水泥砂浆增强（精选7篇）
水泥砂浆增强 篇1
0前言
尺寸效应是岩石、水泥砂浆和混凝土等准脆性材料的固有特征,上述材料的断裂参数不但依赖于材料的自身性质,而且与试件尺寸有关[1,2]。 在钢纤维复合材料中,尺寸效应主要由纤维之间的桥连作用以及纤维与基体间的界面黏结参数来表征[3]。 相比于普通混凝土或水泥砂浆,钢纤维的掺入提高了材料的延性,其名义强度受试件尺寸变化的影响程度有所降低,相关研究在超高强钢纤维混凝土和高延性的ECC试件抗弯强度的尺寸效应上得出了相同的结论[4,5]。 为了更详尽地描述钢纤维对弯曲性能尺寸效应的影响规律, Nguyen DL等人对钢纤维混凝土进行了四点弯曲试验研究,对比了在两种钢纤维类型与不同配比下弯曲性能随试件尺寸变化的规律[6]。
虽然有关钢纤维复合材料的尺寸效应的研究一直在进行,但钢纤维分布形式对其弯曲强度尺寸效应的影响尚不明朗[7,8,9,10,11]。 鉴于钢纤维的定向分布带来的性能优势[12],本文在掌握了定向钢纤维水泥基复合材料制备方法的基础上[13,14],对水泥砂浆 、乱向钢纤维增强水泥砂浆以及定向钢纤维增强水泥砂浆的弯曲强度进行了试验研究,建立了用以预测弯曲强度随试件尺寸变化关系的计算式,可为工程设计提供试验依据与理论基础。
1试验概况
1.1试验材料
水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。
砂:标准砂,细度模数2.6。
减水剂:聚羧酸型减水剂,减水率18%,掺量为水泥用量的1%。
水:普通自来水。
钢纤维:圆直型钢纤维,体积率统一取0.9%,具体参数见表1。
水灰比取0.32,以水泥用量为基准的配合比如表2。
1.2试验设计
试件分为水泥砂浆、乱向钢纤维增强水泥砂浆和定向钢纤维增强水泥砂浆三种类型,每组3个试件。 由于试件高度是影响断裂过程区的主要因素[15], 因此,每一组试件均设计为高宽相等,净跨S与高度D的比值为4,缝高比为0.4,试件的具体尺寸如表3所示。 为了直观、方便地表示试验数据,在试验过程中试件统一采用 “钢纤维分布方式+试件高度尺寸”的标注方式。W、L、D分别表示未掺钢纤维、乱向钢纤维与定向钢纤维分布。 如:L-80表示高度为80mm的乱向钢纤维增强水泥砂浆试件。
试验在SUNS2000伺服万能试验机上进行,加载方式如图1所示。 试验中,通过荷载传感器记录瞬时荷载P。 加载过程采用位移控制, 加载速率为0.2mm/min。
2试验结果及分析
2.1试验结果
各组试件的试验结果如表4所示。 由表4可以看出,相比于乱向钢纤维增强水泥砂浆,同一尺寸下,定向钢纤维的分布形式进一步提高了试件的峰值荷载,说明定向分布的钢纤维在拉应力方向上的利用率要远高于乱向分布的钢纤维。
2.2理论分析方法
Bazant基于能量释放理论所提出的尺寸效应律公式如下:
式中:
σN———名义强度,MPa;
D———试件的特征尺寸 (三点弯曲试验取试件高度),mm;
ft′———材料的抗拉强度,MPa;
B———无量纲常数;
D /D0———脆性数 , 与结构的形状和尺寸无关 , D /D0的值越大,材料的脆性特征越明显[2]。
带切口的三点弯曲梁名义弯曲强度可由下式计算:
式中:
S———试件净跨;
Pu———试件的峰值荷载;
W———试件的宽度。
由于测量材料的拉伸强度对机器刚度要求很高,且结果精确程度较低,本文将Bft′统一为待定系数。 将试验数据代入式(2),通过线性回归即可求出Bft′与D0。 检查线性回归中的试验点是否接近直线, 若不是,则说明试验有误。
2.3弯曲强度的尺度律
各组试件的名义弯曲强度随试件尺寸变化的规律如图2所示。 由图2可以看出,水泥砂浆和乱向钢纤维增强水泥砂浆的弯曲强度均随试件尺寸的增大而减小,并且这种减小的趋势逐步降低。 对于定向钢纤维增强水泥砂浆而言,在试件高度大于60mm后,其弯曲强度稳定在大约为7MPa的一条水平线上。 从钢纤维的增强作用分析,当基体中的钢纤维定向后, 在拉应力方向上钢纤维数量增多,增强效果得到显著提升,基体断裂后,纤维的桥连作用仍然存在,其弯曲强度较前者而言稳定在一条相对平缓的水平线上,表明在该尺度范围内,试件弯曲强度没有随尺寸的增大而显著降低。
将试验数据带入Bazant尺度律模型中,并线性回归成Y=AX+C的形式, 以求得模型参数Bft′、D0, 其结果及尺度律模型的相关参数如图3所示。 由图3可以看出 ,掺入钢纤维后 ,材料的脆性明显降低 , 这一点可以从回归曲线的斜率上看出, 斜率越大, 材料的脆性也越大。 当水泥基体中的钢纤维定向后,材料的脆性进一步减小,回归曲线基本稳定在1/σ2=0.7~0.8的水平线上 , 进一步验证了定向钢纤维增强水泥砂浆的弯曲强度受试件尺寸的影响程度不明显。 将各组试件的尺度律以Y=logσN,X=log D绘出尺寸效应的对数图(图4),用以预测大尺寸试件的弯曲强度。 由图4可以发现,当试件尺寸进一步扩大时,水泥砂浆与乱向钢纤维增强水泥砂浆的弯曲强 度有明显 的递减 , 当试件特 征尺寸达 到400mm, 即log D=2.6时 , 依照尺寸效应模型计算式得出的 理论名义 强度分别 为0.173MPa和0.308MPa, 相比40mm高度试件的名义强度分别降低了44.7%和42.3%。 而定向钢纤维增强水泥砂浆在400mm高度试件 中的理论 名义强度 为1.032MPa, 与40mm高度试件相比仅降低了9.1%。 由此可以认为,定向钢纤维增强水泥砂浆的延性较高,其脆性特征在该尺度内不明显。
为了定量反映钢纤维分布形式对材料脆性的影响程度,将各组试件的特征尺寸D与模型参数D0的比值列于表5。 由Bazant尺度律理论可知,当D/ D0<0.1时 ,材料可以认为是延性的 ;随着D/D0的增大,材料的脆性特征逐渐体现出来,当D/D0>10时 , 材料被认为是脆性的[2,7]。 可以看出,水泥砂浆的脆性特征明显, 并且这种特征在试件高度为40mm时就已体现出来。 钢纤维的掺入有效降低了脆性数,但在试件高度达到210mm时, 其脆性数依然超过10 (D/D0=10.23)。 钢纤维定向后,进一步降低了脆性数的增长趋势,在试验尺寸内近乎体现出趋于延性材料的特征,当试件高度达到400mm时,其脆性数仅为1.06。
