生土材料国内外研究

生土材料国内外研究（共6篇）

生土材料国内外研究 篇1

0 引言

生土材料泛指未经过焙烧,仅经过简单加工的原状土质材料,用其建造的建筑称为生土建筑。我国的生土建筑具有7000多年的历史,山西、陕西、福建、云南、黑龙江、内蒙古、河南等地至今仍保留有生土建筑,其建筑形式有窑洞、土坯建筑、夯土建筑等[1],一些古老的生土建筑已成为中华文明的见证和历史瑰宝。生土建筑充分发挥了就地取材和生土材料热稳定性、保温性能好的优势,为人类创造出了适宜的室内环境,同时生土材料还具有调湿、透气、防火、能耗低、造价低等特点,并且在服役结束后能够重新回归自然或直接再生利用。但是,传统生土材料的强度低、变形大、耐水性差,致使生土建筑在抗震、抗水和体积稳定性方面存在先天性不足,而且人们对生土材料性质和生土建筑建造过程缺乏足够的科学认知,这极大地妨碍了生土建筑质量的提高。20世纪50年代后,欧洲地区逐渐开始限制使用生土材料,生土材料和生土建筑一度从科研人员视野中消失。然而,随着可持续发展和低碳经济的深入人心,发展低能耗、低排放、低污染的建筑材料成为建材业的必然选择,人们开始重新审视“生土”这一古老的建筑材料,并逐渐认识到生土材料是名副其实的节能、环保、绿色建筑材料,如果对其进行性能优化与升级利用,则有望使其在我国新农村建设中发挥重要作用。

1 生土材料物理力学性能研究

生土材料的物理力学性能是指热性能、吸水渗水性能、受力变形性能等。近年来,国内外不少学者和科研机构研究了生土材料的吸水性、耐水性、导热系数、应力-应变以及弹性模量等宏观性能,同时也研究了孔隙率、颗粒粘结状况等微观结构,旨在建立生土材料结构与性能的数值关系,为指导生土材料的应用提供理论基础和数据支持。

Matthew Hall等[2,3]针对英国潮湿的温带气候,系统研究了生土材料抗水性、吸湿性与土壤颗粒级配间的关系,并建立了水分侵入程度与时间关系的预测模型。研究表明水分是在毛细吸力的作用下侵入到夯土材料内部的,其吸水率远远低于传统的建筑材料(砌块、混凝土、天然石材和砂浆等),生土材料单位表面水分流入量与侵入时间的平方根呈线性关系,而毛细管吸水率正比于拌合物集料的总表面积与胶凝材料质量分数的比值。因此,可以通过人为调整生土材料拌合物颗粒分布的方法控制水分侵入速率。Morton等[4]研究了生土材料的声学性能,36~63cm厚的生土墙体的消音指数介于46~57dB,优于11cm粘土烧结砖的相应性能(35dB)。MacDougall[5]的研究结果显示,生土材料不是绝热材料而是热惰性材料,具有储存和调控热量的能力。Matthew Hall等[6]证明生土材料的导热系数与干密度和孔隙率无关,而与吸水饱和度线性相关,影响饱和度的主要因素是材料颗粒间的接触程度,也就是说随着原料颗粒级配和压实程度的变化,导热系数会发生相应变化。

国内相关研究集中在生土材料受力、变形和破坏过程等力学性能方面,主要研究生土材料在不同荷载条件下的变形行为,并提出相应的结构加固措施。尚建丽[7]研究了夯土材料的应力-应变关系,结果显示试件的抗压强度与土中粘粒含量、拌合物骨料用量以及养护条件密切相关,不同夯土的弹性模量介于(0.015~0.025)×104MPa,抵抗变形的能力较低,加入集料后有所改善。卜永红等[8]研究了承重夯土墙体在地震荷载作用下的破坏过程、破坏形态、滞回曲线和骨架曲线的特征,结果表明造成夯土墙体抗剪承载能力差别的主要原因是土料的含水量、击实功大小和土的性质以及施工工艺和夯筑方法等因素的差异,采用错层夯筑和加销键夯筑的墙体,破坏时承载和变形能力有明显提高。阿肯江·托呼提等[9]针对新疆传统生土建筑的震害进行了深入的分析和研究,提出了一些实用的抗震加固构造措施,通过对木柱梁-土坯砌体组合墙的有限元数值模拟试验研究,表明木柱梁可以大大改善生土建筑的结构延性,改善其抗倒塌的能力。

2 生土材料改性研究

生土改性是为了改善土壤的物理力学性能(如塑性、工作性、强度和抗侵蚀性等)而改变土壤自身特性的措施。常用的改性材料有矿物掺合料、植物纤维、石灰、水泥、石膏等。Burroughs S等[10]分析了104种土样,利用石灰和水泥配制219种改性土试件,测试了压实的试件的成型率和抗压强度。他们认为无侧限抗压强度大于2MPa的土壤是可稳定土(见图1,图中LS表示线收缩,PI表示塑性指数),当改性土的配比为64%砂、4%水泥和2%石灰时,生土材料抗压强度较高、稳定性较好。Matthew Hall等[11]的研究表明固结夯土材料的渗水性对水泥的掺入量比较敏感,不同配合比的夯土存在水泥掺量临界值,这主要归因于水泥增加了拌合物中细颗粒的数量,降低了其内部气孔的孔径范围,进而影响固结土的渗水性。Jayasinghe C等[12]利用掺量不少于6.0%的水泥改性当地红壤性土,显著提高了生土抗压强度等性能。Nurhayat Degirmenci[13]利用磷石膏和天然石膏对生土砖进行改性,发现改性后生土砖的28d抗压强度可提高4倍,其抗折强度、耐水性能以及干收缩性能都得到提高。Silva B[14]研究了鸟巢的结构特点,认为在生土拌合物中掺入多聚糖可以提高其强度和耐久性,天然聚合物藻朊酸盐也能起到强化生土材料的作用[15]。Acheza等[16]采用海藻、甜菜根和番茄根部的纤维开发的天然聚合剂对生土材料进行改性,发现其能显著提高生土材料的强度和耐水性。Alfred等[17]以不同比例的植物蔬菜纤维作改性添料,提高了生土材料的抗压强度、吸水性能、耐候性能。

周铁钢等[18]利用石膏建造石膏-土坯墙,改性后生土的物理力学性能得到改善,单层石膏土坯墙结构具有良好的抗震性能,并在新疆地区得到推广应用。文献[19]针对豫西北生土建筑墙体材料的物理性质和力学性能进行试验研究,并对改性土样的抗压和抗剪性能进行对比分析,结果表明石灰、矿渣等掺合料可以改善生土材料的力学性能。钱觉时等[20]利用脱硫石膏、粉煤灰等电厂废料改性生土材料,改性后生土材料抗压强度提高2~4倍,抗折强度超过1.0MPa,相比传统生土材料提高1倍,干燥收缩显著降低,耐水性和耐候性能有很大提升。杨久俊等采用磷酸、氢氧化钠、硫酸氢钠和氯化钙等改性黄河淤积泥沙,改性后黄河泥沙的活性系数由54%增至69%,可溶性铝硅含量即活性率Kα值由1.2%提高到4.86%,利用活化泥沙采用震动成型的工艺制备的生土基墙体材料28d抗压强度达到14.9MPa,抗折强度为4.2MPa。刘军等[21]在西安土样中加入不同掺量的粉状固化剂,组分为水泥、粉煤灰、葡萄糖等,随着固化剂掺量的增加,生土墙体材料力学性能、水稳定性能、抗冻性能均明显提高。王贇[22]分析了陕南山区生土建筑震害特点,采用稻草、淀粉和石灰等对生土材料进行改性,研究结果显示生土材料的抗压强度和抗剪强度都有不同程度的提高,其中淀粉改性的抗压强度提高最大,其次是稻草。石坚[23]、焦春节[24]和刘军[25]分别用麦秸、稻草和狗尾草改性土体,提高了土坯的抗剪强度和抗折强度等力学性能。

