聚合物保温砂浆导热性能的超声波检测技术研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.79MB 59 页 15积分

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摘要

本文简述了墙体材料节能体系对建筑节能减排的重要意义，探讨了固体材料

的热传导性能，概述了固体材料导热系数的常规检测方法，讨论了超声波检测技

术在土木工程中的应用现状，分析了聚合物保温砂浆的相关性能机理。针对保温

材料力学性能和导热系数检测的研究现状，提出了用聚合物保温砂浆作为研究对

象，采用超声波法检测聚合物保温砂浆的力学性能与导热性能。

本文首先依据相关试验研究，制备了以丙烯酸共聚乳液为添加剂，水泥为胶

凝材料，闭孔珍珠岩为细骨料的聚合物保温砂浆试件，测得了试件的各项物理性

能参数。继而分别采用平板导热法和超声波检测法，测出聚合物保温砂浆的导热

系数和超声参量（声速和声阻抗）。再采用数理统计方法，分别建立了聚合物保

温砂浆的密度—抗压强度回归预测模型，密度—导热系数回归预测模型，超声参

量—抗压强度回归预测模型，超声参量—导热系数回归预测模型。

研究表明，聚合物保温砂浆的超声参量与抗压强度、导热系数均存在规律性

定量关系，超声参量—抗压强度回归预测模型、超声参量—导热系数回归预测模

型均具有实际预测功能，可为聚合物保温砂浆的实际检测工程提供数学依据。

最后本文在以上所述的研究基础上，通过 BP 神经网络技术建立了具有更高预

测精度的导热系数和超声波速之间的神经网络模型。分析本文建立的 BP 网络模型

的泛化功能和误差曲线，表明该 BP 网络模型具有较好的预测功能，得出传统的回

归分析方法与基于神经网络回归分析方法能够互补，可应用于实验数据的处理和

实际问题的分析与研究中。

关键词：聚合物保温砂浆超声波检测导热性能回归预测模型

BP 网络

ABSTRACT

In this paper, the particularly significant of the wall material energy-saving system

in the energy saving and emission reduction is introduced, and the thermal conductivity

of solid material is conducted, and general detection methods for the thermal

conductivity are summarized, and the application of ultrasonic testing for civil

engineering is discussed, and properties of polymer-modified thermal insulation mortar

are analyzed. Based on the research progress of thermal insulation mortar, the

mechanical properties and thermal conductivity of the mortal is analyzed with

Ultrasonic testing method.

Firstly, according to the testing codes, the thermal insulation polymer mortar is

prepared by adopting perlite or vermiculite as aggregate and cement as cementitious

materials and polymer as additive, and it’s physical properties are tested. Then,

ultrasonic testing method and plate heat conduction method are adopted separately to

measure the ultrasonic parameters and thermal conductivity of polymer-modified

thermal insulation mortar, and some functional relationships between physical

properties and thermal conductivity of polymer-modified thermal insulation mortar are

derived.

It is shows that the functional relationships between ultrasound parameter and

compressive strength, ultrasound parameter and thermal conductivity are regular

quantify, which proves the functional relationships have practical prediction function

and can be referenced in practical project.

Finally a neural network model with higher prediction accuracy between thermal

conductivity and ultrasonic velocity of the thermal insulation polymer mortar is

established by BP neural network. With analyzing the generalization ability and error

curve of the neural network, it is shows that the BP network model between thermal

conductivity and ultrasonic velocity has better prediction function, it is concluded that

the traditional regression analysis and regression analysis method based on BP neural

network can be applied to the experiment data processing and analyze practical

problems complementary.

Key Words: Thermal insulation polymer mortar, Ultrasonic testing,

Thermal conductivity, Functional relationship, BP neural network

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 研究背景 ...........................................................................................................1

§1.2 研究现状 .......................................................................................................... 2

§1.2.1 固体材料的导热性能 .............................................................................2

§1.2.2 常规导热系数评定方法与局限性 .........................................................2

§1.3 超声波在土木工程中的应用 ...........................................................................4

§1.4 聚合物保温砂浆的性能 ...................................................................................5

§1.5 可行性论证及研究设想 ...................................................................................6

§1.5.1 课题的可行性论证 .................................................................................6

§1.5.2 研究设想 .................................................................................................7

§1.6 选题依据及研究内容 .......................................................................................7

§1.6.1 选题依据 .................................................................................................7

§1.6.2 研究内容 .................................................................................................8

第二章试验材料和试验方法 .......................................................................................9

§2.1 引言 ...................................................................................................................9

§2.2 试验用原材料 ...................................................................................................9

§2.3 试件的制作 .....................................................................................................10

§2.3.1 试件大小的确定 ...................................................................................10

§2.3.2 试件的制作与养护 ...............................................................................11

§2.4 试验用仪器设备 .............................................................................................12

§2.5 试验方法 .........................................................................................................12

§2.5.1 密度检测方法 .......................................................................................12

§2.5.2 聚合物保温砂浆立方体抗压强度试验 ...............................................13

§2.5.3 导热系数检测方法 ...............................................................................13

§2.5.4 超声检测技术 .......................................................................................15

第三章超声波检测聚合物保温砂浆强度的应用研究 .............................................18

§3.1 引言 .................................................................................................................18

§3.2 数学分析方法 .................................................................................................18

§3.3 预测模型的建立与分析 .................................................................................19

§3.3.1 密度—抗压强度预测模型关系评价 ...................................................19

§3.3.2 声速—抗压强度预测模型关系评价 ...................................................21

§3.3.3 声阻抗—抗压强度预测模型关系评价 ...............................................21

§3.4 比较分析回归预测模型 .................................................................................22

§3.5 本章小结 .........................................................................................................23

