轻质水泥基材料（精选9篇）
轻质水泥基材料 篇1
0前言
目前建筑能耗约占我国全社会总能耗的28%，预计到2020年建筑能耗将占总能耗的30%～40%，成为全社会第一能耗大户[1]。因此，建筑节能将是贯彻落实节能减排基本国策中起关键性、决定性作用的重要环节。
外墙外保温是房屋建筑节能工程中的重要环节之一，而实现外墙外保温的基本保障是轻质保温材料。迄今为止，国内外墙外保温中的保温层80%是可燃性有机保温材料(主要指发泡聚苯乙烯和硬泡聚氨酯)。这类有机保温材料最致命的弱点是易燃烧，而且燃烧时会释放有毒气体，给消防安全带来巨大隐患。2009年底公安部、住房和城乡建设部联合签发了公通字[2009]46号文件《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》，明令禁止聚苯泡沫板等可燃性保温材料在外墙外保温施工工程中的使用。在这种形势下，无机不燃性轻质保温材料迅速成为建筑节能工程中替代聚苯板类有机可燃性保温材料的期待材料。与此同时，其制备和应用技术的研究也迅速成为外墙外保温材料领域的热点研究课题。
水泥基不燃性轻质保温材料(以下简称NFFC材料)，又称发泡水泥保温板，是一种以硅酸盐水泥为主要原料，密度小于300 kg/m3的泡沫混凝土，是一种新型外墙外保温材料。作者就这种材料的制备方法开展了实验室研究，同时就各项工艺参数对制备过程和材料性能的影响进行了试验研究和分析。
1 试验
1.1 原材料
P·O42.5水泥(PC)、化学发泡剂(FA)、聚羧酸高效减水剂(SP)、聚丙烯纤维(PF)、苯丙乳液(BE)、有机硅憎水剂(WP)，均为市售;促凝剂(NA)，主要成分NaAlO2、早强剂(MC)，主要成分MgCl2，均为实验室自制。
1.2 试验方法
1.2.1 NFFC材料制备工艺
NFFC材料的制备采用化学发泡法，其工艺过程如图1所示。
1.2.2 材料性能测试方法
（1）干密度
按照GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》，取边长为100 mm、养护龄期为28 d的立方体试样，置入电热鼓风干燥箱内，缓慢升温至(110±5)℃，烘干至恒定质量，然后移至干燥器中冷却至室温。恒定质量的判定依据为恒温3 h,2次称量试件质量的变化率小于0.2%。称量试件自然状态下的质量M0，保留5位有效数字，计算样品的干密度。
(2）吸水率
按照JG/T 041—2011《复合发泡水泥板外墙外保温系统应用技术规程》规定的方法进行测试。随机抽取3块样品，在中心部位切取边长为150 mm、厚度为30 mm的试样3块。首先将试件在(70±5)℃下烘干至恒定质量，放入干燥器，并冷却至室温，称量烘干后的试件质量G0，精确至0.1 g;再测量每块试件3个不同方向的几何尺寸，计算试件的体积V;然后将试件完全浸入水温为(20±3)℃，底部有格栅的水箱中，浸泡3h。取出试件后立即放在拧干水分的毛巾上吸水10 min，再用海绵吸取每个试件表面的水分，每次吸水前要用力挤出海绵中的水。待试件各表面残留水分吸干后，立即称量试件的质量Gs，精确至0.1 g。以3个试件的测定结果的算术平均值作为材料的吸水率测试结果。
(3）导热系数
参照GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》，利用DRH-III导热系数测试仪(护热平板法)进行测试。样品为边长200 mm、厚度20 mm的正方形板块。在试样到达预定养护龄期3 d前，将试件放入电热鼓风干燥箱中，在(105±5)℃下连续烘干3 d，然后立即将试件取出，放入干燥器中冷却至室温，进行导热系数测定。
(4）抗压强度
按照GB/T 5486—2008进行测试，取边长为100 mm的立方体试块，置于标准养护箱内养护至规定龄期。先测量试样尺寸，精确至1 mm，并计算试样的受压面积，再采用液压式万能试验机以(10±1)mm/min的速度连续而均匀地对试样进行加荷，直至破坏，记录破坏荷载P1，精确至10 N。计算样品的抗压强度，精确至0.01 MPa。
2 试验结果与讨论
2.1 NFFC材料制备方法和工艺条件的研究
2.1.1 NFFC材料制备条件的建立
NFFC材料的制备主要是通过化学发泡与水泥的凝固、硬化作用来实现。由于气泡的高能量和不稳定性特点，要求在制备过程中气泡的产生与水泥的凝固和硬化速度合理匹配，要求水泥浆必须具备快凝和快硬的特性，尤其是对于密度小于300 kg/m3的NFFC材料。这就是早期的NFFC材料为什么采用硫铝酸盐水泥作为胶凝材料的根本原因所在。但是，硫铝酸盐水泥作为一种低碱性水泥，在长期使用过程中存在耐久性问题。因此，本文试图用硅酸盐水泥全面替代硫铝酸盐水泥制备NFFC材料。与硫铝酸盐水泥相比，普通硅酸盐水泥的凝结时间和硬化速度要慢得多。因此，必须加快其凝固和硬化速度，同时解决快速凝固与料浆流动性之间的矛盾。基于上述分析，重点就促凝剂、早强剂和减水剂3个参数对NFFC材料的浇注成型情况进行了试验，以摸索成型的基本条件。试验结果见表1。