3 生土材料耐久性研究

生土材料的耐久性是指其抵抗自身和自然环境双重因素长期破坏作用的能力。破坏生土建筑的最主要自然因素依次是风蚀、雨蚀、温度和可溶盐。研究耐久性主要采用实验室模拟条件快速实验,或与自然环境下性能退化相比照的方式进行理论研究和安全评估。

Matthew R Hall等[26]使用气候模拟实验仪对整体水泥夯土墙进行5d流水侵蚀实验,结果表明墙体材料的初始表面吸附性不随颗粒分布的变化而变化,而与水泥的掺量有较大相关性,实验未见水分侵入墙体内部,在距离检测面15cm以外的区域,相对湿度和水分含量均未增加。Bui Q B等[27]采用立体摄影测量法研究暴露在潮湿型大陆气候环境下20年的夯土墙的侵蚀程度(见图2),结果显示素土墙平均侵蚀厚度为6.4mm(为墙体厚度的1.6%),5%消石灰改性土墙为2mm(为墙体厚度的0.5%),由此推断素土墙体材料在相似的气候条件下的使用寿命至少为60年。Guettal A等[28]采用实验室模拟条件(干湿、冻融和喷淋实验)测试结果与自然环境下的情况相比照的方法研究改性生土砖砌筑的墙体的耐久性,结果表明,墙体经过4年的环境作用并没有出现明显的退化现象,实验室条件下的测试结果与真实气候条件下的结果相一致。Olivier Cuisinie等[29]定量分析了硝酸盐、磷酸盐和氯化物对改性生土性能的影响,结果表明低浓度(干土质量的0.62‰)的硝酸盐、磷酸盐和氯化物对改性土的抗压强度不产生影响,而高浓度(干土质量的6‰)盐的影响程度主要取决于养护条件和土壤的性质。

张虎元等[30]选择新疆交河故城原状生土试样和重塑土试样进行干湿循环试验、风洞试验和强度试验,研究生土建筑的干湿耐久性,结果表明土体的干湿循环通过改变土体毛细孔隙中基质吸力、土颗粒表面自由能和可溶盐结晶状态扰动土体微结构,改变土体的强度和抗风蚀能力;在生土建筑本体建成初期,干湿循环对其耐久性的提高是有益的。严耿升等[31]分析了影响土建筑风蚀的最主要因素,如土的粒度、风速、土的含水量和冻融循环次数,数据显示粒径小于0.05mm和大于1mm的土颗粒难以被风蚀,粒径在0.05~1mm的土颗粒可以被风蚀,粒径在0.075~0.45mm的土颗粒易于被风蚀;风速增大、冻融循环次数增多以及土体含水率降低均会导致土体抗风蚀能力下降。

4 生土材料功能化研究

作为用于建筑结构的生土材料主要应承担两方面的作用,其内部保持生土材料固有的保温、调湿等功能,而外部则起承受荷载和抵御外界环境变化(光、热、水等)、阻挡侵蚀介质侵入的作用。从生土材料改性及生土建筑结构优化设计的角度综合考虑是使生土材料完美地承担起这两方面功能的可行思路。

谭晓倩[32]以石蜡膨胀珍珠岩为储能载体,用硅酸钙外壳进行有效封装后,掺入到活化生土基材中,制备了干表观密度为1674kg/m3、28d抗压强度达23MPa、耐水软化系数为0.81的活化生土基石蜡珍珠岩相变建筑材料,该材料具有很好的热工性能:其导热系数为0.35W/(m·K),比热容为1.58W·h/(kg·K),蓄热系数为15.52W/(m2·K),热阻为1.67m2·K/W,热惰性指标为25.91,延迟时间为9.96s,热扩散系数为0.132×10-3m2/s;并在此基础上设计了一套储能相变建筑材料———太阳能-聚砜高分子膜-铜网电阻系统。结果表明,这一系统在冬天完全可以代替耗能的采暖设备,把白天的太阳能转化为电能储存起来,等夜晚温度降到相变材料相变点以下时,蓄电池的电能通过铜网电阻产生热量,供给相变墙材以保持室内温度,真正实现采暖零能耗。柏文峰[33]在整合现有生土墙体技术的基础上,开发了植物纤维和水泥增强型的轻质保温隔热生土材料和重质蓄热型生土材料,使生土材料的应用范围从单一的墙体材料拓展为具有保温、隔热、蓄热等功能的生土材料。

5 生土材料研究面临的问题

(1)土地资源匮乏

土地资源是人类赖以生存和发展的最重要的物质基础。然而,由于环境气候的变化,土地劣化(如盐渍化、荒漠化)现象也日益严重,各国政府均制定了各种限制优质土地资源开采使用的规定。我国共有沙漠及沙漠化土地约150×104km2[34],盐渍土总面积约26.70×104km2,其中耕地面积约6.67×104km2[35]。此外,还有我国独有的黄河流域水土流失问题,黄河下游河道年平均输泥沙量达16亿t之巨。与此同时,我国现代农村村镇建设又需要大量的建筑材料,在国家“禁实”后建筑材料资源供给不足。因此,应该因地制宜地利用我国丰富的劣化土资源制备生土材料,进一步发挥传统生土建筑的优势,弥补生土材料的不足,从而为我国社会主义新农村建设提供节能、保温、绿色的新型墙体材料。

(2)研究与应用脱节

近20年来,鉴于资源与环境的双重压力,人们开始重新审视生土材料和生土建筑,生土材料已经成为了目前国内外研究的热点之一[36,37]。我国“十二五”科技发展规划也更加重视传统建筑材料的性能优化与升级利用,其中生土材料的性能优化与综合利用技术已成为重点发展方向之一。然而,大部分研究止步于生土材料的理论或定性研究,也就是分析改性措施的可能性,由于一些客观原因而未进行下一步扩大试验或建立示范工程,最终没有实现真正的应用。因此,必须有针对性地研究当地土壤的资源特性、改性措施、生土墙体材料的性能和耐久性以及环境经济指数,并适时地推出生土材料科研成果,推广有参考价值和实际作用的经济型建筑技术,才能推动生土材料与生土建筑的可持续发展。

6 展望

目前对生土材料的研究主要集中在探讨力学性能与微观结构的关系,利用水泥、石灰、天然有机物、纤维等材料对生土进行改性以提高生土材料的强度和耐久性,以及测试生土建筑的力学性能、各向异性、热学性能、抗震性和耐久性等方面。虽然以水泥、石灰、粉煤灰和石膏等改性生土材料可以适当提高其强度及抗水性能,但同时也增加了生土材料中的化学键分量,会改变其微观孔结构进而导致生土材料固有的保温、隔热、调湿等功能的弱化或丧失,且随之会给生土材料服役后回归自然带来困难。

生土材料的改性也可借鉴自然界动物的筑巢行为。家燕以禾草、泥巴和唾液混合筑成巢穴,既具强度而又可经风吹雨淋;蚁巢由幼蚁所吐丝液胶结土壤、沙粒等形成[38,39],具有一定抗水能力和强度,尤其是一些蚂蚁悬巢由泥团、小枝叶和工蚁唾液构成,耐水而坚固。动物这种有机唾液结合泥土的方式给人们提供了一种新思路,有机结合剂与粘土表面OH-结合,既不破坏粘土的固有结构,又形成了具有一定强度和抗水能力的复合材料,最重要的是有机结合剂作为易分解组分,可在一定物理、化学作用或自然条件下降解,不仅能实现制品的无害化回归自然,还可提高粘土中的有机质含量,增加土壤肥力。

因此,如果在充分掌握粘土的结构、活性特征、激活途径和固结机理的基础上,借鉴生物界有机物-粘土复合材料的模型,辅以植物纤维和骨料,制备出强度适中、具有较好抗水保温性能、可适时崩解回归自然的改性生土材料,则对于发挥地域优势,因地制宜地开发新型建筑材料,以及推动生土材料的性能优化与综合利用具有重要意义。

生土材料国内外研究 篇2

赵宙

化学化工学院化学三班 兰州 730070 摘要：钛及钛合金因具有优异的综合力学性能在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子等行业得到高度重视和广泛应用15年前国外高度重视新型钛合金的研制近几年国外更重视钛合金性能改性和挖潜。国内从钛合金研发开始一直重视新型钛合金研制，10年前重点是仿制,之后是既创新又仿制,目前以创新研制为主。本文介绍近10年国外、国内钛合金研究的发展现状、趋势与差距，及对我国钛合金研制的建议。