3结论
(1)钢纤维的掺入使材料的延性有所提高 ,但其弯曲强度的尺寸效应依然存在。
(2)钢纤维定向后 ,在拉应力方向上的增强效率得到提升,使材料的延性进一步提高,试验尺度内没有明显的脆性断裂特征,其弯曲强度的尺寸效应不明显。
(3)利用试验数据拟合的线性回归曲线拟合精度较高,进而得出尺度律模型的计算式,可用于预测定向钢纤维水泥基复合材料的断裂特征。
水泥砂浆增强 篇2
关键词：磷酸镁水泥砂浆(MPCM),碳纤维,韧性,力学性能,预处理
0 引言
磷酸镁水泥(MPC)具有凝结硬化快、早期强度高、体积稳定性好、粘结性能好等优点,在混凝土结构加固、混凝土路面修补以及有毒与核废料固化等领域具有广阔的研究与应用前景[1,2,3,4]。MPC的主要水化产物六水磷酸铵镁晶体以共价键和离子键结合,因此在外力作用下MPC表现出明显的脆性[5,6]。在没有伺服装置的压力机上测得MPC的应力应变曲线基本是直线,也说明MPC具有显著的脆性。脆性问题制约了MPC在混凝土结构修补和加固中的应用。
掺加聚合物乳液或纤维可以改善MPC的脆性。聚合物乳液可以改善MPC的脆性,但是聚合物会包裹未水化的氧化镁颗粒,阻碍MPC的水化反应,导致MPC各龄期力学性能显著降低[7,8]。掺加纤维对MPC抗压强度和早期力学性能的不利影响较小[9,10]。磷酸镁水泥中掺加钢纤维时增韧效果较好,但会严重影响MPC的操作性和工作性,同时也导致MPC表观密度显著增大[11]。MPC制备过程需要强力搅拌,而玻璃纤维易折断,搅拌过程中玻璃纤维大量折断会影响其增韧效果[12]。聚酯或聚丙烯纤维的弹性模量低,改善MPC韧性的效果有限,反而不利于提高MPC的工作性。与上述增韧材料相比,碳纤维提高MPC韧性效果最为显著。碳纤维不仅质轻,且抗拉强度和弹性模量高,掺加适量碳纤维不会对MPC的抗压强度和工作性产生不利影响,也不会增加MPC的表观密度。虽然碳纤维比其他类型纤维价格高,但是MPC作为混凝土修补和加固材料时表现出的优异性能可以抵消对其制备成本的顾虑。因此,本实验采用碳纤维来改善磷酸镁水泥砂浆(MPCM)的脆性,并探讨碳纤维预处理方式对MPCM韧性的影响,希望在不显著降低MPCM抗压强度的基础上,通过掺加碳纤维显著增强MPCM的抗折强度和韧性。
1 实验
1.1 原材料
重烧氧化镁比表面积为230 m2/kg,化学组分见表1。磷酸二氢铵纯度大于等于99%,pH值为4.0~4.5。硼砂纯度大于等于95%,性能指标符合GB/T537-2007《工业十水合四硼酸二钠》一等品要求。东丽PAN基碳纤维长丝,直径7μm,抗拉强度4200MPa,弹性模量250GPa,含碳量95%,密度1.75g/cm3,加工成长度分别为3mm、6mm、10mm、15mm的短切碳纤维。中砂,水洗后烘干,细度模数2.6。硝酸试剂浓度为68%。拌合用水为自来水。
1.2 实验方法
MPCM配合比:重烧氧化镁(M)与磷酸二氢铵(P)质量比为4∶1,硼砂(B)掺量为重烧氧化镁质量的10%;水胶比为m(W)/m(M+P+B)=0.16;碳纤维(CF)掺量为质量掺量,按照原材料质量比m(CF)/m(M+P+B)计算。中砂(S)与MPC的质量比为1∶1。
MPCM试件成型:首先将重烧氧化镁、磷酸二氢铵、硼砂和中砂加入搅拌锅中干拌3min,然后加入碳纤维搅拌均匀;加水慢速搅拌10s后快速搅拌3 min,然后浇筑成型40mm×40mm×160 mm的试件。试件放置室内养护,室内温度为(20±2)℃,相对湿度为60%~80%。
力学性能测试:MPCM抗压和抗折强度参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》,待试件养护到相应龄期后测定。
微观形貌分析:采用TESCAN VEGN3扫描电子显微镜。
碳纤维预处理:采用丙酮除去碳纤维表面上浆剂,然后在硝酸溶液中放置一定时间后取出,用水冲洗5-6遍,放置于60℃烘箱中烘干待用。
2 结果与讨论
2.1 碳纤维对MPCM抗压强度的影响
首先研究了碳纤维掺量对MPCM抗压强度的影响。由于MPCM的抗压强度增长主要在7d龄期以前,此后MPCM抗压强度增长较为缓慢,因此主要测试了碳纤维掺量对MPCM的6h、1d和7d抗压强度的影响,结果见图1。
由图1可见,随着碳纤维掺量的增加,MPCM各龄期的抗压强度均比未掺加碳纤维时有所增加,尤其是碳纤维掺量超过0.4%以后,MPCM的6h和1d抗压强度显著增长。以6mm碳纤维为例,当碳纤维掺量为0.4%时,MPCM的6h、1d和7d抗压强度分别比未掺加碳纤维时同龄期的MPCM试件增长54.1%、42.9%、10.9%;当碳纤维掺量为0.8%时,MPCM抗压强度的增长幅度分别为70.3%、69.6%、19.7%。碳纤维掺量为0.4%~0.8%时更有利于提高MPCM的抗压强度。然而,当碳纤维掺量增加到1.0%时,掺加10mm和15mm碳纤维的MPCM的抗压强度呈现逐渐下降的趋势。
除了掺量,碳纤维长度也会对MPCM的抗压强度产生影响。由图1还可见,长度6 mm的碳纤维更有利于提高MPCM的抗压强度,其次是长度3mm的碳纤维。掺加长度10mm和15mm的碳纤维时,随着碳纤维掺量的增加,抗压强度的增长幅度明显小于掺加6mm碳纤维的MPCM,掺量较高时甚至还导致MPCM抗压强度下降。这主要是由于随着长度增加,碳纤维在MPCM基体中分散性降低,碳纤维分布不均匀导致MPCM基体产生更多缺陷,使MPCM的抗压强度逐渐降低。
2.2 碳纤维对MPCM抗折强度的影响
MPC属于具有明显脆性的无机胶凝材料,MPCM的抗压强度很高,掺加碳纤维的主要目的是提高MPCM的抗折强度和韧性。碳纤维对MPCM抗折强度的影响见图2。
