應(yīng)高于0.01g，宜為0.001g。4.5溫度傳感器的分度值不應(yīng)低于0.5℃,濕度傳感器的分度值不應(yīng)低于3%。4.6烘干箱應(yīng)能滿足本標(biāo)準(zhǔn)第7.2.1條規(guī)定的溫度要求。4.7計(jì)時(shí)器的分度值不應(yīng)低于1s。5試驗(yàn)環(huán)境條件5.1試驗(yàn)環(huán)境溫度宜為10℃~30℃,環(huán)境相對濕度宜小于70%，風(fēng)速宜小于0.3m/s。5.2試驗(yàn)過程應(yīng)保持環(huán)境氣壓穩(wěn)定，并避免陽光直射。5T/CECS×××××—20××6試驗(yàn)樣品6.1取樣要求6.1.1裁切試樣應(yīng)選用同一批次材料，宜按材料的長、寬、高方向分別選取，并應(yīng)避免使用材料的邊緣部分。6.1.2制備試樣時(shí)不應(yīng)破壞材料原始結(jié)構(gòu)，試樣應(yīng)無缺棱掉角、裂紋、毛刺及油漬，不得進(jìn)行表面材質(zhì)改性和密度改性。6.2試樣數(shù)量試樣數(shù)量不應(yīng)少于6塊，且試樣數(shù)量應(yīng)為雙數(shù)。6.3表面平整度加工后的試樣各個(gè)表面應(yīng)平整，其不平度應(yīng)小于0.2%，且不大于0.3mm，以保證測試探頭與試樣及試樣的兩平面貼合良好。6.4尺寸要求6.4.1試樣應(yīng)為長方體塊狀樣品，最小邊長不應(yīng)小于材料最大粒徑或孔徑的100倍。6.4.2試樣底面積尺寸宜為100mm×100mm或100mm×50mm，厚度宜為20mm~30mm，且試樣尺寸應(yīng)相同。在某一設(shè)定濕度環(huán)境中，試樣達(dá)到濕穩(wěn)定的時(shí)間長短與試樣尺寸大小存在直接關(guān)系，在所選試樣尺寸能夠代表其材料特征的前提下，應(yīng)盡量減小試樣尺寸以縮短試驗(yàn)周期，但試樣測試面有效直徑不應(yīng)小于探頭直徑的2倍，厚度宜大于所選探頭直徑，不得小于探頭半徑。7試驗(yàn)步驟7.1試樣尺寸測量應(yīng)用游標(biāo)卡尺測量試樣的長、寬、高，在每個(gè)方向上各測量三個(gè)位置，以每個(gè)方向三次測量結(jié)果的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果。7.2試樣干燥7.2.1試樣干燥時(shí)應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20313中要求的干燥溫度將試樣烘干至恒重，干燥溫度應(yīng)符合下列規(guī)定：表1多孔建筑材料干燥溫度在稍高的溫度下可能失去結(jié)晶水或影響發(fā)泡劑6T/CECS×××××—20××7.2.2當(dāng)間隔24h連續(xù)3次測量，試樣質(zhì)量變化率小于0.1%，即可認(rèn)為達(dá)到恒重，并將3次測量結(jié)果取算術(shù)平均值，記錄試樣干燥后的初始質(zhì)量m0。對于試樣尺寸較大或濕氣擴(kuò)散很慢的材7.2.3試樣從干燥箱中取出、稱重的操作時(shí)間不應(yīng)超過30s。7.2.4為防止環(huán)境中的水蒸氣進(jìn)入干燥試樣，應(yīng)對干燥結(jié)束后的試樣表面進(jìn)行覆膜包裹，操作時(shí)間不應(yīng)超過30s，覆膜完成后將試樣放置于干燥器中，并冷卻至室溫。對于干燥溫度較高7.3試樣含濕狀態(tài)調(diào)節(jié)7.3.1調(diào)節(jié)并監(jiān)測溫濕度可控的環(huán)境或箱體內(nèi)的空氣達(dá)到目標(biāo)溫濕度值時(shí)，將干燥冷卻后的試樣去掉塑料薄膜后快速放入該環(huán)境或箱體中，每間隔24h連續(xù)3次測量，試樣質(zhì)量變化率小于0.1%時(shí)，則認(rèn)為試樣達(dá)到濕平衡狀態(tài)，并將3次測量結(jié)果取算術(shù)平均值，記錄該含濕狀態(tài)下的試樣質(zhì)量m1。7.3.2試樣取出、稱重的時(shí)間不應(yīng)超過30s。7.3.3當(dāng)環(huán)境或箱體溫度為23℃時(shí)，各相對濕度工況下建筑材料的濕平衡時(shí)間可參考表2。表223℃不同濕度工況下建筑材料建議濕平衡時(shí)間單位為d7777.3.4含濕狀態(tài)表示質(zhì)量含濕率u應(yīng)按式（1）計(jì)算：（1）式中：m1——某一含濕狀態(tài)下的試樣質(zhì)量，kg；m0——干燥狀態(tài)下的試樣質(zhì)量，kg。