关键词：钛合金材料、性能、发展、研究、应用

Research on titanium alloy materials at home and abroad in the recent ten years

Zhao Zhou Chemical engineering chemistry class 3 Lanzhou 730070 Abstract: titanium and titanium alloy with excellent comprehensive mechanical properties in the aviation, aerospace, shipbuilding, petroleum, chemical industry, the weapons industry, electronic industry attaches great importance to and widely used 15 years ago abroad attach great importance to the development of new type of titanium alloy in recent years, attaches great importance to the performance of titanium alloy modification and tapping.Domestic starting from the research and development of titanium alloy has always attached great importance to the new titanium alloys developed, focus on generic 10 years ago, after is both innovative and generic, mainly developed at present.In this paper, the recent 10 years on the titanium alloy research home and abroad, the development present situation, trend and gap, and some Suggestions of titanium alloys developed in China.Keywords: titanium alloy materials, performance, development, research, and application 1 钛及其钛合金的简介 1.1 钛的简介

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，在地壳中的丰度为0.56%，在所有按元素中居第9位，而在可作为结构材料的金属中居第4位，仅次于Al、Fe、Mg，其储量比常见金属Cu，Pb，Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。

钛是一种金属元素，灰色，原子序数22，相对原子质量47.87。能在氮气中燃烧，熔点高。钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。99.5%工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1725℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25%，断面收缩率ψ=25%，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。1.2 钛合金的简介

钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。

合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：

1）.稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。

2）.稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。

3）.对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。2.钛合金的性质及优越性

钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。2.1 热强度高

使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。2.2 抗蚀性好

钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。2.3 低温性能好

钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。2.4 化学活性大

钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15 mm，硬化程度为20%～30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。2.5 导热系数小、弹性模量小.3 钛合金的发展史

第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75%～85%。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。

20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。

另外，20世纪70年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。

目前，世界上已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有20～30种，如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-

3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等[2,4]。钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。99.5%工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为172 5℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25%，断面收缩率ψ=25%，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。4 目前国内外钛合金的研究 4.1 国内

4.1.1高温钛合金

近10年及将来5~10年高温钛合金研发主要集中 在600e高温钛合金。600e高温钛合金研究对象主要是Ti60和Ti600。Ti60合金是以中科院金属所为主研。Ti600是西北有色金属研究院独家研制的,Ti600 合金的研制达到中试试验规模,国外一公司已正式订购。Ti60钛合金名义成分为Ti2515Al24Sn22ZrMo2013Si21Nd20105C,是在Ti55基础上改进研制的, 是一种用稀土金属Nd强化的综合性能良好的近A型热强钛合金。该合金长时间工作温度可达600e,用于航空发动机高压段的压气机盘、鼓筒和叶片等零件。金属所在Ti60金基础上又研制出Ti60A合金(Ti2518Al2410Sn2315Zr2014Mo2014Si2014Nb2014Ta20105C)。4.1.2 高强钛合金

高强钛合金研究主要集中在TB8(B21s),TC18(BT22)高强钛合金,TC21高强高韧损伤容限型钛合金]等。4.2 国外 4.2.1船用

美国Tmiet公司与美国海军联合开发了一种具有强度适中、韧性高、焊接性能好的近A钛合金,命名为Tmietal5111,其名义化学成分为Ti25Al21Zr21Sn21V2018Mo2011Si[3]。该合金的突出特点是具有良好的断裂韧性及抗应力腐蚀性能,同时又具有良好的室温蠕变性能。其冲击韧性约为Ti26Al24V的3倍,并且易焊接,可以进行大规格型材的焊接,主要用于舰船制造和海洋工程。在Tmietal5111合金基础上添加0105%P,它3创制出了Tmietal5111Pt合金，主要为了提高耐缝隙腐蚀性能,以达到一种合金多种用途的目的。除船用外,该合金还可以向石油化工及氯碱工业推广应用。4.2.2生物医用

最新开发的生物钛合金主要有:Ti25Al23Mo24Zr,Ti26Al27Nb,Ti213Nb213Zr,Ti235Zr210Nb等。

4.2.3 飞机

钛合金是当代飞机和发射机的主要结构材料之 一，美国在 20 世纪 80 年代以后设计的各种先进军 用战斗机和轰炸机中，钛的用量已在 20%以上。如 第 3 代 F-15 战斗机的钛合金用量占 27%，而第 4 代 F-22 战斗机的钛合金用量占 41%。F-22 战斗机 是美国洛克西德公司、波音公司和通用动力公司设 计的战术战斗机，是目前世界上具有代表性的第 4 代战斗机。它首次将隐身、高机动性和敏捷性、不 加力超音速巡航等特性融于一体，将作为美国空军 2000 年以后的主力制空机种。

F-22的发动机上还采用了美国新发展的阻燃钛 合金 Alloy C，E，用于高压压气机机匣、加力燃烧 室筒体及尾喷管上。

在舰载飞机 F/A-18 中，钛合金主要用于飞机的 承力框纵梁、翼根和尾部结构等关键部位。所用钛 合金主要有 Ti-6Al-4V 和 Ti-15-3(Ti-15Mo-3Al-3Sn-3Cr)。机身和机翼接头均采用 β 退火的 Ti-6Al-4V，而制动器扭力管用 Ti-6Al-4V 铸 件。另外，为降低成本，提高材料利用率，在着陆 拦阻钩支架接头及发动机安装架还采用了热等静压 的 Ti-6Al-4V 粉冶金制造。

其他如联合攻击战斗机（JSF）是一种低成本、多用途战术攻击战斗机，将取代美国空军现役的 F-16C 和 A-

10、海军的 F/A-18E/F、海军陆战队的 F/A-18 和 AV-8B 等机型。V-22 是美国贝尔直升机 公司为海军陆战队研制的运输型倾转旋翼机，具有 直升机能垂直起降、悬停等优点，又增强了固定翼 飞机高速飞行与远航的优点。V-22 倾转悬翼机是能 与喷气发动机或直升机相媲美的技术。其中风档密 封框架、发动机短舱主结构、主防火墙等使用了钛 合金，而作为转子系统、发动机主要支承件的传动 接头，则由 Howmet 公司用一个整体钛铸件取代了 原有的 43 个元件和 536 个紧固件。5 结束语

目前，钛及钛合金在各个领域里都发挥了举足轻重的作用。随着时代的发展，科技的进步，钛合金必将有广阔的前景和发展空间，它将为人们提供更大的便利，创造更大的经济和社会效益。参考文献

国内外生土材料热学性能研究综述 篇3

生土材料是一种具有悠久历史的古老建筑材料, 最早可追溯至公元前1 万年, 它的使用范围遍布世界各地, 为世界文明的发展做出了重要贡献[1]。目前在我国甘南藏族自治州、宁夏回族地区、新疆、福建、云南、内蒙古、河南等地至今仍保留着生土建筑[2,3]。生土材料具有能耗低、造价低和良好的保温性能等优点, 但因其强度较低、耐水性差等原因, 使生土材料逐渐受到摒弃。近年来, 随着可持续发展和新农村建设的相关内容深入人心, 低碳环保的生土材料又引起了广泛关注。国内外对生土材料的资源化利用进行了一系列研究, 解决了生土材料力学及耐久性方面的缺陷, 但对热传递方面的系统性研究还有所欠缺。如果能在对其力学性能和耐久性能优化的同时, 兼顾其保温隔热性能, 绿色环保的生土材料必将得到进一步推广应用。基于此, 本文从不同改性组分、不同体积密度和湿含量等方面分析了国内外有关生土热学性能方面的研究现状。

1 不同改性组分对生土材料热学性能影响研究现状

生土材料本身在物理力学性能、耐久性等方面存在明显不足, 不适合广泛应用。因此, 在实际使用过程中, 使用者大多对生土材料进行了物理或化学改性, 增强了生土材料的力学性能和耐久性。但是, 不同的改性组分对生土的热学性能影响也有较大区别。笔者分别就水泥与石灰、纤维及其他改性组分对生土材料热学性能的影响进行了分析。