由图2可见,当碳纤维掺量为0.2%时,长度15mm碳纤维对MPCM抗折强度的增强作用更为显著;当碳纤维掺量为0.4%时,碳纤维长度对MPCM抗折强度的影响无显著差异;当碳纤维掺量达到为0.6%时,长度6mm和10mm的碳纤维对MPCM抗折强度增强效果最好。6mm碳纤维掺量为0.6%时,MPCM的6h、1d和7d抗折强度相比于未掺加碳纤维时分别增大了43.9%、14.6%和44.5%。碳纤维掺量较少时,碳纤维的分散性相对较好,长度较大的碳纤维更容易相互搭接形成网络,在弯曲力作用下,长纤维从MPCM基体中拔出时消耗的能量更大,因此碳纤维掺量较小时长纤维增强MPCM抗折强度的效果较好。随着碳纤维掺量增加,15mm碳纤维由于分散更为困难,对MPCM抗折强度的增强效果减弱,且会导致MPCM流动性显著降低;采用3mm碳纤维时,虽然短纤维分散较为容易,但是难以形成良好的搭接网络,MPCM抗折强度的增长幅度相对较小。
综合考虑碳纤维掺量对MPCM制备成本以及力学性能和工作性的影响,宜选用长度3~10mm的短切碳纤维混杂,适宜掺量为0.4%~0.6%。
2.3 预处理碳纤维对MPCM力学性能的影响
碳纤维可以显著提高MPCM的抗折强度,但是MPCM试件弯曲断裂时断面上的碳纤维基本为脱粘拔出,碳纤维表面看不到粘附MPC水化产物,说明碳纤维和MPC基体主要依靠物理作用粘结,而这种物理作用也造成碳纤维不能充分发挥增韧效果。
碳纤维表面极为光滑和致密,活性官能团数量少,基本表现为化学惰性[13]。因此,市售碳纤维需要表面处理,使其表面由憎液性转变为亲液性,改善碳纤维与基体树脂两相的界面粘结[14]。硝酸溶液具有强氧化性,碳纤维经硝酸溶液氧化后其表面活性含氧基团数量增加,因此常用来对碳纤维进行表面处理[[15],16]。为了改善碳纤维与MPCM基体的界面粘结,利用容易操作的液相氧化法,采用硝酸溶液对碳纤维进行表面处理,希望能有效发挥碳纤维的增韧效果。制备MPCM试件时,长度3mm、6mm、10mm的碳纤维按照质量比1∶1∶1混杂,采用混杂碳纤维后,当质量掺量为0.4%时,MPCM不同龄期抗压和抗折强度提高幅度为5%~15%。
2.3.1 硝酸溶液浸泡时间的影响
采用浓度68%的硝酸浸泡碳纤维[16],温度为(20±1)℃,研究碳纤维浸泡时间对MPCM抗压和抗折强度的影响,试验结果见表2。
由表2可知,采用硝酸预处理碳纤维,当预处理时间为60min时,MPCM试件的折压比达到最小值;相比于掺加未处理碳纤维的试件,掺加硝酸预处理碳纤维的MPCM试件的6h、1d和7d抗折强度的增长幅度分别为36.1%、36.9%和28.5%。随着碳纤维在硝酸溶液中浸泡时间的延长,MPCM的抗压和抗折强度表现出先升高后降低的趋势,表明在硝酸溶液中浸泡时间过长会使碳纤维表面过度刻蚀和裂解,反而不利于发挥碳纤维的增韧效果。因此碳纤维在浓硝酸中浸泡时间宜为30~60min。
2.3.2 硝酸溶液温度的影响
选用浓度68%的硝酸溶液,浸泡时间60min,研究碳纤维在不同温度的硝酸溶液中浸泡对MPCM力学性能的影响,试验结果见表3。
由表3可知,随着硝酸溶液温度的升高,MPCM试件各龄期压折比逐渐降低;而当温度超过60℃后,MPCM的压折比反而有所增大;碳纤维预处理的适宜温度为40~60℃,升高碳纤维预处理温度,可以改善MPCM的韧性。掺加0.4%的经过60℃、浓度68%的硝酸浸泡60min的碳纤维,与未掺加碳纤维时相比,MPCM试件的6h、1d和7d抗折强度分别提高129.3%、67.4%和78.7%,说明碳纤维经过较高温度的浓硝酸预处理后既可以提高MPCM的抗压强度,也可以显著增强MPCM的韧性。
2.4 微观分析
碳纤维与MPC的界面属于物理作用,化学粘结力和嵌合力相对较差。掺加未处理的碳纤维虽然可以显著提高MPCM的韧性,但MPCM受力时,碳纤维容易拔出,并没有充分发挥其增韧作用。由图3(a)可见,MPCM断面上拔出的碳纤维表面光滑,没有MPC水化产物包裹,碳纤维尚未充分发挥其增韧作用。经过60℃、浓度68%的硝酸浸泡60min后,碳纤维表面刻蚀和沟槽加深(见图3(b)),碳纤维和MPC的界面粘结显著改善。MPC水化产物六水合磷酸铵镁晶体通常为片状和短柱状(见图3(c)),晶体尺寸可达数十微米,且晶体体积稳定性较好。虽然有些晶体嵌入碳纤维刻蚀处,但是并不能完全包裹碳纤维,微观上表现为MPC水化产物晶体在碳纤维损伤处嵌合,产生嵌合力(见图3(d));宏观上表现为经硝酸预处理的碳纤维对MPCM力学性能,尤其是抗折强度,有较为显著的改善作用,表明硝酸预处理碳纤维对MPCM的增韧效果较好。
3 结论
(1)掺加未处理碳纤维虽然可以显著增强MPCM的抗折强度,但是试件断裂时,碳纤维大多被整体拔出,MPC水化产物与碳纤维之间主要是物理作用,碳纤维未能充分发挥增韧作用。
(2)碳纤维长度对MPCM抗压和抗折强度的影响有所差异,掺加3~6mm的碳纤维有利于改善MPCM的抗压强度,而掺加6~10mm的碳纤维有利于改善MPCM的抗折强度,掺加3~10mm的混杂碳纤维更有利于提高MPCM的力学性能。
(3)在40~60℃、浓度68%的硝酸溶液浸泡30~60min的碳纤维可以显著增强MPCM的抗折强度,MPCM压折比也显著降低。
预拌砂浆专用水泥研制 篇3
关键词：不同品牌水泥,保水增稠剂,专用水泥,砂浆
0 前言
预拌砂浆正在我国各地推广应用，但在推广应用中遇到许多问题，其中主要是预拌砂浆价格较现场搅拌贵，预拌砂浆成本由于生产设备投资较大和需要烘干砂而提高。因此，降低预拌砂浆成本是推广应用最为关键的问题。本文所介绍的制备预拌砂浆专用水泥技术，就是降低预拌砂浆成本的有效技术途径之一。
预拌砂浆专用水泥(专用干粉料)是将水泥、低成本外加剂、矿物掺合料(工业废料废渣等)按照一定的比例在水泥粉磨站或水泥企业生产线生产出的专用水泥(专用干粉料)，这种水泥可大大减少预拌砂浆的投资，降低预拌砂浆成本[1]。建筑砂浆保水增稠剂是一种新型的水泥砂浆拌和物外加剂，它完全不同于砂浆微沫剂，能将增稠和保水作用很好地兼容在一起[2]。保水增稠剂用于预拌砂浆可提高砂浆保水率，改善砂浆的和易性[3,4]。保水增稠剂用于专用水泥的的研究较少，前期的试验已经研究了不同强度等级专用水泥的制备及性能[1]，但是用不同品牌水泥复合保水增稠剂制备专用水泥的研究尚未见报道。考虑到实际应用中，专用水泥需要贮存一段时间，因此本文将保水增稠剂与不同品牌的水泥配制成专用水泥后，考查专用水泥贮存0d以及3个月后配制M7.5抹面砂浆的各项性能。
