材料和方法

复合砂混凝土砌块的制备

在本研究中，按照表2所示的不同比例（按重量计）制备了由混有处理过的棕榈纤维和锯末的砂砾岩组成的新型复合材料。原始锯末和棕榈纤维材料（如图2，a和b所示）最初用毒死蜱（CPS）溶液处理，以杀死任何潜在的隐藏昆虫/害虫。CPS是一种有机磷农药[34]，对植物基材料的化学成分或机械性能没有影响[35]。当用于处理木材、建筑材料和结构时，它也没有化学粘合性能[36]。在本研究中，使用氯化石蜡（50%液体浓缩物）的处理过程是在24小时内进行的，以1%氯化石蜡与99%水的体积比例将其与水混合[36]。此后，将处理过的锯末和棕榈纤维材料在露天阳光下干燥3天，然后与砂混凝土砂浆混合，以获得生物基复合材料。对于锯末，使用标准机械筛测量0.5至1.4 mm之间的颗粒直径，而对于棕榈纤维，使用数字游标卡尺测量0.4至0.8 mm的直径。

表2.制备复合砂混凝土砌块的成分。

砂质混凝土和处理过的锯屑样品复合材料砂质混凝土与处理过的棕榈纤维样品复合材料

S0 100%砂凝土，0%锯末，P0 100%砂凝土，0%棕榈纤维

S10 90%砂凝土，10%锯屑，P10 90%砂质混凝土，10%棕榈纤维

S20 80%砂凝土，20%锯屑，P20 80%砂质混凝土，20%棕榈纤维

S30 70%砂凝土，30%锯屑P30 70%砂质混凝土，30%棕榈纤维

S40 60%砂质混凝土，40%锯屑P40 60%砂土混凝土，40%棕榈纤维

图2

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图2.复合材料制备：（a）处理过的棕榈纤维，（b）锯末，（c）砂混凝土（砂水泥混合物）和（d）不同养护日的砂混凝土生物基复合块。

使用克努斯特土木工程实验室的标准模具，根据加纳使用的450 mm x 125 mm x 225 mm的标准砌块尺寸，模制沙砾岩生物基复合材料，以形成不同的砌块样品（图2d）。然后将砌块固化28天，然后确定其热机械性能（热导率、抗压强度和密度）。

热机械性能的测定

热导率

使用TPS 2500S热盘热常数分析仪（HDTCA），采用平板法测定了含有处理过的棕榈纤维和锯末的不同块体砂混凝土样品的热导率（k）。HDTCA温度传感器的精度为±0.01 摄氏度，导热系数再现性为±2.0%。如图3所示制作盘形块样品/元件，并在热盘热常数分析仪（图4）中进行测试，以确定热导率。在测量热导率值之前，根据ANSI/NCSL Z540.1（R2002）校准测量仪器。

图3

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图3.确定“k”值的圆盘形块元件。

图4

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图4.使用HDTCA测量热导率的设置。

在使用HDTCA测定样品的热导率值时，确保了样品厚度（t）与传感器半径（r）之比的要求，从而：。通过热盘装置使盘形块样品经受热流（Q）和温差(∆T） 在稳态条件下测量整个表面。然后使用傅立叶一维热方程确定导热率值，如下所示：

(1)

哪里A是圆盘形块体元件的表面积，t是厚度，Δt是被测块体元件表面温度的差值。对每种元素进行了五次试验，并计算了平均热导率值。

抗压强度

还使用Avery试验机（ATM）测定了砂质混凝土生物基复合块的每个样品的抗压强度。图5示出了安装在ATM中的实心块的示例。ATM的准确度为±1.5%。

图5

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图5.抗压强度试验装置。

使用等式（2）计算复合块的抗压强度（Cs）。

(2)