1. 1 水泥与石灰对生土材料热学性能影响研究

1995 年, E. A. ADAM等[4]运用稳态热流法对掺水泥、石灰改性不同类型生土材料的导热性能做了一系列的研究, 得到水泥、石灰对不同类型生土材料导热性能的影响。通过分析掺石灰及水泥的生土砌块的导热系数值可知: 对于两种不同类型的生土材料, 掺石灰生土砌块的导热系数都要普遍低于掺水泥的生土砌块, 这可能是由于掺水泥增加了生土砌块的密实度, 而掺石灰降低了生土砌块的密实度所致。这种趋势也可以从实验结果中看出, 如掺石灰的生土砌块密度范围是1 540 ~ 1 860 kg/m3, 其导热系数范围在0. 26 ~ 0. 41 W / ( m·K) , 掺水泥的生土砌块密度为1 820 ~1 920 kg / m3, 其导热系数范围在0. 46 ~ 0. 55 W/ ( m·K) 。

2006 年, S. Kenai、R. Bahar等[5]运用稳态热流法对掺加不同含量的水泥和石灰的生土材料进行了导热系数的测试。S. Kenai和R. Bahar认为对不同类型的生土材料, 水泥或石灰掺量的多少对导热性能都没有一个固定的趋势, 导热系数在0. 84 ~ 1. 25 W/ ( m·K) 变化不定。S. Kenai认为夯土试样的导热系数变化可能主要是由于样品的含水量不同或者样品的密度不同所导致的。

1. 2 纤维对生土材料热学性能影响研究

Younoussa Millogo、Jean - Claude Morel等[6]采用瞬态导热法研究了掺不同含量、不同长度木槿麻纤维的压制土坯块的导热性能。结果表明: 随着纤维含量和长度的增加, 试样的导热系数下降。相对于30 mm长度的纤维, 60 mm长度的纤维在压制土坯块中占有更大的体积, 而纤维的导热系数低, 导致压制土坯块导热系数降低。与不掺纤维的试块相比较, 掺0. 4wt% 、30 mm的纤维, 导热系数下降了9% , 掺0. 8wt% 、60 mm的纤维, 导热系数下降了20% 。从导热性能来看, 选用掺0. 8wt% 、60 mm的纤维的生土砌块较好, 但是过多的纤维掺量降低了试样的抗侵蚀性能。

2013 年, 西安建筑科技大学吴谨[7]采用瞬态热线法在室内空气相对湿度45% 的情况下测试了素土、外掺0. 3%和0. 5% 麻草、外掺3% 和5% 红署淀粉各组土样的导热系数。结果表明加入麻草、红薯淀粉两种外加剂后, 土样导热系数相比素土均有所下降, 其中外掺质量分数为0. 5% 麻草的改性生土, 改性效果最为明显, 导热系数为0. 699 8W / ( m·K) , 而素土导热系数为0. 783 8 W / ( m·K) , 导热系数下降11% 。

柏文峰[8]研究了用废纸加工的再生纤维增强轻质生土材料, 得到二次纸纤维增强砌块的干密度在800 kg/m3左右, 与蒸压加气混凝土的干密度相近。实验结果表明: 掺二次纸纤维及水泥增强的轻质生土材料导热系数为0. 100 4~ 0. 117 6 W / ( m·K) , 均小于0. 25 W / ( m·K) , 属于绝热材料。这说明二次纤维的掺入不仅对密度影响大, 对导热性能也有较大影响, 具有良好的保温隔热能力。

1. 3 其他改性组分对导热性能的影响

郑寒英[9]采用风化页岩、矿渣、粉煤灰、石灰、稻壳灰、水玻璃和草纸经浸泡处理而成的纸浆对生土材料进行不同改性, 测试了经改性后生土材料的导热系数。结果表明: 经不同改性剂改性后生土材料的导热系数与改性前相差不大, 故认为对生土材料进行改性不会破坏其原有的热工性能。但不同改性剂对生土材料热工性能的影响略有差异, 经化学改性剂改性后土样的导热系数比经物理改性土样的导热系数更大, 其中掺植物纤维土样的导热系数接近原土样的导热系数。在经化学改性剂处理的土样中, 稻壳灰处理的试样导热系数最高, 但相差不大。

谭晓倩[10]以生土、矿渣、胶砂、激发剂、水和吸附石蜡膨胀珍珠岩为原料, 制备出干表观密度为1 674 kg/m3、导热系数为0. 35W/ ( m·K) 的活化生土基石蜡珍珠岩相变建筑材料。谭晓倩认为活化生土基石蜡珍珠岩相变建筑材料的低导热系数是由于吸附石蜡的膨胀珍珠岩的掺入所导致。膨胀珍珠岩吸附石蜡后内部仍然保留了许多微孔结构, 微孔中的空气导热系数比其他纯水泥基材料的导热系数都要低, 而且由于孔隙的几何尺寸小, 限制了气体分子的自由行程, 使得其内部包含的空气基本上处于静止状态, 对流传热量大大减小; 另一方面, 由于大量孔隙的存在, 使得单位材料体积内固体孔隙壁的截面积减小、传热路径延长, 从而使导热量降低。与此同时, 由于大量孔隙壁相当于存在无数个遮热板, 故使得辐射传热也大大削弱。

2 不同体积密度对生土材料热学性能影响研究

联合国人类住区中心在已发表的文献中总结了生土材料的热学性能, 发现干密度和对应导热系数的关系和其他矿物材料类似。并在报告中指出体积密度变化与其导热系数变化是相对应, 例如土坯块密度范围是1 200 ~ 1 700 kg/m3, 其导热系数范围是0. 46 ~0. 81 W/ ( m·K) ; 夯土墙密度范围是1700 ~ 2 200 kg / m3, 其导热系数范围是0. 46 ~ 0. 81 W/ ( m·K) ; 压制生土砌块的密度范围与夯土的密度范围类似, 可导热系数范围却不同, 为0. 81 ~0. 93 W/ ( m·K) [4]。

西安建筑科技大学尚建丽、刘加平等[11]采用热脉冲法测试了不同龄期对应的不同含水率下的夯实粗粒土的导热系数。结果表明: 夯实粗粒土的导热系数随着夯实密度的减小而减小, 随着含水率的增加而增加。尚建丽等认为作为建筑围护结构材料, 由于既要考虑承重又要保证热工性质, 必须兼顾夯实密度与导热系数的协调性, 控制最佳含水率以达到最大的密实度, 可以保证夯土材料最佳蓄热能力, 使夯土建筑达到夏季的“冷房效应”、冬季的“暖房效应”。

陈兵、胡华洁等[12]以生土作为掺料, 制备了生土泡沫混凝土。研究了生土泡沫混凝土的干表观密度、导热系数等。结果表明: 生土泡沫混凝土的导热系数随着泡沫掺量体积分数的增大而减小, 随微硅粉掺量质量分数增大, 生土泡沫混凝土保温隔热性能得到改善。利用生土作掺料, 同时掺加20% 微硅粉, 可以制备出干表观密度和导热系数分别为790 kg/m3及0. 156 W/ ( m·K) 的性能优异的生土泡沫混凝土 ( 泡沫掺量为60% ) 。泡沫掺量75% 的生土泡沫混凝土的纳米级孔隙量低, 保温隔热性能好。当其作为墙体材料时, 可以提供人体舒适的湿度和温度室内环境, 但其抗压强度还有待提高。

上海交通大学李胜男[13]以黏土取代石英砂, 采用普通硅酸盐水泥、高铝水泥和发泡剂等原材料制备黏土质泡沫混凝土。探讨了泡沫掺量和微硅粉掺量对黏土质泡沫混凝土表观密度和导热系数的影响。试验结果表明: 泡沫掺量和微硅粉掺量对泡沫混凝土保温隔热等性能有较大影响, 其中泡沫掺量在40% ~ 60% 时最为合适。随着泡沫掺量的增大, 导热系数不断减小, 黏土质泡沫混凝土的表观密度不断降低; 随着微硅粉掺量的增大, 黏土质泡沫混凝土的保温隔热性能得到提高。当表观密度为1 100 kg/m3左右时, 黏土质泡沫混凝土的导热系数为0. 24 W/ ( m·K) 。