由表1可以看出，固定水泥用量、水灰比、减水剂、发泡剂的用量，当早强剂掺量为1.8%、促凝剂掺量为1.0%时，泡沫混凝土浇注成功;当早强剂的掺量降为1.1%时，泡沫混凝土料浆硬化速度跟不上，发生塌模;当早强剂掺量为2.1%时，发泡浇注体出现冒泡现象，泡沫稳定性欠佳，导致塌模。另一方面，当促凝剂掺量为0.7%时，制得的料浆凝结硬化速度延迟，试样最终塌模;当促凝剂掺量为1.2%时，料浆凝结速度过快，不能很好地与发泡速度匹配，试样最终塌模。根据浇注成型情况可以确立基体成型的基本条件：早强剂掺量1.2%～2.0%、促凝剂掺量0.8%～1.1%。
2.1.2 制备条件的优化
在上述制备条件基础上进一步就早强剂和促凝剂的适宜掺量进行优化试验。
(1）早强剂掺量的优化。
固定促凝剂NA掺量为1.0%，水灰比0.54，减水剂掺量0.5%，水泥用量300 g，在1.2%～2.0%内间隔0.2%改变配合比中早强剂的掺量，就NFFC材料的浇注情况和硬化体的性能进行跟踪试验，以便找出早强剂MC的最佳掺量。试验结果见图2。
由图2可以看出，掺量较低时NFFC硬化体试样的抗压强度随早强剂掺量增加而提高，但当早强剂掺量超过1.8%时，硬化体的抗压强度开始下降;另一方面，早强剂掺量小于1.2%时，因为凝固后的料浆不能及时硬化，浇注体试样比较容易塌模，因此，确定早强剂最佳掺量为1.8%。
(2）促凝剂掺量的优化。
固定早强剂MC掺量为1.8%，水灰比0.54，减水剂掺量0.5%，水泥用量300 g，在0.7%～1.1%范围内间隔0.1%改变配合比中促凝剂的掺量，就NFFC材料的浇注情况和硬化体的性能进行跟踪试验，以便进一步确定促凝剂NA的最佳掺量。试验结果见表2。
由表2可以看出，当促凝剂掺量在0.8%～1.1%时，无论从料浆流动性或发泡浇注体的稳定性来看，都比较有利，并且，促凝剂的掺量对硬化体抗压强度的影响较小。但是，当促凝剂掺量继续降低至0.7%时，因为料浆凝固时间滞后，发泡浇注体发生塌模。综合考虑促凝剂掺量对料浆流动性和硬化体强度的影响，确定促凝剂的最佳掺量为0.8%。
综上所述，初步确定NFFC材料的最佳制备基本条件为PC 300 g,MC 1.8%,NA 1.0%,SP 0.5～0.6%,FA 5.3%,W/C 0.54,该材料的性能如表3所示。
从表3及试验过程可看出，该材料的抗压强度、导热系数性能已基本满足外墙外保温的使用要求。但吸水率偏高，表面有起粉现象，有待于进一步改善。
2.2 NFFC材料的改性研究
2.2.1 整体性改善
针对NFFC材料表面起粉的现象，作者尝试采用纤维增强的方法改善其韧性和整体性[2,3]，并对添加了聚丙烯纤维硬化体样品表面起粉的现象和抗压强度进行了试验，结果见图3。
从图3及试验过程可以看出，随着纤维的掺入，NFFC材料的整体性显著改善，表面起粉现象明显减少，而且，在0.6%～1.6%掺量范围内随着纤维掺量增加样品整体性的改善效果提高;同时，随着纤维掺量的增加样品的抗压强度显著提高。但是，过量的纤维掺加引起硬化体强度降低。因此，纤维的适宜掺量为0.8%～1.0%。
2.2.2 耐水性改善
针对NFFC材料吸水率偏高的问题，作者采取了添加憎水剂和乳液的方法对其进行改性。憎水剂主要通过对水分的吸附或排斥作用实现对水分移动的阻止，而乳液则是通过固化成膜从而形成物理阻断作用来实现对水分移动的阻止[4,5]。
(1）憎水剂对耐水性的改善作用
在基础配合比中掺入适量有机硅憎水剂和0.8%聚丙烯纤维，进行发泡浇注试验，同时进行硬化体样品的吸水率和抗压强度试验，结果如图4和图5所示。
由图4可以看出，少量憎水剂的引入立即引起硬化体样品吸水率的大幅度降低。基体样品的吸水率为38%，而添加0.1%～0.3%憎水剂后的硬化体样品的吸水率迅速降低至8%以下，意味着NFFC材料的耐水性大大改善。从图5可以看出，过多憎水剂的引入对硬化体强度产生副作用，因此，憎水剂的适宜掺量确定为0.1%～0.2%。
(2）乳液对耐水性的改善作用
在基础配比中掺入适量苯丙乳液和0.8%聚丙烯纤维，进行发泡浇注试验，同时进行硬化体样品的吸水率和抗压强度的试验，结果如图6和图7所示。
由图6和图7可以看出，随着苯丙乳液掺量的增加，试样吸水率明显降低。当掺量为0.3%～0.4%时，吸水率降至8%～9%，且此时试样抗压强度最大。当掺量继续增加时，吸水率呈提高趋势，抗压强度呈下降趋势。因此，苯丙乳液的最佳掺量为0.3%～0.4%。
综上所述，试验最终确定NFFC材料的最佳制备条件如表4所示。
根据表4制得NFFC材料的性能获得很大的改善，其干密度290 kg/m3、28 d抗压强度1.1 MPa、吸水率6.11%、导热系数0.07 W/(m·K)。各项性能完全满足外墙外保温使用要求，且优于市场上同类产品，NFFC作为一种新型保温材料完全可以在外墙外保温体系中推广应用。
3 结语
(1)通过合理匹配促凝剂和早强剂以及其它混凝土外加剂，完全可以用硅酸盐水泥替代硫铝酸盐水泥制备密度低于300 kg/m3的超低密度泡沫混凝土，可使泡沫混凝土制品的耐久性大大改善。
(2)NFFC材料的最佳制备条件为：早强剂掺量1.8%、促凝剂掺量0.8%、聚丙烯纤维掺量0.8%～1.0%、有机硅憎水剂掺量0.1%～0.2%、丙苯乳液掺量0.3%～0.4%。由此条件制得NFFC材料的干密度为290 kg/m3,28 d抗压强度可达1.1MPa，吸水率6.11%，导热系数0.07 W/(m·K)。
参考文献
[1]吴宏雄.建筑节能大有可为[N].福建日报,2010-07-15(002).