7T/CECS×××××—20××7.4試樣覆膜對達(dá)到濕平衡狀態(tài)的試件表面進(jìn)行覆膜，應(yīng)至少保證試樣的一個(gè)底面積覆膜平整且光滑，將其作為導(dǎo)熱系數(shù)待測面，覆膜時(shí)間應(yīng)不超過30s。7.5試樣安裝7.5.1將探頭放置于兩試樣的待測面之間，使試樣與探頭接觸并固定于樣品倉內(nèi)試樣架上；7.5.2當(dāng)試樣為硬質(zhì)材料（如：混凝土、泡沫板等）時(shí)，應(yīng)施加壓力保證兩試樣待測面與探頭緊密接觸；7.5.3當(dāng)試樣為軟質(zhì)材料（如：巖棉、玻璃棉等）時(shí)，安裝時(shí)施加的壓力不應(yīng)使樣品熱特性發(fā)生改變。7.6測試過程a）打開測試軟件，選取試樣類型，設(shè)定加熱功率和測試時(shí)間，開始測試；b）平衡電橋：測試系統(tǒng)電流不應(yīng)大于1mA，電橋平衡后電橋測試系統(tǒng)電壓讀數(shù)為零，測試過程中電位計(jì)滑動(dòng)觸點(diǎn)不應(yīng)調(diào)整。c）施加熱脈沖：根據(jù)測試總時(shí)間及輸出功率，對探頭施加恒定的直流電，在樣品內(nèi)產(chǎn)生熱脈沖。通過瞬態(tài)加熱時(shí)的電壓除以電橋系統(tǒng)總電阻（即Rs+RI+R0得到此時(shí)通過探頭的初始電流I0。d）采集不平衡電壓：在測試總時(shí)間內(nèi)，以不小于0.1s的時(shí)間間隔掃描并記錄不平衡電壓，即電位變化量?U，且采集次數(shù)應(yīng)大于100次；e）測試結(jié)果有效性驗(yàn)證：在初次試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)計(jì)算時(shí)間中的最大值tmax與探頭半徑r、熱擴(kuò)散系數(shù)a的關(guān)系和探測深度?pprob判斷測試結(jié)果有效性。計(jì)算時(shí)間中的最大值tmax與探頭半徑r及熱擴(kuò)散系數(shù)a的關(guān)系應(yīng)滿足0.33≤atmax/r2≤1.0；?pprob應(yīng)始終小于探頭表面到試樣邊界上任意一點(diǎn)的最小距離。否則應(yīng)調(diào)整測試總時(shí)間或輸出功率，重新試驗(yàn)。f）當(dāng)測試結(jié)果滿足有效性驗(yàn)證的要求時(shí)，設(shè)定計(jì)劃程序測定試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，測試結(jié)果數(shù)據(jù)滿足實(shí)驗(yàn)要求時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。8T/CECS×××××—20××7.7重復(fù)性測試相同試驗(yàn)條件下應(yīng)至少測量3次，每次間隔時(shí)間應(yīng)不少于5min，應(yīng)測試不少于三組試件，記錄全部測試結(jié)果。8數(shù)據(jù)處理及誤差分析8.1數(shù)據(jù)處理將試驗(yàn)步驟7.7中所記錄的測試結(jié)果取算數(shù)平均值，且小數(shù)點(diǎn)后保留3位有效數(shù)字，即為該試樣在對應(yīng)質(zhì)量含濕率u下所測得的導(dǎo)熱系數(shù)最終值。8.2誤差分析測試誤差應(yīng)符合附錄B的規(guī)定。9試驗(yàn)報(bào)告9.1試驗(yàn)報(bào)告的產(chǎn)品信息應(yīng)包括下列內(nèi)容：a）產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品批號(hào)、規(guī)格型號(hào)；b）生產(chǎn)企業(yè)、委托單位及其它相關(guān)委托信息；c）其它信息，如樣品的標(biāo)稱厚度或標(biāo)稱干密度等。9.2試驗(yàn)報(bào)告的儀器信息應(yīng)包括名稱、型號(hào)、探頭型號(hào)、測試精度等。9.3試驗(yàn)報(bào)告的基本信息應(yīng)包括報(bào)告編號(hào)、測試依據(jù)、測試期間的溫度、濕度及大氣壓等環(huán)境參數(shù)。9.4試驗(yàn)報(bào)告的結(jié)果信息應(yīng)包括下列內(nèi)容：a）測試結(jié)果—不同含濕狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)；b）批準(zhǔn)人員、審核人員、測試人員；c）測試日期；d）測試單位信息。