1 试验原材料与方法
1.1 试验原材料
水泥(C):W、S、Z三种南京本地品牌的P·O42.5级水泥，其性能指标见表1。
Ⅱ级粉煤灰(FA)：华能金陵电厂提供，CaO含量为1.76%，碱含量为1.28%，其技术指标如表2所示，各项指标均符合GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准要求。
保水增稠剂：课题组于自行配制PW-1外加剂。由上述材料配制的专用水泥的配比见表3。
%
注：Ⅱ级粉煤灰20%替代水泥。
砂(S)：河砂，细度模数2.52，属Ⅱ区中砂。
1.2 试验方法
砂浆的稠度、表观密度、抗压强度、凝结时间、收缩率试验均按照JGJ 70–2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测试。
专用水泥的制备方法：将各组胶凝材料、Ⅱ级粉煤灰与保水增稠剂按照相应的比例混合均匀。
砂浆保水率、粘结强度参照DGJ 32/J13-2005《江苏省预拌砂浆技术规程》和JG/T 230-2007《预拌砂浆》进行测试。
2 试验结果与讨论
因实际使用中水泥常要密封贮存，且贮存后性能会有所降低，专用水泥也面临同样的问题。因此，试验选择分别测量专用水泥贮存0d和3个月后配制砂浆的性能。其贮存0d及3个月后配制的砂浆试件的各项性能如下表4、表5所示。
2.1 贮存3个月专用水泥的稠度，保水率和凝结时间
由表4可见，对于三种水泥，在满足稠度要求的前提下，随着保水增稠剂掺量的增加，砂浆的保水率也随之增加，且增加效果明显，当掺量为2.1%时，三种水泥的保水率均符合JG/T 230-2007《预拌砂浆》标准要求(≥88%)。由表5可见，贮存3个月后砂浆的保水率较0d的均大幅度增加，且随着保水增稠剂掺量增加而增加，三种水泥在掺量为1.7%时就能满足DGJ32/J13-2005《江苏省预拌砂浆技术规程》标准要求(≥92%)。
另外，随着保水增稠剂掺量的增加，砂浆的凝结时间稍有延长，贮存3个月后凝结时间的延长更加明显，但从总体上看，贮存3个月后的专用水泥在配制各强度等级的砂浆的凝结时间都在DGJ32/J13-2005《江苏省预拌砂浆技术规程》标准要求的范围之内(<10h)。贮存后凝结时间的延长这主要是C3A含量的影响[5]。C3A含量影响的原因可分为：(1)由于C3A与石膏、水反应生成的钙矾石，在C3A表面沉淀下来，形成有效屏障，包裹在未水化的水泥颗粒周围，阻碍水和无水矿物的接触，因而延缓水泥的凝结时间。(2)由于生成钙矾石消耗了部分C3A,C3A含量相对降低，实验时按正常加水，就显得过多，水泥浆体结构就不易紧密，使颗粒间距增大，网状结构较难形成，凝结速度变慢，凝结时间延长。
2.2 贮存3个月专用水泥的强度
从图1可以看出，三种专用水泥配制的砂浆的强度均随着保水增稠剂掺量的增加而稍有下降，但下降幅度不大。这是因为保水增稠剂的加入在改善了砂浆的保水率与和易性的同时引入了少量的气泡，导致强度有所下降。专用水泥贮存三个月后砂浆的强度较贮存0d天有所下降，贮存3个月后保水增稠剂掺量对砂浆的7d强度影响较大，28d强度影响较小。这是由于随着贮存时间的延长，空气中的水蒸气与专用水泥发生理化反应[5]，对专用水泥的活性产生了影响，进而造成了水化反应的相对缓慢，强度下降。总体来说，保水增稠剂对三种专用水泥的影响规律一致，各种保水增稠剂掺量的专用水泥配制的M7.5砂浆的强度均能满足DGJ 32/J13-2005《江苏省预拌砂浆技术规程》和JG/T 230-2007《预拌砂浆》标准要求。
2.3 贮存3个月专用水泥的收缩
从上图2可以看出，对于不同品牌的三种水泥，保水增稠剂的掺入都会改善砂浆的收缩性，主要是因为保水增稠剂可提高保水率和水化程度，减缓甚至减少水分的蒸发，从而使砂浆的收缩减小。专用水泥贮存3个月后，各种配方的砂浆收缩均有所增大，原因主要可能是由于贮存3个月后的水泥活性下降及保水增稠剂中的减水组分部分失效，造成拌合用水量有所增大，水灰比增大，进而会带来收缩率的增大。总体来说，各组砂浆的收缩率均较小，符合DGJ 32/J13-2005《江苏省预拌砂浆技术规程》和JG/T 230-2007《预拌砂浆》标准的要求。
3 结论
(1)采用砂浆保水增稠剂PW-1配制预拌砂浆专用水泥，对于不同品牌的水泥，其掺量为1.9%～2.1%时，所配制的专用水泥经3个月储存期后配制M7.5抹面砂浆的性能基本满足DGJ 32/J13-2005《江苏省预拌砂浆技术规程》和JG/T 230-2007《预拌砂浆》标准要求。证明只要调整保水增稠剂PW-1的掺量，就可以采用不同品牌的水泥来配制专用水泥。
(2)随着保水增稠剂掺量的增加，由三个品牌水泥配制的抹面砂浆的保水率增加，收缩减少，而凝结时间和强度的差异不大。
(3)专用水泥贮存3个月后，砂浆的保水率增加，凝结时间延长，强度降低，收缩增加。保水增稠剂掺量为2.1%时，各种品牌专用水泥贮存0d的综合性能最好，此时三个品牌水泥所配制的预拌砂浆的各项性能均可满足现行标准要求。贮存3个月后保水增稠剂同样掺量时保水率增加，因此，如需贮存，可以适当降低保水增稠剂掺量。
参考文献
[1]梅群,潘钢华,潘文佳.预拌砂浆专用水泥的制备及其性能研究[J].混凝土与水泥制品,2008(6):55-58.
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[3]陈益兰,纪涛,丰霞等.砂浆保水增稠材料的研究及机理探讨[J].广东建材,2007(3):19-20.
[4]钱中秋,张菁燕,杨江金等.预拌砂浆中保水增稠剂的研究与应用.干混砂浆,2007(12):46-47.
[5]孟祥海.水泥储存中的问题及分析.2006年水泥技术交流大会暨第八届全国水泥技术交流大会论文集,2006:222-224.