3 不同含湿量对生土材料热学性能影响研究

西安科技大学闫增峰[14]对生土建筑的夯土墙围护结构的导热性能做了研究, 在实验室中利用稳态和瞬态相结合的方法得到生土建筑围护结构试块的导热系数。结果表明:夯土墙体的导热系数随着含湿量的增加而增加, 在常温 ( 25℃ ) 、常湿 ( 60% ) 情况下, 夯土墙的导热系数近似为0. 720W / ( m·K) 。

李刚、姜曙光等[15]分析了纯黏土材料的导热系数与含水率的关系, 在试件的强度最大时材料最为密实, 因此, 材料内部的孔隙少、强度高、而导热系数也高, 当含水率为25. 23% 时, 导热系数达到0. 804 6 W/ ( m·K) , 当含水率为29. 22% 时, 导热系数为0. 693 8 W/ ( m·K) 。强度为最大时, 导热系数也达到最大值。说明此时材料的保温效果较差。因此, 对于纯黏土试件来说, 在满足强度使用的条件下, 可逐步提高试件成型时的含水率, 使材料在干燥后内部有密闭的孔隙存在, 可以使材料的导热系数进一步降低, 在不同水泥掺量下, 含水率增大, 材料导热系数有所下降。石灰∶ 粉煤灰∶ 水泥∶ 粘土= 7∶ 5∶ 2∶ 86, 试件成型时含水率控制在35% 时, 导热系数为0. 353 6 W/ ( m·K) 。

Matthew Hall和David Allinson[16]研究了水泥稳定夯土材料 ( SER) 的导热性能, 认为对于高度夯实生土材料的导热系数与其干密度或其孔隙率没有直接关系。对于随着相对密度的增加导致导热系数增大的现象, Matthew Hall等认为是由于内部的颗粒与颗粒接触的更紧密导致导热系数增大, 与最大干密度本身无关; 并提出具有相同矿物成分的夯土材料内部粒子表面接触程度是影响导热系数的主要因素。而且Matthew Hall等还认为随着水分饱和度增加, 含湿导热系数也随之增加, 并随着材料的颗粒级配的不同呈梯度变化, 如图5 ~ 6 所示。这主要是由于水分的增加, 土颗粒与土颗粒之间的毛细孔被水分填充, 增大了颗粒与颗粒之间的接触, 因此, 热量更容易传输, 导热系数变大。而且理论上导热系数 λ*的增长与实际测量的趋势是相同的, 二者的斜率也很相似。

4 结语

生土材料是农村传统特色建材, 在建筑史上发挥着不可替代的作用。本文通过不同改性组分、不同体积密度和湿含量等方面对生土材料的热学性能研究现状进行了分析, 分析发现对生土材料固有的保温、隔热、调湿等功能研究不足。尽管有研究者对生土材料的热学性能进行研究, 但由于各个研究者选取的测试方法不同, 导致结果偏差大, 不能够统一比较, 进而造成了研究结果缺乏系统, 并且缺乏统一的检测标准。因此, 建议在以后的研究避免出现上述类似问题, 进而推动生土材料的热学性能研究更加严谨、科学。同时使生土材料在保留特有生态优势的基础上适应现代生活需求, 使其应用更加广泛。

摘要：本文详细阐述了国内外生土材料在热学性能方面的研究现状和进展, 着重探讨了不同改性组分、不同体积密度和不同含湿量对生土材料导热的影响, 以期对以后研究生土材料热学性能有所裨益。

生土材料国内外研究 篇4

望的材料利用率。下料系统的意义，可以归纳为:通过节约材料、减少下料工作量和化简切割工艺，1 龙麒文：最优二维下料最终达到降低产品成本的目的。1.节约材料，提高经济效益 人工下料受人的工作态度、能力等主观因素所限制，很难给出材料利用率最高或者接近最高的下料方案。应用计算机辅助优化下料，可以充分发挥计算机强大的计算能力，经过大量下料方案的比较，选出材料利用率最高或者接近最高的下料方案，以达到节约材料的目的。2.减少下料工作量，加快下料速度 人工下料时，为了得到一个较好的下料方案，往往需要长时间的反复工作。而计算机辅助下料，则可以在非常短的时间内完成下料，并且得到高质量的下料方案。3.化简切割工艺，减少切割工作量 下料时经常遇到这样的情况，存在许多材料利用率接近的下料方案，称其中材料利用率最高的下料方案为最优下料方案。应用计算机辅助下料，可以在大量的达到最优或接近最优的下料方案中，选择切割工艺尽可能简单的下料方案，减少切割工作量。在生产实践中，下料问题广泛出现并等待解决。下料的优劣，直接与材料成本及经济效益有关，而传统的手工下料效率低、劳动强度大，不仅耗费了企业技术人员大量的劳动，而且下料时间长、材料利用率低，降低了企业的生产效率和企业的市场反应能力，增加了生产成本。在激烈的市场竞争中，企业必须降低生产成本、提高生产效率、增强对市场的反映和应变能力，否则，将面临淘汰的威胁。企业必须寻求快速高效的下料方式，以提高在市场中的竞争能力。所以，特别是在零件种类繁多，零件数目巨大，零件形状复杂的情况下，由人工实现下料问题的难度很大，而利用计算机辅助下料可以通过计算机实现优化下料工作，节约材料、减少下料工作量，提高下料效率，最终达到降低产品成本的目的，提高了企业的竞争力。对下料问题的研究已经有很久的历史，特别是在最近的三十年，这类问题已经在操作研究和计算机科学两方面都取得了广泛的关注，原因是它有巨大的理论背景和广泛的应用领域。1.1.2 下料问题的分类及应用 我们通常说的下料问题，指的就是平面下料问题，按照零件的维数可以划分为：一维下料问题、二维下料问题和三维布局问题，其中二维下料问题是研究最广也是最深入的因为研究的侧重点和表现形式不同，广义的说，下料问题又有很多名称，如：下料问题、装箱问题、背包问题、货盘装载、布局问题、最优平衡、内存分配等。随着二维下料问题应用范围的越来越广泛，对其的研究也逐渐加深，从开始的对矩形件的下料问题研究，到对不规则零件的下料.由于二维不规则零件下料问题有着有更广泛 2 2010 届数学与应用数学专业毕业论文的应用领域，所以，也成为了目前下料问题研究的重点和难点。下料问题广泛应用于铂金加工，服装，印刷业中各种图书的排版，航空航天工业，造船业，纺织业，玻璃加工业及交通运输，电子工业中集成电路的排布及仓库零件的存储等。表 l 所示为材料下料问题较多的行业，这些行业构成了下料的主要应用领域： 表 1 构成了下料的主要应用领域 应用分类 举例 金件加工 工业用各种金件、厨房用具和各种家用电器用金件、打字机 电子元件用金件、电动机用硅钢片、造船业金件 服装行业 各种布料、皮革下料，如衬衫、西服、鞋袜、降落伞等。布 料皮革定级中的优化下料等 纸业与玻璃页 办公用纸、财务用纸的裁制等，玻璃的裁制 木材制品 各种家具 印刷业排版 各种书刊、报纸排版、印刷电路板 集装箱装货 将货物组合优化后装入有限空间的集装箱中 型材棒材下料 棒材、角钢、工字钢等各种型材下料，建筑业中钢筋、铝合 金下料 微电子工业 集成电路的排布 军事国防 图形目标的搜索等优化问题 航空航天 航天器仓布局1.2 二维下料问题1.2.1 二维下料问题的分类 二维排料问题大致分为两类：第一类是矩形件下料问题，这类问题可以说是下料问题研究的热点，在工业生产中常见的要求有两类:一是材料数量无限，而要求的矩形件数量是固定的，要求耗用材料量最少二是材料数量有限要求排列出尽可能多的矩形，使废料最少。第二类是不规则件的下料问题。这类问题是下料问题研究的难点，由于零件和材料均为任意形状，切各自的大小均不同，使得每一次排料均得重新下料，因此，增加 3 龙麒文：最优二维下料了问题的难度，所以下料问题的解法只是寻找一个较好的解决问题的方法，寻找近优解而不是最优解。1.2.2 二维下料问题现状综述 优化下料技术的研究理论涉及到线性规划、动态规划、启发式算法以及人工智能等多种学术研究前沿理论，国内外许多学者对二维下料（下料）问题进行了大量的研究，取得了一定的成果。对于学术的深层发展和繁荣，具有一定的推动意义： Lindecrantz1 1964 首 次 提 出 基 于动 态 规 划解 决矩 形 材等 切 割 问题 的算 法。Gilmore amp Gomory 2 3 1965，Beasley 4 1985都是采用的用动态规划解决无约束二维截断切割问题。Viswanathan amp Bagchi5 1993提出了一个从底向上的最佳优先搜索算法，解决约束二维直角截断切割问题。黄继进 6 1994结合动态规划和人工智能启发式搜索的思想，通过修正 Haims 使用动