[2]张爱玲.聚丙烯纤维增强混凝土性能的分析与应用[J].工程建设与设计,2011(4):170-175.
[3]李汝海.掺加聚丙烯纤维改善混凝土性能的研究[J].交通标准化,2008(8):208-210.
[4]冯晶.有机硅憎水剂在建筑上的应用[J].四川建材,2006(3):7-8.
[5]贾建军,王会元,沈恒.聚合物水泥防水灰浆的研制和应用[J].新型建筑材料,2010(4):81-83.
轻质水泥基材料 篇2
新世纪国际水泥工业的发展趋势是以节能、降耗、环保、改善水泥质量和提高劳力生产率为中心，实现清洁生产和高效率节约化生产，走可持续发展的道路。研究的重点主要是围绕水泥工业节能降耗、减少厂有害气体(C02、S02和NOx等)排放以及低品位原燃料、工业废弃物的资源化利用等方面，具体表现在两个方面：一是国际水泥工业技术与装备上新型干法水泥生产技术向着大型化、节能化以及自动化方向发展，如高效预热分解系统、第三代“控制流蓖板”和第四代“无漏料横杆推动”蓖式冷却机、新型辊式磨及混压机粉磨系统、自动化控制及网络技术、新的熟料烧成方法如流态化床和喷腾炉烧成技术、高效除尘技术、炯气脱硫除氮技术等的开发和应用，使水泥工业进入现代化发展期。二是水泥及水泥基材料的研究是以水泥的生态化制备、先进水泥基材料、水泥的节能和高性能化、废弃物出资源化利用以及水泥制备和应用中的环境行为评价和改进等方面为研究开发重点，两者相辅相成，推动了水泥工业的可持续发展。
一、水泥的生态化制备和生态水泥的发展
随着科学技术的发展和人们环保意识的增强，水泥工业的可持续发展越来越得到重视，自20世纪70年代开始，美国、法国、德国、日本等工业发达国家就已研究和推进废弃物替代天然资源的工作，并在二次能源的资源化利用方面取得良好进展。
生态水泥的研究也是目前水泥研究的热点之一。生态水泥是一种新型的波特兰水泥，其中含有20％左右的C11A7.CaCl2(代替C3A)，它适用于建造房屋、道路、桥梁和混凝土制品等。这种水泥的研制不仅解决了城市及工业垃圾处理问题，而且还通过垃圾的循环利用系统保护了环境。
二、先进水泥基材料的研究
随着建筑业、海洋业和交通业等的飞速发展，超高、超长、超强和在各种严酷条件下使用建筑物的出现，对水泥与混凝土材料提出了更高的要求，高强度、长寿命、低环境负荷是当代水泥材料发展的主要方向。先进水泥基材料以现代材料科学理论为指导，以未来胶凝材料为主要研究目标，其目的是把传统的水泥与混凝土材料推向高新技术领域进行研究和开发。
三、以节能为中心低钙水泥熟料体系的研究和开发
从水泥矿物着手开发节能型矿物体系，即低烧成温度及易磨性好的矿物和矿物体系，是实现水泥工业节能、环保的有效技术途径。因此，降低熟料组成中CaO的含量，即相应增加低钙贝利特矿物的含量，或引入新的水泥熟料矿物，可有效降低熟料烧成温度，减少生料石灰石的用量，从而降低熟料烧成热耗。
目前，国内外已先后开发出了硅酸盐体系等节能矿物体系。其中在承担国家“九五”和“十五”科技攻关项目的研究工作中，由中国建筑材料科学研究院研制、开发并应用于国家重点工程的高贝利特水泥(即低热硅酸盐水泥)是近年来国内外在水泥基材料研究的又一重大突破。该水泥与通用硅酸盐水泥同属硅酸盐水泥体系，即熟料Ⅱ矿物也是由C3S、C2S、C3A和C4AF组成，两者不同之处主要是：高贝利特水泥是以贝利特矿物(C2S)为主，其含量在50％左右。低热硅酸盐水泥的研制成功，在制备工艺技术上解决了C2S矿物的活化的高活性晶型的常温稳定这两个国际难点，并首次实现了在水泥回转窑系统直接制备高活性的高性能低热硅酸盐水泥熟料。以硅酸二钙为主导矿物的低热硅酸盐水泥在制备工艺上具有低资源能源消耗、低环境负荷和低综合生产成本等特点，其烧成温度为1350-C左右，比通用硅酸盐水泥低100qC，烧成过程中C02、S02、NO等废气排放量降低10％以上；在水泥性能上，低热硅酸盐水泥28d抗压强度与通用硅酸盐水泥相当，后期强度高出通用硅酸盐水泥510MPa，而水泥的水化热低于通用硅酸盐水泥20％以上，实现了水泥的低热、高强和高性能、此外，由于其熟料中的c3s和c3A含量低，因而低热硅酸盐水泥还具有优异的抗硫酸盐性能、抗折强度高，干缩低，耐磨性能好等特性，能很好地满足高性能混凝土的高工作性、高强度和高耐久性三大技术要求，尤其适用于高性能混凝土、高强高性能混凝土、水工大体积混凝土的制备。
四、高胶凝性高钙水泥熟料体系的研究．
“高性能水泥制备和应用的基础研究”是国家重点基础研究发展规划项目，以实现水泥的高性能化为研究目标，主要围绕以下三个方面开展研究工作：提高水泥熟料的胶凝性，提高性能；通过对了业废弃物进行合理的活化处理，开辟出能够调节水泥性能的新的辅助胶凝组分，尽可能大量地取代水泥料；通过大幅度提高水泥应用过程中的水泥基材料耐久性，延长建筑物安全使用寿命，大幅度降低水泥的长期需求量，建立由高胶凝性水泥熟料与低钙的性能调节型材料共同构成的强度与耐久性兼优的高性能水泥材料新体系，实现水泥和水泥基材料的高性能化和生态化。高胶凝性水泥熟料体系的研究主要集中在CaO-Si02-A1203-Fez03体系硅酸盐熟料矿物体系，主要技术路线在于提高熟料中C2s在含量至70％左右、通过掺杂技术实现新型干法水泥生产烟烧工艺条件下的烧成，以水泥熟料形成理论为依据，有效指导高胶凝性水泥熟料的制备过程。