9T/CECS×××××—20××（規(guī)范性附錄）電橋測試系統(tǒng)與導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算A.1電橋測試系統(tǒng)電橋測試系統(tǒng)見圖A.1，電源應(yīng)在0V~20V內(nèi)調(diào)節(jié)，最大電流不超過1A。探頭及其引線與電阻Rs相串聯(lián)，其中Rs電阻值與探頭及其引線的初始電阻值（Ro+RL）相近，且在測試過程中保持不變；電阻精確度應(yīng)達(dá)到1×10-6Ω。數(shù)字電壓表接于兩元件之間，且電阻應(yīng)大于探頭電阻與Rs電阻值之和的100倍，分辨率應(yīng)達(dá)到6.5數(shù)位，是電源周期變化的整數(shù)倍。圖A.1電橋測試系統(tǒng)A.2溫度增值的計(jì)算探頭電阻與溫度增值存在式（2）關(guān)系：根據(jù)圖A.1電橋測試系統(tǒng)圖得出電阻與電壓比例關(guān)系見式（3溫度增值ΔT(t)應(yīng)按式（4）計(jì)算：R(t)—探頭在t時(shí)刻的電阻值，Ω;R0—探頭初始電阻值，Ω;T/CECS×××××—20××a—探頭電阻率的溫度系數(shù)，1/K；ΔT(t)—溫度增值，K；I0—瞬態(tài)加熱初始時(shí)通過探頭的電流，A；Rs—串聯(lián)電阻器電阻值，Ω;RL—探頭引線電阻值，Ω;ΔU(t)—電位在t時(shí)刻的變化量，V。注：溫度增值ΔT(t)由兩部分相加構(gòu)成，一部分為探頭絕緣層溫度增值ΔTi(t)，另一部分為測試過程中樣品表面溫度增值ΔTs(t)。對于塊狀樣品測試時(shí)ΔTs(t)約等于ΔT(t)。A.3導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算塊狀樣品的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)按式（5）確定：（5）τ應(yīng)按式（6）計(jì)算：（6）D(τ)應(yīng)按式（7）計(jì)算：l2exp（7）式（5）~式（7）中：ΔTs(τ)—測試過程中樣品表面溫度增值隨τ變化的函數(shù)，K；P0—探頭的輸出功率，W；r—探頭雙螺旋結(jié)構(gòu)最外層半徑，mm；λ—樣品導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；D(τ)—無量綱的特征時(shí)間函數(shù)；t—測試時(shí)刻，s；c—校正時(shí)間，s；a—樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s；T/CECS×××××—20××m—探頭雙螺旋結(jié)構(gòu)的總環(huán)數(shù)；σ—無量綱的特征時(shí)間函數(shù)的積分變量；1、l2—不大于雙螺旋結(jié)構(gòu)總環(huán)數(shù)的求和變量；J0—零階修正貝塞爾函數(shù)。T/CECS×××××—20××（規(guī)范性附錄）測試誤差B.1精度B.1.1在室溫或接近室溫條件下含濕多孔建筑材料常規(guī)測試中，導(dǎo)熱系數(shù)的測試誤差為2%~5%。B.1.2測試誤差的確定條件：a)探頭絕緣層的厚度7μm~40μm；b)探頭半徑2mm~30mm；c)不同測試總時(shí)間1s~1000s下的數(shù)據(jù)采集頻次。B.1.3不確定度的計(jì)算根據(jù)實(shí)驗(yàn)中試件尺寸測量使用的游標(biāo)卡尺最小刻度δ1，與試件尺寸的最大值δ2，可以確定試件尺寸測量中的最大不確定度為（%）。根據(jù)所使用儀器的設(shè)備廠家給出的儀器不確定度K（%一般取2綜合試件尺寸測試不確定度得到導(dǎo)熱系數(shù)測試最大不確定度為：B.1.4誤差分析的過程未包含以下實(shí)際試驗(yàn)中可能存在的初始或邊界條件：a)雙螺旋結(jié)構(gòu)探頭圈數(shù)不少于10個(gè)，否則應(yīng)采用外部等效線源進(jìn)行校準(zhǔn)。b)探頭的比熱容可通過探頭尺寸和雙螺旋薄片的厚度(10μm)和兩層絕緣層的厚度(7μm~100μm)進(jìn)行估算。例如，1個(gè)半徑6mm的探頭，在測試時(shí)間為10s，平均溫升為2K時(shí)，由探頭比熱容產(chǎn)生的輸出功率損失約為1mW。c)對于典型探頭，沿雙螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的熱損失低于1mW。d)測量薄片樣品時(shí)，需估算兩樣品背面及周邊絕