增强砂浆混凝土的弯曲性能 篇4
关键词：复合材料,钢纤维,聚丙烯纤维束,弯曲特性
0引言
大量研究表明,均匀地将纤维掺入到水泥砂浆中可使其弯曲强度和阻裂作用明显得到改善,其韧性可大大地提高。目前在大多数桥梁、隧道、公路等建筑中都广泛采用。但对于不同的纤维改善砂浆混凝土的性能有所不同。钢纤维为高弹纤维,一般高弹纤维增强增韧效果均较好,但价格昂贵;聚丙烯纤维为低弹纤维,增强增韧效果较差,但增动效果较好,而且价格便宜。因此,把这两种纤维混杂起来加入混凝土中,从改善性能和从经济上考虑都是较合适的。
如果纤维含量相同,横断面尺寸也相同时,高弹纤维和低弹纤维对增强混凝土的弯曲特性是不相同的。作为高弹纤维(钢纤维)增强砂浆混凝土的弯曲载荷—变形曲线如图1a)所示;作为低弹纤维(聚丙烯纤维)增强砂浆混凝土的弯曲载荷—变形曲线如图1b)所示。P0表示素砂浆的破坏载荷,Pcr和Pmax分别表示纤维增强砂浆混凝土的初裂载荷和最大载荷。图1a)说明钢纤维的掺入大大增强砂浆混凝土的初裂载荷,但是在最大载荷之后,钢纤维从基体中拔出,在较小的变形下,载荷迅速减小。从图1b)中可以看出聚丙烯纤维对砂浆混凝土的初裂载荷Pcr略高于素砂浆的破坏载荷P0,提高的数值远不如钢纤维那样高,但是初裂之后,载荷缓慢地逐渐减少,表现出很好的延性。
基于上述这两种纤维增强水泥砂浆的特点,本文试图寻找一种复合材料,具有这两种纤维增强砂浆混凝土所共有的优点,通过大量试验研究发现,将这两种纤维按一定比例混合,就发挥了两种纤维单独增强砂浆混凝土的优点,消除了它们各自的缺点,使初裂强度有所提高,而且初裂后的特性明显的得到改善。在纤维束之间可以掺进水泥浆,增强了基体和纤维之间的粘结强度,防止纤维的拔出。
1试验方法与结果分析
按一定的比例将钢纤维和聚丙烯纤维均匀分散到砂浆中,钢纤维尺寸为0.3 mm×0.6 mm×25 mm。聚丙烯纤维一束为24根,单丝直径20 μm,比重0.9,弹性模量5.6 GPa,抗拉强度438 MPa,把长丝剪断为平均长度25 mm的短丝束。水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2。试件尺寸:25 mm×50 mm×280 mm,成型的试件24 h脱模,然后在水中养护28 d。通过WDW-100微机控制电子万能试验机对试件进行试验,用纯弯曲加载方式加载。载荷—挠度曲线通过数据自动采集、记录仪自动记录。
1.1一种纤维对砂浆混凝土的影响
1.1.1纤维含量对弯曲特性的影响
图2a)是聚丙烯纤维增强砂浆混凝土的载荷—挠度曲线。图2a)表明:初裂载荷随纤维含量的增加而增加,幅度较小,但初裂后随纤维含量的增加有很大的改善。当含量为1.0%～2.5%范围内其最大载荷逐渐增加并超过初裂载荷。掺入聚丙烯纤维直到初裂几乎完全是弹性,但初裂后承受载荷的能力不增加,载荷稍下降,然后随着变形的增加,承受载荷的能力又继续上升到最大载荷。图2b)为钢纤维增强砂浆混凝土的载荷—挠度曲线。图2b)表明:初裂载荷和最大载荷均随纤维含量的增加而明显地增加。但最大载荷后,在较小的变形下载荷迅速下降,直到破坏。
1.1.2加载速率的影响
不同加载速率下聚丙烯纤维增强砂浆混凝土和钢纤维增强砂浆混凝土弯曲载荷—挠度曲线如图3a),图3b)所示。两种纤维随加载速率的增加,初裂强度均有所提高,但初裂后的特性差别较大。聚丙烯纤维初裂后弯曲强度主要依赖于聚丙烯纤维的抗拉强度,所以,这种复合材料初裂后的弯曲特性将受聚丙烯纤维粘弹性的影响,弯曲强度随加载速率的增加而增加。对于钢纤维初裂载荷随加载速率也有所提高,但初裂后载荷下降的更加迅速,最大载荷所对应的变形也随加载速率的增加而增加。
1.2混杂纤维对砂浆混凝土的影响
1.2.1聚丙烯纤维含量对弯曲特性的影响
图4是钢纤维体积含量保持为1%,聚丙烯纤维体积含量从0.1%～2.5%变化曲线。
从图4中可以发现:
1)钢纤维含量为1%时,初裂载荷随聚丙烯纤维含量的增加而增加,且初裂载荷比单一纤维增强水泥砂浆的初裂载荷有所提高。其原因是在钢纤维阻裂的基础上由于聚丙烯纤维的加入更加增强了基体的阻裂能力从而增加了初裂载荷。
2)最大载荷随纤维含量的增加而增加。最大载荷相应的变形也随纤维含量的增加而增加。由于聚丙烯纤维不易拔出,同钢纤维共同作用使最大载荷有所增加。
3)最大载荷之后,载荷下降得比较缓慢,表现出很好的延性。这主要是聚丙烯束的延性好阻止了基体的开裂所至。
4)当纤维含量达到2.5%时,初裂载荷和最大载荷均有所下降,载荷能保持在相对高点。由此可见,采用两种纤维混杂增强砂浆的混凝土,明显地克服了两种纤维单独增强混凝土砂浆时的缺点,大大地改善了脆性基体的性质。
1.2.2加载速率对弯曲特性的影响
图5表示当钢纤维体积含量保持为1%,聚丙烯纤维体积含量保持为2%时,加载速率对弯曲特性的影响。从图5可以发现,初裂载荷和最大载荷随加载速率的增加而增加,最大载荷相对应的变形也随加载速率的增加而增加。但在最大载荷后,随加载速率的增加,在较小的变形下,载荷迅速减小。
因此,混杂增强水泥砂浆的强度和韧性在不同的部分充分显示了各自的优点,克服了它们的缺点,因此钢纤维和聚丙烯纤维混杂增强水泥砂浆的强度和韧性是十分有前途的。
2结语
将钢纤维和聚丙烯纤维均匀地掺入在砂浆中,能较好地改善其弯曲特性。通过试验可得如下结论:
1)混杂纤维增强砂浆混凝土的初裂载荷比单一纤维增强砂浆混凝土初裂载荷有所提高。对于不同的纤维含量,初裂载荷将随着纤维含量的增加而增加。
2)混杂纤维增强砂浆混凝土的最大载荷比单一纤维增强砂浆混凝土的最大载荷也有所提高,最大载荷相对应的变形也有增加。
3)随着聚丙烯纤维含量的增加,上述特点较为明显。
4)最大载荷之后,弯曲载荷变形表现出了很好的延性,在很大的变形范围内,载荷降低得很少。
5)弯曲载荷—变形曲线受加载速率的影响很大,随加载速率的增加,初裂后载荷—变形曲线会更加陡。
这两种纤维增强砂浆混凝土表现出了很好的弯曲特性,消除了钢纤维和聚丙烯纤维单独增强砂浆混凝土的缺点,在房屋、桥梁、隧道、公路等建筑中有着十分广阔的发展前景。
参考文献
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水泥砂浆整体地面质量问题浅析 篇5