态规划法实现二维矩形优化排料的算法，提出了带预选搜索步深的二维一刀切矩形优化排料算法，简称 GRSCO 排料算法。Tarnowski71994提出了解决二维 Guillotine 切割问题的多项式（二次）时间算法，将初始问题分解为三个子问题，其中两个由多项式时间内的动态规划求解，还有一个子问题求解的时间为常量。1.2.3 二维下料问题的发展趋势 目前排样问题的主要研究热点集中在二维排样方面，主要包括矩形排样和二维不规则排样问题。矩形排样方面，主要以研究动态规划方法、矩形定位策略和排样方案智能搜索为主。二维不规则排样方面，由于形状的复杂性，还必须考虑几何形状上的表示方法，以及几何区域之间的重叠、靠接、包含等计算同时旋转角度上的随意性使得可行的排样方案数量上为无穷大。因此当前研究趋势主要集中在以下几个方面: l不规则形状的表示和几何计算:不规则形状表示在早期的文献中多采用矩形拟合方法，目前这种方法由于不够精确已很少出现，而主要以点阵图形表示法和多边形表示法为主。其中点阵表示法图形计算较为简单，但是精度较低，时间复杂度较高。多边形表示法目前已成为研究热点，用于快速计算多边形重叠判断和靠接位置的临界多边形 NFP 则是多边形法排样的关键问题。2零件定位策略:从原来的“最左最下”原则，目前己发展到“最低水平线”、最高材料利用率、以及综合评价等原则。3方案编码和解码:从最初的序号编码，目前发展到主要包括序号和角度编码，序号、角度和向限区间编码，坐标点和角度编码，是否允许镜像等因素也逐渐加入到 4 2010 届数学与应用数学专业毕业论文了编码当中。方案的解码负责将编码还原为具体的排样方案，必须和零件定位策略相结合，并在保证零件不重叠等约束条件下得到一个排样方案。4智能搜索算法从最初的启发式算法目前发展到大量采用智能算法例如模拟退火算法、禁忌搜索算法、遗传算法、人工神经网络以及蚁群算法等。1.3 论文背景及主要研究方向1.3.1 论文背景 XX 玩具实业有限公司是集设计、开发、生产、销售为一体的中大型企业，真正具有自主品牌的毛绒玩具企业。XX 公司位于占地面积 10000平方米，环境优雅，交通极为便利。公司现有衣车300 台，裁床机 4 台，打棉机 2 台，冲棉机 3 台，龙门过针机 2 台，电脑绣花机 3 台，及其它配套的设备。产品设计人员均为大专以上设计及相关专业毕业，具有极高的灵感及创意。曾在行业产品设计比赛中多次获得殊荣。开发师们功底同样深厚，都有至少 4 年以上的工作经历，技术娴熟，深谙消费者的理念。公司拥有自己的玩具品牌，有 30 多个系列 1000 多个品种，涵盖毛绒玩具、节日礼品、汽车用品、文具用品、手机玩具、床上用品、儿童玩具、声控玩具、影控玩具、录音玩具、音乐玩具、电动玩具、智能玩具等，产品不仅新颖美观，而且大方实用。公司立足大陆，面向世界。除在国内建立经销加盟的网络外，还和众多知名的公司建立良好的合作关系。在国外公司产品出口欧美、俄罗斯、日本、台湾等国家和地区，公司的品牌产品已经走向五湖四海。公司严格执行 GB6675-2007、GB9832、GB5296.5 和欧洲 EN--71 的标准生产，参照“COC”社会责任运作，于 2009 年通过 ISO9001:2008 国际质量体系认证。公司秉承着以为消费者提供高质、环保、安全、时尚的毛绒玩具的宗旨，引导国内玩具市场的流行趋势，致力于打造中国玩具毛绒玩具第一品牌1.3.2 论文主要研究内容 毛绒玩具是绝大多数小孩子所喜爱的玩具，消费量很大，中国制造的毛绒玩具也很普遍。然而，大部分企业技术含量低，劳动强度大，资源浪费严重，经济效益低。显而易见，只有开发出一种最优化的利用原材料进行合理的下料，就能改变这种资源浪费。经过多次试验比较，我们终于成功开发了这项技术，并成立此玩具公司，进行 5 龙麒文：最优二维下料科学高效利用原材料，合理下料。生产毛绒玩具的过程中，主要生产环节就集中于玩具的裁剪和缝纫问题上面，其中，关于裁剪方面的布料下料最大化利用则是企业利润提升的关键，所以，在这，我们通过所学的专业知识，对二维下料的最大化利用作相关的探讨和研究。现 XX 公司收得一份 10 万毛绒玩具的订单，因公司的生产线和生产原材料即布匹尺寸是固定的，制作毛绒玩具所必需的裁剪样式也是由 5 种裁剪图样所构成：图样【1】3 件、图样【2】3 件、图样【3】2 件、图样【4】1 件、图样【5】1 件。我们要实现公司的的利润最大化利用，就必须通过最优化处理，找到最合适的下料方法，使布匹的利用率达到最大化，以此，我们利用最优二维下料来解决此事。1.4 解决问题的方法与思路 对于二维下料问题，下料方式要满足零件长，宽方向上的套裁，所以远比一维下料复杂且数量大得多.因此，我们希望通过降维启发式方法即通过形成“板条”而把二维下料问题降为一维下料的方法来解决.在此称一维下料的原材料为“条材”，而二维下料的原材料为“板材”.板材与条材的区别在于:条材加工时只考虑长度而板材要同时考虑长、宽.如果把零件成组看待，板条就是这样一种零件组:其在一个方向上的长度等于或近似于原材料的长或宽方向的长度然后在另

生土墙体材料研究现状及发展方向 篇5

生土建筑包括夯土建筑、土坯建筑、掩土建筑等多种形式, 其中, 夯土建筑是我国古代建筑技术史上的重要成就之一, 源远流长, 使用广泛。夯土建筑除了取材方便、经济实用之外, 有一定承载力、整体性强, 热工性能优越, 加之成套的夯筑技术早已成熟, 因而至今许多农村仍使用传统夯土技术建造土房。

从人类社会形成以来, 生土墙体材料一直是主要的建筑材料之一。一方面, 传统生土建筑墙体材料的发展与提高, 对人类居住条件的改善十分重要;另一方面, 日渐严重的环境污染已成为制约全球经济发展的主要因素, 而生土建筑的建设可以减少对生态的破坏, 保护和改善自然环境, 有利于社会的可持续发展。在农村与乡镇住房建设方兴未艾的今天, 不盲目模仿大城市建高层楼房, 珍惜资源节约能源, 走中国式的村镇发展道路, 是消灭“城市病”, 恢复乡村生态特色的重要途径。当前, 节约型、资源效益型, 灵活适应性和风格多样性应当成为中国乡村建筑的基本特征, 生土墙体材料建筑就是我国广大农村居住建筑的重要形式之一。