通过前期大量的研究，高胶凝性高C3s含量硅酸盐水泥熟料矿物体系的研究已取得以下方面的技术突破：建立了CaO-Si02-A1-03-Fez03体系高C2s熟料体系矿相匹配优化理论和适用于实际水泥生产的熟料率值控制方法；建立了高胶凝性、高C3s不含过硅酸盐水泥熟料矿物体系的掺杂理论和掺杂技术，发现了针对硅酸盐熟料体系的高温掺杂效应和低温矿化效果的差异，在此基础上提出了实现高C3S含量硅酸盐水泥熟料高胶凝化的多元复合掺杂理论；建立了C3S晶格畸变形成C3S在固溶体晶体高对称性、实现矿物高度介稳化和高活性的高胶凝化理论。目前已实现在工业化生产中，在熟料中C3S含量70％左右的情况下，熟料28d抗压强度达到70MPa以上。
五、工业废弃物的资源化、无害化利用的研究
随着全球经济的发展和工业化进程加快，每年都有大量的废渣排放，主要有粉煤灰、炉渣、高炉矿渣、钢渣、钢渣、煤矸石、特种冶金渣、电石渣、锂渣、碱渣等。为了保护环境、变废为主和保持可持续发展，世界各国水泥学者已开展了大量的研究工作并将取得大量的研究成果应用于水泥混凝土生产中，我国早在20世纪50年代就开始了对工业废渣的利用研究，目前对量大面广的一些工业废渣如粉煤灰、矿渣等的综合利用已经形成了一系列相当成熟的综合利用技术，并已广泛应用于水泥生产、混凝土掺合料和混凝土制品中。
轻质水泥基材料 篇3
【关键词】 水泥基渗透结晶型防水材料(XYPEX) 防渗技术 施工工艺
用水泥基渗透结晶型防水材料(XYPEX)在缺陷混凝土表面做上涂层,就会起到良好的防水效果,施工工艺简单易于掌握,工期短,造价低,是一种值得推广的施工技术。水泥基渗透结晶型防水材料(XYPEX)是由水泥、硅砂及多种性质活泼的化学材料组成的刚性材料,它的优点在于:把XYPEX浆涂在混凝土表面后,三周内XYPEX可渗入表面以下50mm,并在混凝土的孔隙和毛细孔中产生一种不可溶的结晶,这种结晶不断生长最终堵住了渗漏通道,起到防水的目的。XYPEX在我国许多水利水电工程中广泛应用,2003年在我省东乡南阳渠3#隧道中就曾使用过,效果良好。下面,我就XYPEX施工工艺做简要总结。
一、 水泥基渗透结晶型防水材料(XYPEX)施工工艺流程
表面预处理(去污、开槽)→湿润混凝土基面→拌浆→填缝(涂刷)→养护。
二、混凝土表面清理
1.先应将混凝土基面凿刷粗糙、干净,剔掉松散物质,对于使用钢模或表面有泛碱、尘土、各种涂料、薄膜、油漆及油污或者其他外来物都必须进行处理,要用凿击、喷砂、酸洗(盐酸)、钢丝刷刷洗、高压水冲等方法进行认真细致的处理。
2.结构表面如有缺陷、裂缝(大于0.4mm)、蜂窝麻面、钢筋头、穿墙管等,或者混凝土表面有冒水、渗水现象,均应预先加强处理。把裂缝或连接处挖空(钢筋四周清理干净),呈20mm宽、20-70mm深的“U”型槽(有水流时挖深些,无水流则挖浅些),“V”型槽处理效果不明显。
3.若渗水量较大,或有冒水现象,在槽中水流最大的地方,钻至少深15mm插引水导管的孔,取一光滑并具有相当硬度,长至少0.5m的软管做引流导管,以备缓解水流的压力。
三、施工前必须用清水彻底湿润工作面,形成内部饱和,以利于水泥基渗透结晶型防水材料借助水分向混凝土结构内部渗透
但要注意湿润的表面不能有多余的浮水,如施工过程中发现局部基面还是过于干燥,必须重新湿润。
四、拌浆
首先,要求在拌料时边拌边用,缓凝型渗透结晶型防水涂料,拌好的浆料要求在20分钟内用完。速凝型“防水堵漏胶泥”,拌好的料要求在5-7分钟内用完。一般一次性拌料不能超过3kg,以免来不及用完造成浪费。如果暂时用不完快要发硬时可加少许水搅拌后赶快用掉,已经发硬的灰浆不能再用。其次,要求严格掌握好水灰比,一般要求用3.5-4份料加入1份水搅拌至粘糊状。拌料时应慢慢地加水,至料能拌开为止,拌料时应注意搅拌均匀,灰浆中不能有没拌开的干料球。
五、填补槽缝
先处理渗漏点、缝、面,再进行大面积防水施工。卫浴施工对管道接缝处须进行特别处理,可沿管壁与基面交接处,凿10mm深的V型槽进行封堵后,再做基面防水涂层。
六、表面涂刷
1.XYPEX涂刷时需用半硬的尼龙刷,喷涂时需用专用喷枪,不宜用抹子、滚筒、油漆刷或油漆喷枪。涂层要求均匀,各处都要涂到,涂刷时应注意用力,来回纵横的刷以保证凹凸处都能涂上并达到均匀。否则,涂层太厚或堆积易起皮、开裂、剥落。喷涂时喷嘴距基面要近些,以保证灰浆能喷进表面微孔或微裂纹中。
2.当涂第二层(XYPEX浓缩剂或增效剂)时,一定要等第一层初凝后仍呈潮湿状态时进行,如太干应先喷洒些水。
3.在热天露天施工时,建议在早、晚进行,防止XYPEX过快干燥,造成表面起皮龟裂,影响渗透效果。