1 产生质量通病的原因分析
1.1 地面空鼓原因:
1.1.1基层表面清理不干净, 有浮灰、浆膜或其它污物。1.1.2面层施工时, 基层表面未浇水湿润或浇水不足, 垫层吸收水分, 或者基层表面有积水, 增大了积水部分砂浆的水灰比, 都会影响砂浆强度, 使面层与垫层结合不牢而产生空鼓。1.1.3垫层或基层质量不好引起空鼓。垫层使用材料不合格、配合比掌握不当、拍振不实, 使垫层强度低、收缩大, 与面层形成两张皮;电线暗管等埋设不牢, 抹灰过程中松动, 影响面层与基层结合, 产生沿电线管空鼓。
1.2 地面裂缝原因:
1.2.1沿楼板板缝长度方向裂缝。主要是灌缝施工时质量粗糙、板缝清理不干净、混凝土浇灌不实、养护不好、板缝混凝土强度不够就增加施工荷载。1.2.2顺楼板支座搁置方向裂缝。预制板受荷后产生挠度, 板端上翘而使楼板端头出现裂缝;安装楼板时支座不座浆或座浆不实;接头灌缝不严。1.2.3地面面层不规则裂缝。主要是因为水泥安定性不好, 强度不足;采用不同品种、标号的水泥混用, 由于凝结硬化时间及收缩量不同造成裂缝;沙子粒径过细, 含泥量过大;水灰比过大, 配合比不准确;面层养护不及时或不养护;基层不平整, 使面层厚薄不均匀, 或面积较大而未设分格缝, 在表面产生收缩裂缝。
1.3 地面起砂:
1.3.1原材料不合乎要求。水泥品种、标号选择不当或使用过期水泥;砂子过细, 含泥量过大。1.3.2拌合物稠度过大, 造成骨料沉淀和吸水, 降低了表面强度和耐磨性。1.3.3地面压光过早或过迟, 养护过早或不养护, 过早上人, 早期受冻等都可能造成起砂掉皮。
1.4 地面脱皮:
大都是因为基层处理不净或施工时垫层表面有积水, 使面层与基层没有结合好;地面面层早期受冻;压光时撤干灰面。
2 预防质量通病的措施
为了消除起砂、空鼓、裂缝及表面脱皮等现象, 在施工中应采取以下措施来保证水泥地面的施工质量。
2.1 楼板安装时要座浆、安实、搁平, 地面面层应在主体结构完工后再施工。遇有楼板安装不平或基层表面严重不平时, 先做一层厚约3cm的细石混凝土找平层, 对于面积较大或楼面荷载分布不均匀的房间, 可在加厚的找平层内加一层钢筋网片 (φ4@200) , 对防止裂缝有显著效果;20m2以上的大房间地面应分格。
2.2 重视灌缝质量。楼板安装后, 应及时进行灌缝。操作程序为:清理板缝杂物, 用水冲洗, 略干后刷素水泥浆一遍, 用0.5水灰比的1:2~1:2.5水泥砂浆灌2~3cm, 捣实后再用C30细石混凝土浇至离板面1cm处, 捣实压平而不光, 然后进行养护。留1cm缝深是为增加找平层与预制板的粘结力。
2.3 板缝中暗敷电线管时, 应将板缝适当扩大, 设吊模, 使电线管包裹于嵌缝砂浆及混凝土中。不要将管子嵌在缝中, 使灌缝砂浆或混凝土只能嵌固于管子上面, 管下形成空隙。电线管不准暗埋板面上的基层中。
2.4 要保证混凝土垫层的施工质量。严格按配合比施工, 用平板振捣器振捣密实, 以保证设计强度。垫层表面要平整, 防止厚薄悬殊过大。底层垫层施工时应将回填土夯实。
2.5 材料要求:必须使用经检验合格的材料。水泥宜采用安定性好、早期强度高的普通硅酸盐水泥 (425#) , 不得用过期、结块、标号不明的水泥。砂子宜采用中粗砂, 含泥量不大于3%。水要用洁净的自来水。
2.6 基层表面清理和湿润:抹灰前必须将基层表面的尘土、浮石、残余灰浆等消除干净, 然后用清水将污物冲洗干净, 冲洗后将污水全部消除, 不得存有积水。在抹灰前一天隔夜浇水, 使水渗入混凝土表面2~3cm, 并待表面稍于后再进行抹灰。
2.7 严格按配合比搅拌砂浆。配合比通常为1:2~1:2.5, 稠度不大于3.5cm, 水灰比控制在0.55左右。水灰比过大, 会使浆粘结力减弱, 当硬化后, 多余的水分残存在砂浆体内形成小水泡或毛细孔, 因而影响地面密实度、强度和耐磨性。另外, 水灰比越大, 体积收缩越大, 易产生干缩裂缝。砂浆要随用随拌, 拌好后要在两小时内用完。
2.8 表面压光时有游离水分浮上来时, 不准撒干灰面, 可适量撒一些1:1干拌水泥砂子拌合物, 铺于其上用靠尺刮平, 厚约2~3rnm, 如水分不足时可用喷壶撤水湿润, 先用木抹子均匀搓打到反出浆来, 然后再用铁抹子压光。
2.9 压光后, 视气温情况, 一般在一昼夜后开始洒水养护, 并用草帘、剧末等覆盖后洒水湿润养护。视水泥品种不同, 连续养护时间不少于7~10天。
2.1 0 避免过早上人, 确保养护期, 强度必须达到50kgf/cm3才能上人。
功能水泥砂浆的研究进展 篇6
水泥乳化沥青砂浆 (CA) 是我国高速铁路板式无砟轨道结构中的充填层材料, 由乳化沥青、水泥、细骨料、水、消泡剂、减水剂、铝粉等材料采用特定设备及工艺拌制制成, 具有良好的自流平性。在稍小的压力下, 可完全填满支撑结构间的间隙 (2~5 cm) , 并可对一些混凝土结构变形损伤在某一限度内进行修补[1]。
随着我国高速、快速铁路板式轨道的快速发展, 水泥乳化沥青砂浆研究成为热点。水泥乳化沥青砂浆作为板式无砟轨道结构的关键组成部分, 对保证轨道平顺性起到了填充、承力、传力、缓冲的作用, 是保证列车在高速运行下平稳、舒适的关键材料, 也是实现板式无砟轨道少维修、免维修的关键。CA砂浆所用配合比为:m (干料) :m (乳化沥青) :m (水) = (900~1 150) : (500~600) : (40-100) , 获得强度为3.20 MPa, 弹性模量为288 MPa的砂浆, 与C30、C40和C50混凝土相比, 水泥乳化沥青砂浆的抗冲击韧性远大于混凝土并具有一定的隔震能力[2]。
2 光催化砂浆
污染物减排与控制成为目前迫切需要解决的重要课题之一。光催化砂浆在氮氧化物 (NOx) 的降解方面显示独特优势。以氮改性纳米Ti O2粉体为光催化材料, 掺入水泥基材料中制备的水泥砂浆、聚合物水泥砂浆应用余降解汽车尾气NOx的场合, 比如城市建筑物的立面、围墙和城市道路周围的地面抹面。研究表明[3], 氮改性纳米Ti O2粉体的掺量为10%时, 光催化效率已达到60%以上。其原理为:
反应产物硝酸在降水过程中除去, 达到降低大气污染的目的。