第四章基于超声波传播规律的聚合物保温砂浆导热系数测试技术研究 .............25

§4.1 引言 .................................................................................................................25

§4.2 热的传导机制 .................................................................................................26

§4.2.1 傅里叶定律 ...........................................................................................26

§4.2.2 聚合物保温砂浆层的一维稳态传导问题 ...........................................26

§4.2.3 聚合物保温砂浆层导热系数关系式的建立 .......................................27

§4.2.4 多孔型材料热传导的物理机制 ...........................................................28

§4.3 预测模型的建立与分析 .................................................................................30

§4.3.1 密度—导热系数预测模型关系评价 ...................................................30

§4.3.2 声速—导热系数预测模型关系评价 ...................................................31

§4.3.3 声阻抗—导热系数预测模型关系评价 ...............................................32

§4.4 比较回归预测模型与结果分析 .....................................................................33

§4.4.1 回归模型的比较 ...................................................................................33

§4.4.2 结果分析 ...............................................................................................33

§4.4.3 导热系数的经验公式 ...........................................................................35

§4.5 本章小结 .........................................................................................................36

第五章基于神经网络的聚合物保温砂浆导热性能的研究 .....................................38

§5.1 引言 .................................................................................................................38

§5.2 BP 神经网络原理 ............................................................................................38

§5.3 神经网络模型的建立 .....................................................................................39

§5.3.1 隐含层节点数的确定及相关数据的处理 ...........................................39

§5.3.2 BP 网络结构的确定 ..............................................................................40

§5.3.3 网络结构相关函数的选择 ...................................................................41

§5.4 网络应用与结果分析 .....................................................................................42

§5.4.1 数据处理与汇总 ...................................................................................42

§5.4.2 网络训练与结果分析 ...........................................................................43

§5.5 本章小结 .........................................................................................................45

第六章结论与展望 .....................................................................................................46

§6.1 结论 .................................................................................................................46

§6.2 展望 .................................................................................................................47

附录 1 ..............................................................................................................................49

参考文献 .........................................................................................................................51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................55

致谢 .............................................................................................................................56

第一章绪论

§1.1 研究背景

人类社会不断发展，能源的耗散日益增加，不利于生活环境的优化与生存资

源的有效利用。有关学者认为低碳经济是指在不影响经济和社会发展的前提下，

通过技术创新和制度创新，尽可能最大限度地减少温室气体排放，从而减缓全球

气候变化实现经济和社会的清洁发展和可持续发展[1,2]。

目前，建筑相关能耗（包括建筑能耗、生活能耗、采暖空调能耗）已超过工

业能耗，业已成为社会第一能耗大户，占社会总能耗的 46.7%[3]，建筑能耗占如

此大比重，将制约社会生存环境的可持续发展。其中建筑围护结构的传热耗热量

占建筑物总能耗热量的 71%~77%，而在围护结构的传热耗热量中，外墙传热耗热

量所占比较大，约为 30%~45% [4]，可见作为建筑物室内外的一个热交换通道，减

少围护墙体内外侧的传热量，可以大大减少建筑物的耗能量，降低围护结构的传

热数值，改善建筑物围护结构的热工性能，是建筑物实现低碳化的一个必要手段，

开发采用高效保温隔热围护结构，是我国一个无可争议的最大的建筑节能渠道[4]。

墙体热工性能，除了受墙体自身构造措施影响外，还与墙体材料的导热性能

相关。建筑物要实现低碳目标，建筑材料本身也应能实现低碳化。砂浆是建筑物

不可或缺的一种墙体材料，其导热性能的优劣对外墙体的热工性能有着重要影响。

建筑砂浆按用途可分为砌筑砂浆、防水砂浆、装饰砂浆、抹面砂浆和保温砂

浆等[5]。建筑砂浆的基本组成成份为凝胶材料、细骨料和水，这些组成成份配比

比例不一样，砂浆的性能和用途就会有所改变。

随着建筑行业的发展以及材料技术的进步，砂浆的种类日益繁多，聚合物保

温砂浆成为建筑物围护结构保温系统的一种核心技术材料，具有很好的保温隔热

性质。随着低碳建筑思想的深入推行，聚合物保温砂浆在建筑工程中将受到更多

的应用，因此聚合物保温砂浆的相关物理性能是目前亟待探讨研究的议题。由于

导热性能的优劣是考察聚合物保温砂浆可否达到节能水平的重要依据，因此导热

性能是聚合物保温砂浆的主要研究议题。

在微观层面，可以借助相关现有成熟的理论研究墙体材料的导热性能，而在

宏观层面，需要采用相关检测技术去评价墙体材料的导热性能。不同的检测技术

手段，有着不同的检测效率与准确性，将对课题的研究产生影响。检测手段如果

效率低下且准确性不高，就应该在研究的开始阶段给予避免或仅作参考。技术革

新将推动材料研究的进展，良好的检测技术将推动墙体材料向更有利于其达到节

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摘要本文简述了墙体材料节能体系对建筑节能减排的重要意义，探讨了固体材料的热传导性能，概述了固体材料导热系数的常规检测方法，讨论了超声波检测技术在土木工程中的应用现状，分析了聚合物保温砂浆的相关性能机理。针对保温材料力学性能和导热系数检测的研究现状，提出了用聚合物保温砂浆作为研究对象，采用超声波法检测聚合物保温砂浆的力学性能与导热性能。本文首先依据相关试验研究，制备了以丙烯酸共聚乳液为添加剂，水泥为胶凝材料，闭孔珍珠岩为细骨料的聚合物保温砂浆试件，测得了试件的各项物理性能参数。继而分别采用平板导热法和超声波检测法，测出聚合物保温砂浆的导热系数和超声参量（声速和声阻抗）。再采用数理统计方法，分别建...

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