4.对水平地面或拐角处必须注意将XYPEX涂匀,阳角要刷到,阴角及凹陷处不能有XYPEX的过厚的沉积,否则在堆积处可能开裂。
七、养护
养护十分重要,当CCCW涂层固化到不会被喷洒水损害时养护就可以开始了,必须精心养护1-2天,每天喷洒水3-5次,或用潮湿透气的粗麻布、草席覆盖三天。施工后48小时内,应避免雨淋、霜冻、日光暴晒或4℃以下的长期低温;在空气流通不良或不具备通风条件的情况下(如封闭的矿井或隧道),可采用风扇或鼓风机械协助通风。
八、回填
需要回填的部位,在XYPEX施工后36小时内可湿土回填。7天内均不可回填干土,以防止其向XYPEX涂层吸水。
九、特殊部位处理
混凝土缺陷、空腔、钢筋裸露以及蜂窝状结构的修理。剔除混凝土上有缺陷的部分,剔掉松散物质,用水浸渍基面,让水浸透混凝土然后去掉表面上的明水。在缺陷区域上涂一层XYPEX浓缩剂灰浆。在灰浆上有粘性时,用XYPEX浓缩剂半干料团填补。对于面积比较大的,使用掺入XYPEX掺合剂的防水混凝土或防水砂浆。填料凝结后再刷浆,稍微用水洒湿填缝的表面,然后在所修复的区域上再涂一道XYPEX浓缩型灰浆。定期喷洒雾状水进行养护。
十、防水效果检验及经验总结
1.在东乡南阳渠3#隧洞、青海黑泉电站、永登龙林电站等工程中采用XYPEX处理后,渗水明显减小,达到设计要求。
2.不论在隧道,还是渠涵、水池;不论在迎水面,或者在背水面,使用XYPEX防水剂后都能取得防水效果,总体看涂抹在迎水面效果好于背水面。
3.混凝土缺陷较大、部位较深时,应先按常规方法进行处理后,再使用XYPEX。这不仅节约成本,又能起到良好的效果。
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轻质水泥基材料 篇4
建筑能耗约占我国能源总消耗量的30%,且呈逐年增长趋势[1,2],实现建筑节能对节约能源和资源十分重要。目前,我国的建筑保温材料主要有泡沫型保温材料、复合硅酸盐保温材料、硅酸盐绝热制品保温材料和纤维质保温材料[3,4,5]。其中发泡水泥保温材料是新型节能墙体保温材料的一个重要领域。而传统的发泡水泥保温材料具有自重大、韧性差和制备工艺复杂等缺点[6,7,8],无法满足极端条件的考验。因此,开发轻质、高韧性与建筑物同寿命的水泥基发泡保温材料,不仅能够拓宽现有无机保温材料的种类,而且有利于促进传统保温材料的绿色升级,并最大限度实现建筑节能的目的。相比于普通硅酸盐水泥,硫铝酸盐水泥具有早强、高强、高抗渗和高韧性等优点[9,10],而传统的水泥基发泡保温材料主要以普通硅酸盐水泥为主要胶凝材料[11,12,13],将硫铝酸盐水泥用于水泥基发泡保温材料制备鲜有研究。本文以硫铝酸盐水泥、粉煤灰和轻骨料为主要原料,制备轻质水泥基发泡保温材料,并以聚乙烯醇纤维对其进行增韧,实现了水泥基发泡保温材料的轻质化和高韧性,为无机保温材料的推广应用提供理论参考。
1 试验
1.1 原材料
硫铝酸盐水泥:陕西咸阳水泥厂生产;粉煤灰:咸阳某电力厂的Ⅱ级粉煤灰,水泥和粉煤灰的化学成分见表1。粉煤灰激活剂:氧化钙粉末,河北井陉县鑫阳钙业有限公司生产,掺量0~4.0%;发泡剂:烟台某建筑节能公司生产的植物改性泡沫剂;轻骨料:青岛某矿业公司生产的闭孔微珠,工业级;聚乙烯醇纤维:重庆英筑建材有限公司生产,长度约6.0 mm。
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1.2 试验方法
以硫铝酸盐水泥和粉煤灰为主要胶凝材料,发泡剂选用植物改性泡沫剂,水胶比为0.5,研究单一掺加粉煤灰、粉煤灰激活剂、轻骨料和聚乙烯醇纤维掺量对水泥基轻质发泡保温材料物理力学性能的影响,测试了试样的绝热温升、干密度、强度、空隙率和导热系数,并利用光学显微镜观测试样表面形貌,确定了合理的材料组成。
1.3 制备工艺
水泥基轻质保温材料是通过发泡剂的发泡系统用机械方式把发泡剂水溶液制备成泡沫,再将泡沫加入到水泥浆中,经混合搅拌、浇筑成型、养护而成的一种多孔材料。
2 粉煤灰对水泥基发泡体系性能的影响
2.1 粉煤灰掺量对发泡体系绝热升温性能的影响
为了研究粉煤灰掺量对发泡体系绝热温升性能的影响,保持水灰比为0.5,稳泡剂掺量为0.4%,搅拌时间90 s以及搅拌速率3000 r/min不变,控制粉煤灰替代水泥的比例分别为15%、25%、35%和45%,测试发泡体系的绝热温升随时间的变化规律,结果见图1。
从图1可以看出,随着时间的延长,发泡体系的温度出现先升高后降低的变化规律,当时间为360 min时,温度达到最高值。这是因为水泥的凝结硬化是一个放热的过程,随时间延长,水泥水化产生的热使发泡体系的温度逐渐升高,而当时间大于360 min后,水泥的水化相对减弱,前期水化产生热量逐渐释放,因此发泡体系的温度有所降低。当时间相同时,随粉煤灰掺量的增多,发泡体系绝热温升的最高温度逐渐降低,如当粉煤灰量由15%增大至35%和45%时,发泡体系绝热温升的最高温度由62.1℃降低为35.5℃和30.0℃,分别降低42.8%和51.7%。这是因为粉煤灰水化时的放热量小于水泥,粉煤掺量越多胶凝材料中水泥的比例越少,因此发泡体系的绝热温升越低。另外,粉煤灰能与水泥的水化产物Ca(OH)2发生二次火山灰反应,且水化活性低于水泥,因此降低了发泡体系的绝热温升。