二氧化钛光催化砂浆降解NOx的能力受紫外光强度、NOx的流速、环境湿度等因素影响。紫外光强度高诱发Ti O2更多的活性位点, 能够显著提高光催化砂浆降解NOx的能力。较高的NOx流速和湿度会使光催化砂浆降解NOx能力下降[4,5]。
3 吸波砂浆
电磁辐射已成为一种新的社会公害, 它不仅影响电子设备的正常运行, 而且会通过热效应、非热效应、累积效应对人体造成直接或间接的伤害。对构筑物表面涂覆电磁屏蔽砂浆, 减弱构筑物对电磁辐射所造成的反射污染具有广阔的应用前景。目前研究较多的有铁氧体、石墨、炭黑、碳纤维和钢纤维等电磁波吸收材料在水泥砂浆上的应用。
水泥材料中的金属氧化物本身具有一定的吸波性能, 但是吸波性能差。用石墨粉、闭孔膨胀珍珠岩与硅酸盐水泥等材料制成具有电磁波吸收功能的砂浆层, 当粒径为200目的石墨粉含量为20%wt时[6], 厚度由1 cm变为3 cm时, 吸收峰增多由2个变为6个, 吸收频带增宽且向低频移动, 在2~3GHz间吸波效果较差, 在3~18 GHz间, 最大反射率为-3 d B, 最小吸收峰反射率达-27 d B。吸波砂浆层的抗压强度、软化系数均符合《建筑保温砂浆》 (GB/T20473-2006) 标准。
以石墨和碳纤维为电磁屏蔽功能基元材料[7], 添加到砂浆中, 部分取代砂浆中的砂, 调整石墨和碳纤维电磁屏蔽功能基元材料的含量, 发现在30~200 MHz频率范围内, 电磁屏蔽效能SE较大, 随着频率增加, 屏蔽效能SE迅速降低。碳纤维的导电性和二维性使其在30 MHz~1.8 GHz范围内, 其屏蔽效能大于石墨电磁屏蔽砂浆SEmin。
4 相变储能砂浆
相变储能材料, 可以利用其物相的变化, 从环境中吸收热 (冷) 量或向环境中释放热 (冷) 量来进行能量的储存和释放。将相变材料加入砂浆中制备成相变储能砂浆, 将其作为环保节能型的建筑功能材料用于建筑墙体中, 提高建筑物的舒适性和能源利用率。
以膨胀珍珠岩和陶砂为相变材料, 系统研究了单独掺和复合掺对水泥砂浆储能研究[8], 结果表明:膨胀珍珠岩基相变材料掺、陶砂基相变材料掺以及二者复掺来说, 导热系数分别降低到0.254 W/m·K、0.275 W/m·K和0.188 W/m·K。相变储能砂浆的蓄热系数较大, 数值在11.38 W/m2·K~23.48 W/m2·K之间。
以癸酸-月桂酸与膨胀珍珠岩复合储能颗粒为轻骨料, 配制相变储能保温砂浆[9~10], 其相变温度为23.12℃, 相变潜热为73.77 J·g-1。该砂浆可应用到建筑围护结构中, 可以降低建筑能耗, 在发展生态建筑领域具有广阔的应用前景。
5 防核辐射砂浆
科技的发展使核能作为一种新型能源被广泛应用于各个领域。同时核技术的发展使各种射线频繁出现在人们的日常生活中, 已对人类身体健康造成严重危害。为此, 学者们对辐射防护进行大量研究, 开发一系列防护材料。水泥基防辐射材料是目前使用最为广泛的射线防护材料[11,12]。
防辐射基元材料一般为重晶石、沸石、硫酸渣型氧化铁粉等。依次以重晶石粉、沸石、硫酸渣氧化铁粉、高铝水泥、石膏的掺比试验取代标准砂的含量, 根据国标GBJ203-83水泥砂浆用料参考, 配制50号强度的水泥砂浆。研究砂浆对氡气辐射的屏蔽效果[13], 结果发现:随着功能基元材料的含量增加, 防辐射水泥砂浆的屏蔽氡效果增大;氧化铁也可以作为建材防氡防辐射的基元材料。
在以重晶石为功能基元的防辐射砂浆中加入铅粉, 利用铅自身对伽马射线的屏蔽性能, 可以增强砂浆的防辐射性能。实验结果表明[14], 当铅粉掺量较低时, 粒度较小的铅粉在砂浆体系中起细集料填充效应, 能够改善孔结构, 增强砂浆的力学性能;但是过量掺入, 则会破坏水泥的水化过程, 影响砂浆的耐久性。利用重晶石具有吸收X射线的性能, 可以代替金属铅板屏蔽科研所、实验室及医院防X射线的建筑物。主要功能基元优选粒径为0.6~1.2 mm、无杂质的钡砂和细度为0.3 mm筛下的钡粉[15]。该建筑材料是使用代替铅板应用于探伤室, 节约了工程造价, 达到了屏蔽X射线的目的。
6 结语
水泥砂浆增强 篇7
本文制备了陶砂植物纤维保温砂浆与水泥基植物纤维保温砂浆, 并对2种保温砂浆开展了以下工作: (1) 优化掺植物纤维保温砂浆的正交试验设计; (2) 分析保温砂浆的强度、密度、导热性能等各因素的影响; (3) 掺植物纤维保温砂浆的导热性能及其它性能之间相互关系研究; (4) 2种保温砂浆性能相互关系的对比分析。解决了传统保温砂浆强度低、体积收缩大、空鼓开裂的缺陷, 配制了工作性能好、强度和热工性能满足设计要求、具有节能环保效果的绿色保温砂浆材料。
1 试验概况
1.1 实验材料及性能
(1) 陶砂:温州陶粒场生产, 由陶粒破碎得到, 粒度0.05~4.75 mm, 筒压强度2.5 MPa, 松散堆积密度770 kg/m3, 1 h吸水率20%。 (2) 水泥:浙江虎山生产, 42.5级普通硅酸盐水泥, 密度3200 kg/m3, 80μm筛筛余量0.3%, 3 d抗折、抗压强度分别为4.5 MPa、25.6 MPa, 28 d抗折、抗压强度分别为9.1 MPa、48.5 MPa。 (3) 砂:粒径0.23~0.45 mm, 堆积密度1600 kg/m3, 含水量1.5%。 (4) 植物纤维:稻壳植物纤维, 长度0.4~0.6 cm, 堆积密度96.5 kg/m3。 (5) 粉煤灰:Ⅱ级灰, 需水量比103%, 密度2.2 g/cm3, 比表面积342.1 m2/kg。 (6) 偏高岭土:比表面积345.2 m2/kg, 化学成分见表1。 (7) 硅灰:二氧化硅含量91.0%, 比表面积261.1 m2/kg, 化学成分见表1。 (8) 纤维素醚:含水量4.2%, 堆积密度460 kg/m3, 水溶液的p H值7.8, 黏度 (2%溶液, 20℃) 为100 000 m Pa·s。 (9) 外加剂:聚羧酸高效减水剂, 密度510 kg/m3, p H值8.5, Cl-含量0.03%, 总碱含量2.3%;掺量为2%时, 砂浆减水率为29%。
%
1.2 试验设计
采用正交试验, 选取主次因素, 确定较好的配比范围。试验中保温砂浆的总质量固定, 保持外加剂占总质量的0.5%不变, 选取正交表L9 (34) 安排试验, 见表2。