式中，Fc是施加的导致砌块破碎的极限荷载，A是垂直于荷载的横截面积。

块体传热实验

为了确定通过控制块样品（100%砂混凝土）以及含处理锯屑和棕榈纤维的砂混凝土复合块的热传递，进行了实验，以测量通过它们的单位面积热传递率。图6显示了实验装置。FluxDAQ仪器，用于测量和记录温度以W/m2计）。在实验模拟中，使用电阻表面加热器在块表面（外表面）的一侧加热。然后，在稳态条件下，针对施加的每个热流测量块样品的表面温度。在实验中，确保了砌块外表面温度不超过50°C，以模拟Zempare等人[37]工作中报告的建筑表面温度的实际情况。

图6

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图6.用于壁传热分析的实验装置。

热通量和表面温度数据通过FluxDAQ仪器记录在计算机上。温度和热流传感器的精度分别为±0.75%和0.02 W/m2。

复合墙体系统的热模拟

为了估算办公室空间冷却所需的墙体传热负荷，使用热阻电路计算了整体传热系数（U）（图7），该办公室由不同的砌块样品和水泥砂浆（k=0.72 kW/m°C）在砌块两侧建造。复合墙的每一层（包括外部水泥砂浆、中间砌块和内部水泥砂浆）用热阻表示。

图7

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图7.墙壁的热阻电路。

三个串联热阻的总热阻计算如下：

(3)

其中Rpo、Rb和Rpi分别为外部石膏、砌块和内部石膏的热阻。内水泥砂浆和外水泥砂浆通常具有相同的材料和厚度，其中kp和kb分别为水泥砂浆和砌块的热导率，Δxp和Δxb分别为水泥抹灰和砌块的厚度。

壁热流可以用总传热系数（U）表示为：

(4)

在哪里和

利用通过砌块墙的整体热传递信息，对位于加纳库马西市的标准办公室的空间冷却潜在节电进行了分析。办公室墙壁的特性和安装在办公室中的空调的能效等级（EER）见表3。Kumasi的月平均相对湿度（RH）和干球温度（Tdb）也见表[6]。

表3.库马西市标准办公室的墙壁特征和气候数据。

月相对湿度（%）Tdb（°C）的壁特性

总墙面面积66平方米，2007年1月70.2日至27.8日

砌块墙面：49.5 m2，Feb 66.0 29.5

12 mm厚砌块上的水泥抹面，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厚砂混凝土砌块的控制，Jun 80.1 26.5

k=1.34瓦/米，k-Jul 82.1 25.9

八月84.0 25.0

125 mm厚的复合砂混凝土砌块，Sep 81.2 26.1

在Oct 78.5和27.0中改变“k”值

安装在办公室的空调用于空间冷却，EER=3.15，耗电2600 kWh/年，11月76.1 28.1

12月70.3日至27.5日

年度76.0 27.4

统计分析

测量了不同样品的三种主要热机械性能，包括热导率（k）、抗压强度（Cs）和密度（ρ）。在热机械性能测量中，每个材料样品重复5次实验。然后使用等式计算与测量相关的平均值和标准偏差。（5） 以及6[38]，在95%置信水平下。

(5)

(6)

其中，Xi是第i个数据点，是平均值，N是数据点的数量，t取决于N和置信水平（在本例中为95%）。从统计表[39]中使用了t=2.57的值。以下各节介绍了通过实验测量和分析不同生物基复合材料块的节能潜力获得的结果。