2.2 粉煤灰掺量对水泥基发泡体系物理力学性能的影响
控制搅拌时间为100 s,搅拌速度为2500 r/min,浆料温度为35℃,测试粉煤灰替代水泥掺量对发泡体系干密度和7 d抗压强度的影响,结果见图2。
从图2可以看出,随着粉煤灰掺量的增加,发泡体系的干密度逐渐减小。当粉煤灰掺量大于35%时,干密度随粉煤灰掺量的变化趋势减弱;当粉煤掺量由15%增大至35%时,发泡体系的干密度由380 kg/m3降低为310 kg/m3,降低了18.4%。这是因为,粉煤灰的密度低于水泥,因此用粉煤灰替代水泥可以降低发泡体系的密度,进而降低其干密度,且粉煤灰掺量越多,干密度降低幅度越大。但是随着粉煤灰掺量的不断增大,发泡体系的物理力学性能均发生明显变化,当粉煤灰掺量大于35%时,泡沫在浆体中的稳定性下降,从而导致干密度下降趋势放缓。发泡体系的7 d抗压强度随着粉煤灰掺量的增加逐渐降低,且当粉煤灰掺量大于30%时,再增加粉煤灰掺量,会使7 d抗压强度急剧降低,因此,从抗压强度角度考虑,粉煤灰掺量不宜大于30%,综合考虑粉煤灰的最佳掺量为30%。
2.3 粉煤灰激活剂对水泥基发泡体系抗压强度的影响
发泡体系中无机胶凝材料所占的比例直接决定着泡沫水泥的力学性能,而水泥是泡沫水泥力学性能的主要来源。粉煤灰虽然能够降低发泡体系的水化热,但是粉煤灰替代部分水泥必然导致发泡体系力学性能的降低,尤其对早期强度的影响更加明显。为了使发泡体系的力学性能满足使用要求,必须对粉煤灰造成的强度衰减进行补偿。本文选用粉煤灰激活剂激发发泡体系,进而提高发泡体系的抗压强度。试验时保持粉煤灰掺量为30%,水灰比为0.5,稳泡剂掺量为0.4%,搅拌时间为90 s以及搅拌速率3000 r/min不变,粉煤灰激活剂掺量为0~4.0%,测试不同粉煤灰激活剂掺量下发泡体系的7 d抗压强度,结果见图3。
从图3可以看出,随着粉煤灰激活剂掺量的增加,发泡体系的7 d抗压强度逐渐提高,在发泡体系中加入2.5%的粉煤灰激活剂,使抗压强度由0.41 MPa升高至0.58 MPa;当粉煤灰激活剂掺量大于2.5%时,继续增加掺量对早期抗压强度的提高不再明显。其原因主要为粉煤灰激活剂中的Ca O对粉煤灰具有活化作用,Ca O遇水发生化学反应生成Ca(OH)2,而Ca(OH)2中的钙离子可以促使粉煤灰生成水硬性胶凝材料,因此提高了发泡体系早期的抗压强度。
3 轻骨料对水泥基发泡体系性能的影响
干料经搅拌后会留有一定的空隙,再经过发泡作用后浆料包裹泡沫形成孔壁,干料形成的空隙会存留在孔壁内,虽然此空隙内的空气能起到一定的隔热作用,但对水泥基材料的力学性能会产生不利影响。因此,需要通过干混试验来获得结构致密的堆积结构,即确定合理的粉煤灰/轻骨料相对比例,使干混体系能够达到最佳的密实状态。试验时控制粉煤灰/轻骨料干混体系中轻骨料比率(轻骨料用量除以粉煤灰和轻骨料的总用量)为20%~28%,测试水泥基发泡体系的空隙率和导热系数,结果见图4。
从图4可以看出,随着轻骨料比率的增大,发泡体系空隙率先减小后增大,当轻骨料比率为24%时,发泡体系空隙率最小为17.1%。其原因主要是干混体系中轻骨料颗粒之间形成的空隙会由粉煤灰填充,当轻骨料比率小于24%时,干混体系中粉煤灰颗粒数量较多,填充剩余的粉煤灰颗粒撑开了轻骨料形成的骨架结构,使轻骨料颗粒悬浮在粉煤灰中,随着轻骨料比率的增大,可容纳粉煤灰颗粒的空间增多,因此填充的密实性增加,空隙率减小;而当轻骨料比率大于24%时,轻骨料颗粒相互接触形成的空隙较大,此时没有足够的粉煤灰颗粒进行填充,因此空隙率反而随轻骨料比率的增大而增大。
干混体系的导热系数随轻骨料比率的增大逐渐降低,当轻骨料比率大于24%时,导热系数逐渐趋于稳定。这是因为,闭孔微珠本身的导热系数较低,因此将其引入干混体系中会降低体系的导热系数,当其比率大于24%时,对体系导热系数的降低作用不再明显。综合考虑轻骨料最佳比率应为24%。
4 聚乙烯醇纤维对水泥基发泡体系的增韧作用
4.1 纤维掺量对水泥基发泡体系力学性能的影响
保持粉煤灰掺量为30%、粉煤灰激活剂掺量2.5%、轻骨料比率为24%,改变纤维体积掺量,测试纤维不同掺量时泡沫水泥试件的密度、28 d抗压和抗折强度,并计算折压比,结果见图5。
从图5可以看出,聚乙烯醇纤维的加入能明显降低发泡体系的干密度,且纤维掺量越大,干密度降低幅度越大,当纤维掺量为2%时,试件的干密度为262 kg/m3。这是因为纤维在发泡体系中均匀分散,当纤维掺量较大时,纤维在发泡体系中聚集,且表面由水泥组分包裹,在相同发泡倍率时,试件体积增大,因此密度降低。