注: (1) 为占水泥的质量百分比; (2) 为占胶凝材料的质量百分比; (3) 为占保温砂浆总质量的百分比。
1.3 试验测试
每组配合比采用砂浆搅拌机制作70.7 mm×70.7 mm×70.7mm试块6个, 40 mm×40 mm×160 mm试块6个, 导热系数测试制作300 mm×300 mm×30 mm的试块2个, 标准养护28 d, 按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》和GB/T10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》, 采用1000T试验机对立方体抗压和抗折试件进行试验, 采用导热系数测定仪测试材料的导热系数。
2 结果与分析
2.1 植物纤维保温砂浆正交试验结果与极差分析
保温砂浆的正交试验结果见表3, 极差分析见表4、表5。
由表4可知, 对抗压强度的影响顺序为:B→D→A→C, 即m (陶砂) ∶m (稻壳) 影响最大, 偏高岭土掺量影响次之, 胶凝材料用量影响较小, 粉煤灰掺量影响最小;对抗折强度的影响顺序为:B→C→D→A, 即m (陶砂) ∶m (稻壳) 影响最大, 粉煤灰掺量影响次之, 偏高岭土掺量影响较小, 胶凝材料用量影响最小;对密度的影响顺序为:C→A→B→D, 粉煤灰掺量对砂浆性能的影响最大, 胶凝材料用量和m (陶砂) ∶m (稻壳) 影响相对次之, 偏高岭土掺量影响最低;对导热系数的影响顺序为:B、D→C→A, 即m (陶砂) ∶m (稻壳) 影响与偏高岭土掺量影响相同且最大, 粉煤灰掺量影响次之, 胶凝材料用量影响影响最小。以上结果可知, m (陶砂) ∶m (稻壳) 对于保温砂浆的影响较大, 可以通过改变m (陶砂) ∶m (稻壳) 促进保温砂浆的性能。
由表5分析可知, 水泥基植物纤维保温砂浆抗压强度影响顺序为:B→C→D、A, 即m (砂) ∶m (稻壳) 影响最大, 纤维素醚掺量次之, 偏高岭土掺量与胶凝材料用量最小;对抗折强度的影响顺序为:B→C→A→D, 即m (砂) ∶m (稻壳) 对砂浆性能的影响最大, 纤维素醚掺量影响次之, 胶凝材料用量影响较小, 偏高岭土掺量影响最小;对密度的影响顺序顺序为:B→A→C→D, 即m (砂) ∶m (稻壳) 的影响最大, 胶凝材料用量影响相对次之, 纤维素醚掺量影响较小, 偏高岭土掺量影响最小;对导热系数的影响顺序为:B→D→C→A, m (砂) ∶m (稻壳) 对性能的影响最大, 偏高岭土掺量相对次之, 纤维素醚掺量影响较小, 胶凝材料掺量影响最小。分析试验结果, m (砂) ∶m (稻壳) 对于保温砂浆掺量的影响最大, 偏高岭土掺量对整体性能的影响没有其它材料明显。
由试验结果与基于神经网络模型分析植物纤维保温砂浆的抗压强度与抗折强度、密度与抗压强度、抗压强度与导热系数、密度与导热系数关系可以用式 (1) ~式 (4) 表示。
式中:σ——抗压强度, MPa;
τ———抗折强度, MPa;
ρ———密度, kg/m3;
λ———导热系数, W/ (m·K) ;
a、b、、c、d、e、f、g、h———系统参数。
对于陶砂植物纤维保温砂浆 (TS系列) , 由线性与非线性拟合分析可得参数值:a=2.0837, b=1282, c=0.3, d=0.8, e=0.5532, f=0.01, g=0.4, h=1.54×10-4。可得各指标试验点与模型的对比曲线 (见图1~图4) 。
从图1、图2可以看出, 陶砂植物纤维保温砂浆的抗压强度与抗折强度、密度与导热系数均成线性关系, 导热系数为0.120~0.172 W/ (m·K) 。
从图3、图4可以看出, 陶砂植物纤维保温砂浆的抗压强度为1.22~5.07 MPa, 抗压强度与密度、抗压强度与导热系数成指数关系, 试验点与模型的对比曲线较吻合, 通过数学模型可以很好地反映试验的规律。
对于水泥基植物纤维保温砂浆 (PS系列) , 仍可用式 (1) ~式 (4) 表示各力学性能之间的关系, 参数值a=2.47、b=1288、c=-0.35、d=0.80、e=0.45、f=0.021、g=0.45、h=1.57×10-4。可得各指标试验点与模型的对比曲线 (见图5~图8) 。
从图5~图8可以看出, 水泥基植物纤维保温砂浆的抗压强度为1.91~9.37 MPa, 导热系数为0.13~0.24 W/ (m·K) ;试验各点与模型计算结果的对比曲线较吻合, 同样能够反映试验的规律。
2.2 植物纤维保温砂浆性能相关性分析
通过数学模型计算, TS系列与PS系列抗压强度与导热系数对比曲线见图9, TS系列与PS系列密度与导热系数对比曲线见图10。
从图9可以看出, 当抗压强度一定时, PS系列的导热系数小于TS系列的导热系数, 水泥基植物纤维保温砂浆的保温性能明显优于陶砂植物纤维保温砂浆;由图10可知, 砂浆孔隙率越大, 密度越小, 导热系数越小, 保温性能越好。当导热系数一定时, PS系列的密度小于TS系列的密度, 且两者提高幅度相似。
3 结论
(1) 通过正交试验极差分析表明:对于陶砂植物纤维保温砂浆, m (陶砂) ∶m (稻壳) 对砂浆的抗压强度、抗折强度和导热系数影响最大, 粉煤灰掺量对砂浆的密度影响最大;对于水泥基植物纤维保温砂浆, m (砂) ∶m (稻壳) 对砂浆的各项指标影响最大。当m (陶砂) ∶m (稻壳) =22~34, m (砂) ∶m (稻壳) =13~85时, 有利于保温砂浆的各项性能。
(2) 2种保温砂浆的抗压强度和抗折强度、导热系数与密度呈线性关系;导热系数和抗压强度及抗折强度呈指数关系;通过模型曲线, 由砂浆的强度和密度, 可以推算砂浆的导热系数, 不仅可以简化试验, 而且可以指导生产应用。
(3) 对2种保温砂浆建立的数学模型进行对比, 水泥基植物纤维保温砂浆的综合性能优于陶砂植物纤维保温砂浆, 在实际应用中, 可优先选用水泥基植物纤维保温砂浆。
参考文献
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