生土墙体材料的研究与开发方面, 在许多发达国家和世界知名的富裕国家, 仍有大量的建筑使用生土墙体材料。传统的混凝土材料和石灰类材料完成寿命周期后, 成为建筑垃圾, 而生土建筑材料可以无限循环使用, 与环境共存的特征优于水泥混凝土类材料。国外应用了混凝土预制结构和基础结构, 水泥板和土地板、稳定土填充墙、钢顶。该工程的环境影响评价结论是环境敏感性能很好、使用生态影响小的材料很好, 使用可更新的原料好, 使用低含能的材料合理, 运行能量消耗优秀, 维护结构优秀。而在国内, 生土材料主要出现在我国一些干旱少雨地区、工业不发达的偏僻农村, 其技术附加值很低, 与其他建筑材料相比, 性能太差。

目前生土墙体材料的研究在西方国家的许多地区得到了科研人员的高度重视, 也进行了深入研究, 如美国有关部门成立了能源和环境研究中心, 专门立项开展夯土建筑诸多方面的研究, 但是由于夯土材料分布广泛、组成复杂, 不能保持固定不变的性能, 适用性随国家地区土质不同而变化, 尤其是夯土材料对夯土建筑稳定性的影响, 长期以来一直作为生土建筑领域研究的课题, 正因如此, 国际上每两年要召开一次生土建筑研讨会, 探索生土建筑及生土材料性能研究新进展。

现代生土建筑对生土墙体材料在强度和耐久性方面提出了新的要求, 研究的起点也从素夯土向改性夯土材料性能研究发展, 美国人居环境中心将土的改性看作“为了满足特性应用要求, 获得持久性质而对土—水—气系统性质的改变”, 其主要目的是改变土的孔结构、力学性能、体积稳定性、耐久性。所谓土体改性就是采用在常温下向土中加入改性材料, 并施加一定的外力, 通过土内发生的一系列物理化学反应使土粒胶结, 从而改变土的原有结构和性质, 达到增强土体的耐久性和力学性能的目的。改性技术通常有三种:一是密实技术, 通过颗粒的合理级配, 使夯土的密实度最大, 从而提高夯土强度;二是掺入适当骨料, 增加夯土骨架作用, 提高强度;三是掺入活性掺和料, 增加夯土内固相物质的重组, 以提高强度和耐久性。

2 生土墙体材料研究的目的和意义

我国西部地区幅员辽阔, 自然资源丰富, 但经济发展较为落后, 随着中国西部大开发, 在全世界积极呼唤环保的今天, 改善居住条件, 建立人与自然和谐相处协调发展的关系, 使农村建房成为生态环境建设的一部分, 生土墙体材料建筑是行之有效的解决住房缺乏的方法。但是在进行传统的生土墙体材料建筑时, 人们常常只凭借经验, 而缺乏科学系统的指导。因此在研究开发传统生土墙体材料建筑时, 对土加以改性并系统的研究分析, 提出耐久性改善的技术途径, 具有现实的使用意义。

生土墙体材料的力学性能和物理性能是保证生土建筑长期稳定使用而不破坏的技术性质之一, 因此针对生土墙体材料经常受承重、雨水、冻结之作用, 分别进行了不同土体、改性生土墙体材料抗压强度、抗折强度、抗剪强度、收缩变形、耐水性、抗冻性的试验研究及分析。通过有效地改性措施, 提高生土墙体材料的力学性能和耐久性能。通过不同土体的生土墙体材料、改性生土墙体材料的力学性能和耐久性能试验进行系统的研究, 研究掺和料对生土墙体材料性能的改善程度, 寻求掺和料与最佳性能对应的品种及合理掺量, 使改性后生土墙体材料的耐久性达到国家标准要求, 不但有利于改善室内居住环境, 节约能源, 降低建筑物的使用成本, 使乡村生土墙体材料可以作为新型墙体材料用于农村中提供了理论基础和实践依据, 而且对保持我国国民经济的持续发展有十分重要的意义。

3 生土墙体材料优点

生土墙体材料具有以下优点: (1) 结构性:生土墙体材料经改性后强度可达4 MPa~8 MPa, 可用于建造多层房屋; (2) 热稳定性:生土墙体材料具有较大的蓄热性, 可保证房屋冬暖夏凉; (3) 舒适性:生土墙体材料具有吸放湿作用, 可调节室内湿度; (4) 环境友好性:生土墙体材料无虫蚁结露; (5) 施工技术灵活性:手工、机械均可; (6) 可再生性:拆除后回收可作为农田肥料和再利用。

正是由于上述生土墙体材料独有的优点, 长期以来, 一直作为各国学者们研究关注的热点。据有关文献介绍, 各国研究人员根据自己本国的具体土质情况, 依据土质特征, 开展了大量的试验研究, 探索出影响生土墙体材料功能的各种因素, 并提出了一整套的规范及标准, 从而杜绝了不合格土质用于生土夯筑墙, 保证了生土建筑质量, 发挥了生土建筑的功能优势。

4 存在的问题

对于未掺掺和料的生土墙体材料力学性能和耐久性能的研究主要存在以下几个问题: (1) 生土墙体材料的安全承载能力是其具有力学性能, 而力学性能又受多种因素的影响, 诸如, 土的自身组成、化学成分、颗粒级配、物理性质等, 但是普遍存在着凭感觉确定水土比例, 凭经验确定夯实密度。因此, 需要考虑生土墙体材料的力学指标在什么范围, 是否达到承载要求, 设计无依据, 选材无目的; (2) 研究对不同土质掺入不同掺和料, 建立对生土墙体材料建筑中用土进行评估、选择和改性的一套完整体系是过去传统生土材料建筑所不能具备的; (3) 生土墙体材料抗压强度、抗剪强度小, 难满足其性能的要求; (4) 生土墙体材料收缩变形大, 与木材难以紧密相粘, 埋入生土墙体材料中的木门和木窗周围常有裂缝出现; (5) 生土墙体材料易被水侵蚀, 吸水后变重, 强度变低; (6) 生土墙体材料受吸湿—冻融循环的能力差, 掺和料和养护制度是非常重要的因素, 对其研究有着十分重要的意义; (7) 生土墙体材料在提高土的力学性质, 增加密实、提高抗风化能力的同时, 生土墙体材料内部构成, 结构必然发生变化, 原有的生土墙体材料所具有的热学性质, 吸放湿性质必然会受到影响, 如何协调生土墙体材料力学性质、热湿性、耐久性三者之间的关系, 在试验研究中寻求变化规律, 也成为亟待解决的问题。

参考文献

[1]杨静编著.建筑材料与人居环境[M].北京:清华大学出版社, 2001.

[2]韩全卫.建筑材料工业的可持续发展[J].建材工业信息, 2002.

生土材料国内外研究 篇6

关键词：黄河泥沙,生土材料,生土改性,协同效应

黄河河道淤积泥沙矿物组成主要是石英、长石、方解石和黏土,其化学组成除硅铝外,其它组分大致有如下规律[1]: Ca O>Fe2O3>Mg O>Ti O2>Mn O[1],有机质含量为0.4%~0.8%,p H值为7.5~8.5[2]。颗粒主要为0.005~0.075 mm的粉粒,粉粒含量一般高达80%以上,粘粒不足20%。这造成了黄河泥沙可塑性和抗压强度低,在工程应用方面表现为难以与稳定材料形成良好的物理化学联结,限制了黄河泥沙在生土材料领域的应用。

目前,通常利用水泥、石灰、工业固体废弃物、有机物、纤维等材料固结强化生土,改善生土材料的力学性能和耐水性。 Burroughs[3]分析了104种土壤,并通过石灰和水泥改性土壤, 结果表明,土体自身的无侧限抗压强度大于2 MPa才能够取得良好的固结强化效果。Ciancio等[4]的研究表明,生石灰掺量3%~4%时,生土材料的孔隙率达到最佳。Mehmet等[5]研究了黏土和砂掺量对生土材料抗压强度和可塑性的影响。Sayyed等[6]通过植物根茎改善生土材料的强度和耐水性。钱觉时等[7]利用脱硫石膏、粉煤灰等改性生土材料,改性后生土材料抗压强度提高2~4倍,抗折强度超过1.0 MPa,比传统生土材料提高1倍,干燥收缩显著降低,耐水性和耐候性有很大的提升。