随着纤维掺量的增加,试件的抗压强度逐渐减小,抗折强度逐渐增大,当纤维掺量由0增大至2%时,抗压强度从0.95MPa降至0.79 MPa,抗折强度从0.93 MPa提高到1.5 MPa。这是因为纤维的掺入在发泡体系内部引入了一定数量的气泡,使发泡水泥试件的密实度降低,因此抗压强度下降。而在弯曲荷载作用时,水泥试件内部的纤维受拉分散部分外部荷载,且纤维掺量越多,分散外部荷载作用越明显,因此抗折强度越大。随着纤维掺量的增加,折压比增大,水泥试件韧性逐渐得到改善,当纤维掺量大于1.5%时,折压比增大不明显,因此此时继续增大纤维掺量对韧性的改善效果不显著,且会造成其它力学性能的衰减,因此从力学角度考虑纤维掺量不应大于1.5%。
4.2 纤维掺量对泡孔结构的影响(见图6)
从图6可以看出,纤维的加入明显改变了泡沫水泥试件的表面形貌,随着纤维掺量的增加,水泥试件表面孔孔径逐渐减小,小孔数量逐渐增多,空隙率逐渐增大。当纤维掺量增大至1.0%时,水泥试件表面有明显的纤维拔出现象,有明显的微裂缝出现;当纤维掺量达到1.5%时,纤维穿过泡孔,破坏了发泡体系的原有结构,有塌膜趋势;当纤维掺量增大至2.0%时,试件表面出现严重的塌膜现象,试件的强度急剧降低。由此说明,适量的纤维能改善发泡体系的泡孔结构,而过量的纤维反而会阻碍泡孔的形成,从微观角度考虑,聚乙烯醇纤维掺量不应大于1.0%。
5 结论
(1)粉煤灰能明显降低水泥基发泡体系的温度,以35%的粉煤灰替代水泥使发泡体系绝热温升的最高温度降低了42.8%;随着粉煤灰掺量的增加,试件的干密度和早期抗压强度逐渐减小,且当粉煤灰掺量大于30%时,干密度的减小趋势放缓,而抗压强度的衰减程度加重,因此粉煤灰掺量不应大于30%。粉煤灰激活剂能明显提高试件的早期强度,当其掺量为2.5%时,对抗压强度的改善效果最佳。
(2)粉煤灰/轻骨料干混体系中,随着轻骨料比率的增大,空隙率呈现先减小后增大的变化规律,当轻骨料比率为24%时,空隙率达到最小;导热系数随着轻骨料比率的增大逐渐减小,当轻骨料比率大于24%时,导热系数趋于稳定,最佳轻骨料相对比率为24%。
(3)聚乙烯醇纤维的掺入虽然使泡沫水泥试件的干密度和抗压强度降低,但明显提高了抗折强度和折压比,显著改善了试件的韧性,当纤维掺量大于1.5%时,再增大纤维掺量对韧性的贡献不大,相反会明显降低抗压强度。
轻质水泥基材料 篇5
轻质水泥基结构具有良好的保温、隔热和机械性能,是目前应用最广泛的节能建筑材料。轻质水泥基结构在火灾中一般不会烧垮崩塌;但其在高温作用下往往受到不同程度的损伤,降低了结构的安全性和耐久性。笔者针对轻质水泥基结构,通过红外热像和包裹体测温实验,以求得到适于轻质水泥基结构火灾经历温度检测及获得结构破坏前兆信息的方法。
1 实验仪器、材料和方法
1.1 实验材料
实验选取的轻质水泥基结构以秸秆、粉煤灰、水泥为主要原材料。其主要成分包括凝胶体(3CaO·2SiO2·3H2O)、晶体(Ca(OH)2、3CaO·Al2O3·6H2O、CaO·Fe2O3·H2O)及未水化的颗粒、游离水、气孔等。其中的粉煤灰由各种球形玻璃体颗粒机械混合而成其主要的矿物组成如表1所示。
而填入基体中的纤维碎料宽度约1～2 mm,长度约1～1.5 mm。纤维碎料不仅具有保温作用,还能在受拉时吸收大量能量,提高秸秆纤维墙体结构的断裂韧性和抗冲击强度。作为一种天然纤维素纤维,其化学组成如表2所示。
1.2 实验仪器
实验使用2种测温仪器,一种是温度分辨率为0.2℃,型号为WRNK2-332的热电偶(接HP84970A数据采集仪)和响应波段为3.5～5.0μm的TVS-8100MKII制冷型红外热像仪,测量试件受火前后的温度变化,这两个测温仪器共同的特点是响应速度快,精度高,可连续采集和存储温度数据;另一种是JZO5-A型热声爆裂仪,测量试件经历的火灾最高温度。
实验所用加热仪控温精度高,最小加热荷载为100kW,最大加热荷载为1 000 kW,加热功率可通过变压器调整。
1.3 实验方法
实验采用的试件是长50 mm,宽40 mm,高30 mm的轻质水泥基外墙挂板若干。在侧壁沿对角线垂直于侧壁钻6个径向测孔,孔径为2.8 mm,深度为试件宽度的三分之一,分别称1、2…6号测点。将试件表面加热至100～600℃,拍摄试件在受热之后的红外热图,同时利用接触式测温仪记载时间、各测点的温变参数。
从冷却之后的轻质水泥基受火结构的1测点钻取芯样,每一对应温度取3个样品。样品经过粉碎、洗涤除尘、质量分数10%～20%的盐酸溶液浸泡和磁选仪除矿之后,用天平称取50 g进行包裹体爆裂实验。
2 实验结果及分析
2.1 轻质水泥基结构的红外热像特征
红外热像检测实验得到2种温度记录,一种是红外热图,一种是测点的温度记录。对于受火试件,因其表面状态和组成随火灾温度发生了变化,使得物体表面的辐射率不同,从而形成各种不同特征的红外热图像。当试件表面分别加热至100、200、300、400、500和600℃时,各时刻试件的红外热像谱图如图图所示.