结果和讨论

热机械性能

不同复合材料的计算平均值和实验测量的标准偏差如表4所示。

表4.复合材料的热机械性能。

样品组成k（W/m，k）CS（MPa）ρm（kg/m3）

S0 100%砂质混凝土，0%锯屑1.34±0.014 4.196±0.016 2053.71

S10 90%砂凝土，10%锯末0.98±0.016 4.160±0.018 2002.74

S20 80%的砂砾岩，20%的锯屑0.95±0.016 2.489±0.019 1840.44

S30为70%的砂质混凝土，30%的锯屑为0.56±0.018和1.244±0.014和1753.55

S40 60%的砂凝土，40%的锯屑0.37±0.021 1 1.156±0.020 1721.96

P0:100%砂砾岩，0%棕榈纤维1.34±0.014.196±0.016 2053.71

P10 90%砂质混凝土，10%棕榈纤维1.03±0.015 4.569±0.017 1990.52

P20 80%砂砾岩，20%棕榈纤维0.97±0.016 4.089±0.017 1943.13

P30 70%砂砾岩，30%棕榈纤维0.83±0.017 3.911±0.01488.84

P40 60%的砂砾岩，40%的棕榈纤维0.45±0.019 2.382±0.014824.64

从表4可以看出P40 60%的砂砾岩，40%的棕榈纤维0.45±0.019 2.382±0.014824.64

从表4中可以看出，由于密度在1700至2400 kg/m3之间，所有生产的砌块均归类为致密骨料砌块[27]。为了比较不同复合砌块的导热率和抗压强度与其密度，绘制了数值，并在图8中显示。

图8

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图8.复合块的热导率和抗压强度。

从图8中可以看出，对于含锯末和棕榈纤维的砂砾岩复合块，热导率和抗压强度通常随着植物基材料百分比的增加而降低。发现沙砾岩-锯末复合材料的热导率值低于沙砾岩棕榈纤维复合材料的导热率值。在这项工作中获得的复合块的热导率值与值（k=0.44−[29,40,41]的工作中报告了1.02 W/m K）。

就抗压强度而言，与砂质混凝土锯末复合材料相比，砂质混凝土棕榈纤维复合材料表现出相对较高的值。根据文献和建筑规范，用作建筑围护结构的材料的最小抗压强度应为3.0 MPa[26]。使用该最小抗压强度（Cs≥ 3.0 MPa）作为标准，并与图8的结果进行比较，出现了以下情况（具有条件）：

1.

抗压强度（Cs）≥ 3.0兆帕{90% 砂砾岩， 10% 锯末 （S10）

2.

抗压强度（Cs）≥ 3.0MPa

结果表明，对于砂砾岩-锯末复合材料，只有样品（S10）符合（Cs）的抗压强度要求≥ 3.0 MPa，热导率为0.98 W/m K。对于砂质混凝土-棕榈纤维复合材料，复合样品（P10）、（P20）和（P30）满足（Cs）的抗压强度要求≥ 相应的热导率值分别为1.03 W/m K、0.97 W/m m K和0.83 W/m K。比较满足抗压强度标准（Cs）的复合块的这些热导率值≥ 3.0 MPa），确定复合块体样品P30的热导率值最大降低38.1%。

抗压强度随密度的变化

如图9所示，用密度绘制复合块体的抗压强度。

图9

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图9.抗压强度与密度的关系。

从图9的结果可以看出，砂质混凝土棕榈纤维复合材料的抗压强度通常高于砂质混凝土锯末复合材料。锯屑-棕榈纤维复合材料的较高抗压强度可归因于棕榈纤维的形态排列，棕榈纤维呈圆柱形且不规则，具有许多细丝和细胞，使纤维与砂凝土基质之间具有良好的粘合性[42]。

导热系数随密度的变化

还针对不同样品的密度绘制了热导率值，如图10所示。

图10

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图10.热导率与密度的关系。

从热导率与密度的关系结果可以看出，通常情况下，密度的变化会导致热导率沿同一方向变化。这意味着，随着复合材料密度的降低，导热系数也降低。复合材料的热导率和密度之间存在很强的关系（棕榈纤维和锯末复合材料的R2分别为0.95和0.86）。这一结果与Riaz等人[29]的研究结果一致，后者强调了热导率对密度的强烈依赖性。从最佳拟合线推断，可以观察到热导率与密度（ρ）的关系，经验表达式如下：

(7)

式中：ks和kp分别表示锯屑和棕榈纤维复合材料的导热系数。通过测试与文献[33、[43]、[44]、[45]中报道的植物基复合建筑材料的其他热导率值的经验相关性，发现开发的经验相关性（等式（7））能够在18%的裕度内估计其值。这意味着等式（7）可用于估算18%不确定度范围内的植物基复合建筑材料的热导率。

传热分析

对生物基砂混凝土复合块和对照样品（100%砂混凝土）进行传热分析。使用为每个样品获得的热导率值（k）来评估b的每单位表面积的传热速率