本文在借鉴上述研究结果的基础上,探索黄河河道淤积泥沙固结强化并应用于生土材料的可能性。通过无机胶凝材料、有机聚合物和植物纤维共同固结强化黄河泥沙,研究了3种改性措施之间的协同效用,为推进黄河泥沙的资源化利用提供理论和实践基础。

1试验

1.1原材料

黄河泥沙:取自黄河下游的花园口,天然含水率44.8%, 主要化学成分见表1,使用时将黄河泥沙用6%Ca Cl2活化处理,得到活化泥沙;P·O42.5水泥:开封孟电水泥有限公司生产,28 d抗折和抗压强度分别为8.8、53.4 MPa;Ca Cl2、Ca(OH)2和丙烯酸:分析纯试剂;生石灰:市售,有效Ca O含量大于70%;粉煤灰:活性指数为0.78;试验用砂为河砂,Ⅱ区中砂; 黄麻纤维:长8 mm,密度1.2 g/cm3,长径比70,拉伸强度405 MPa,拉伸模量16.4 GPa。

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1.2生土材料的制备

以Ca Cl2活化黄河泥沙为主要原料,按照表2配合比制备生土材料,其中无机胶凝材料组成为m(水泥)∶m(生石灰)∶m(粉煤灰)=1∶1∶1.2,丙烯酸钙通过丙烯酸和氢氧化钙反应制得。拌合料在模具内振捣成型,试件尺寸为240 mm×115 mm× 53 mm,脱模后室温自然养护至规定龄期进行性能测试。

注:1丙烯酸钙外掺,按占材料总质量计;2黄麻纤维外掺,按占材料总体积计。

1.3性能测试方法

28 d抗压强度依据GB/T 5101—2003《烧结普通砖》进行测试,软化系数是自然养护27 d后浸水24 h试件与自然养护28 d试件抗压强度的比值[8]。用日本理学JSM-6700F扫描电镜对生土材料断面进行SEM微观结构和EDS分析。

2试验结果与分析

2.1无机胶凝材料对生土材料性能的影响

(见图1)

由图1可以看出,随着无机胶凝材料掺量的增加,生土材料的抗压强度和软化系数呈上升趋势。在无机胶凝材料掺量由16%增至25%时,生土材料的抗压强度增长比较明显,由2.8 MPa增至7.1 MPa;无机胶凝材料掺量继续增大到28%时,抗压强度仅增至7.3 MPa,增速明显放缓。生土材料的软化系数与抗压强度的增长趋势基本一致。这是由于拌合料中水泥、生石灰和粉煤灰总掺量的增加,体系内水化硅酸钙、Ca(OH)2和硅胶所构成无机胶凝水化网络的固化作用和抗水性随之增强。因此,从最大程度地利用消纳黄河泥沙和满足产品的基本性能指标这两方面考虑,试样中黄河泥沙的掺量为65%,无机胶凝材料为25%,砂为10%,拟通过聚合物和植物纤维进一步改善生土材料的性能。

2.2丙烯酸钙对生土材料性能的影响

(见图2)

由图2可以看出,丙烯酸钙掺量为1.8%时,生土材料的抗压强度达到14.1 MPa,与基准试样相比提高1倍以上。这是由于丙烯酸和氢氧化钙加入到黄河淤泥后发生酸碱中和反应生成丙烯酸钙,丙烯酸钙会发生自由基聚合反应,形成不溶于水的网状高分子链,这样生土颗粒就被强度高、有塑性的链包围,形成一个空间网,并与无机胶凝材料的水化产物共同起到提高生土砌块强度的作用[9]。同时由于丙烯酸钙聚合物有保水作用,在试件饱水条件下吸收的大量水分会减少泥沙颗粒在受压条件下的滑移阻力,因而软化系数明显下降。

2.3黄麻纤维对生土材料性能的影响

(见图3)

由图3可以看出,掺入黄麻纤维能够提高生土材料的抗压强度,当体积掺量为0.8%时,试件抗压强度为9.3 MPa,较基准试件提高33%,黄麻纤维的掺入可以在生土材料中形成互相搭接的三维网络结构,在材料受压产生变形时,由于黄麻纤维牵拉作用能够吸收部分破坏能量,减缓裂纹的延伸,进而提高生土材料的强度。同样,由于黄麻纤维的阻裂作用,试件的软化系数与基准试件相比并无太大差异,都维持在0.9以上。但黄麻体积掺量过大时,会增大生土材料的气孔率,并在纤维间产生棚架效应劣化其性能。尽管黄麻纤维具有明显的增强效果,但其本身的局部物理强化作用与丙烯酸钙的有机网络还是有一定差距,强度的提高仍然有限。

2.4黄河泥沙基生土材料微观结构分析

依据以上试验结果,丙烯酸钙的最佳掺量为1.8%、黄麻纤维为0.8%,采用物理强化与有机聚合物固化相结合的方法,制备的黄河泥沙基生土材料28 d抗压强度为13.9 MPa, 软化系数为0.88,说明黄麻纤维有效地弥补了丙烯酸钙降低生土材料耐水性的不足,并与聚丙烯酸钙共同强化基体材料。

表2中18#试件的SEM照片和EDS图谱见图4,图4(c) 中各点的能谱分析见表3。

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图4(a)和(b)显示,粗砂和泥沙颗粒周围均匀分布大量的絮状胶凝材料,黄河泥沙得到良好固结强化,确保生土材料具有初步的强度和耐水性。图4(c)中拔出纤维表面凸凹不平,有大量的水泥和生石灰的水化产物;EDS分析结果显示主要是C-S-H和CH(见表3),说明黄麻纤维与生土材料基体界面结合紧密,能够有效地强化生土材料。由于丙烯酸钙掺量较低,SEM未能分析明显有机聚合物网络以及互穿网络的微观形态[10]。生土材料的强度网络体系以无机胶凝材料作为最基本强度的支撑体,以聚合物和植物纤维作为改性固结的辅助体,最终形成连续、半连续和互相搭接的网络结构体系, 共同强化固结黄河泥沙。

3结论

(1)通过无机胶凝材料、聚丙烯酸钙和黄麻纤维3套网络结构体系的协同作用,黄河泥沙能够得到良好固结。

(2)SEM和EDS结果显示,粗砂和黄河泥沙颗粒周围均匀分布大量的絮状胶凝材料,拔出纤维表面粘结有大量无机水化产物,表明黄麻纤维与基体材料形成良好的物理粘结。

(3)以65%黄河泥沙和25%的无机胶凝材料,辅以1.8% 丙烯酸钙和0.8%黄麻纤维,采用传统的振捣成型和自然养护工艺,能够制备出抗压强度13.9 MPa、软化系数0.88的生土材料。

参考文献

[1]王兆印,林秉南.中国泥沙研究的几个问题[J].中国泥沙研究,2003(4):73-81.

[2]胡康博.黄河泥沙沉积物的理化性质及其对磷的吸附行为研究[D].北京:北京林业大学,2011.

[3]Steve Burroughs.Soil property criteria for rammed earth stabilization[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2007,20(3):264-273.

[4]Ciancio D,Beckett C T S,Carraro J A H.Optimum lime content identification for lime-stabilised rammed earth[J].Construction and Building Materials,2014,53:59-65.

[5]Mehmet Emirogˇlu,Ahmet Yalama,Yasemin Erdogˇdu.Performance of ready-mixed clay plasters produced with different clay/sand ratios[J].Applied Clay Science,2015,115:221-229.

[6]Sayyed Mahdi Hejazi,Mohammad Sheikhzadeh,Sayyed Mahdi Abtahi,et al.A simple review of soil reinforcement by using natural and synthetic fibers[J].Construction and Building Materials,2012,30:100-116.

[7]钱觉时,王琴,贾兴文,等.燃煤电厂脱硫废弃物用于改性生土材料的研究[J].新型建筑材料,2009(2):28-31.

[8]Guettala A,Abibsi A,Houari H.Durability study of stabilized earth concrete under both laboratory and climatic conditions exposure[J].Construction and Building Materials,2006,20:119-127.

[9]Peng Liu.Polymer modified clay minerals:A review[J].Applied Clay Science,2007,38(12):64-76.