通过红外热像监测点的温度记录,可以得到测点3的平均温升随冷却时间的变化曲线,如图6～图10所示。
由于受热温度不同,试件的损伤程度不同,从而导致在相同的外部热源下的红外热像图谱不同。遭受较高温度(500℃)作用后的试件与遭受较低温度(<500℃)的试件相比,其损伤是较严重的,相应的热像测量值较高。这是因为:高温作用后的试件表面变得疏松并且开始产生微裂缝。温度越高,表面疏松越严重,微裂缝越多。疏松破裂层中的空气起着小绝热体的作用,能阻止周围的热传导,在表面层形成热堆积。在相同的外部热源下,存在疏松层或微裂缝的表面将热得比较快。一般来说,存在疏松层或微裂缝的表面温度通常比未受高温作用的试件高出1～3℃。因而,高温作用后的试件容易被热像仪测读并形成直观可见的图像。
2.2 轻质水泥基结构的红外热像检测与评估
由上述实验可以得到冷却12 h之后轻质水泥基试件的红外热像平均温升与受火温度的关系。同时,检测试件的抗压强度和微观特性,结果见表3。图11为轻质水泥基构件在经历高温作用后,自然降温至常温状态时的残余抗压强度随温度的变化曲线。
由检测结果,根据最小二乘法的原理,利用爱华数据回归分析软件DRS2.6,得到红外热像平均温升与受火温度及材料强度损失的线性关系表达式,见式(1)、式(2)。
线性相关系数r=0.950 389。
式中:x为红外热像平均温升,℃;T为受火温度,℃;f(T)/f0为强度损失百分比。
线性相关系数r=0.965 85。
3 结论
(1)通过轻质水泥基材料基本热物理量测试可知:轻质水泥基材料墙体单体属于含有气泡状有机质的保温材料,其导热系数小于一些常用建筑材料。200℃以下时,经历过高温作用的轻质水泥基材料的红外热像温升与混凝土结构的差异不大;300～500℃时,材料的红外热像温升较混凝土结构的普遍提高;500℃以上时,材料的红外热像温升明显提高。
(2)经历过不同高温作用后的轻质水泥基材料具有不同红外热像特征。该种材料的受火温度和材料强度损失的检测模型分别为:
式中:x为红外热像平均温升,℃;T为受火温度,℃;f(T)/f0为强度损失百分比。
检测模型的适用范围为20℃≤T≤600℃。
(3)通过红外热像检测和检测模型,可以评估火灾后轻质水泥基材料的损伤程度,包括混凝土的强度损失和损伤深度,可获得结构破坏前兆信息,并为灾后结构的修复、加固提供理论依据。
参考文献
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[3]张洁龙,杜红秀,张雄.火灾损伤混凝土结构红外热像检测与评估[J].高技术通讯,2002,(2):62-65.
磷酸基轻质耐火材料的制备 篇6
近年来,环境污染、国际油价的持续上涨给我国民生和经济带来众多影响,我国万元GDP能耗是世界平均水平的3.4倍,是日本的9.7倍,提高能源利用率势在必行。目前国内大部分加热设备属于间歇式加热,减少设备的蓄热可缩短加热时间,提高能源利用效率以及生产效率。以传统电炉为例,安装电热元件的底座材料通常是比较致密的耐火材料,密度在2.1g/cm3以上。如果电炉底座材料密度降低到0.8g/cm3,蓄热能够降低60%左右。实际上,1个底座材料质量为1kg的小型电热设备,当炉温为800℃,每天开启3次,如果使用轻质底座每天可以节约用电约0.16kWh,考虑到加热设备数目巨大,如果轻质底座材料能得到广泛的利用,对节能减排能做出巨大的贡献。
磷酸盐胶凝材料是传统的耐火材料,可通过磷酸(盐)与碱金属氧化物之间的酸碱反应制备,反应生成的胶凝态磷酸盐沉积在未完全溶解的氧化物颗粒表面,以氢键的形式联结成整体。但此类磷酸盐胶凝材料存在固化速度太快的缺点,并在凝固过程中放出大量的热,内部产生热应力,导致力学性能的降低。周新涛[1]采用活性较为适宜的偏高岭土与磷酸(盐)反应,通过[PO4]-3与活化过程中富集在偏高岭土颗粒表面的活性组份发生反应,可形成高强度磷酸基胶凝材料。
玻化微珠具有容重轻、吸水率小、导热系数低、耐火防火性能好等优点,可用于中、低温的保温隔热,具有广阔的应用前景[2]。刘伟华等[3]将玻化微珠加入到水泥砂浆中可制得轻质混凝土,用于建筑外墙的保温。本文采用磷酸、偏高岭土、粉煤灰以及玻化微珠制备了免烧轻质耐火材料,并对其力学性能以及热性能进行研究。
1 实验
1.1 实验原料
主要原料有:Ⅱ级粉煤灰,韶关曲江区乌石港有限公司供应,主要作为集料降低胶凝材料的收缩,并提供部分活性氧化铝。玻化微珠,由河南省信阳市信华玻化微珠有限公司提供,堆积密度为0.2g/cm3,耐火度1000℃。磷酸(浓度为52%)、偏高岭土(自己烧制)。
辅助原料有:岩棉纤维由东莞市保温隔热材料有限公司供应,岩棉主要提高材料的韧性。十二烷基苯磺酸钠,南京卡尼尔科技有限公司,主要用于分散纤维。
1.2 样品制备
先配制1%的十二烷基苯磺酸钠溶液,按1∶9的比例称好岩棉纤维和粉煤灰,把岩棉纤维加入到已配制好的溶液中并搅拌直至岩棉完全分散,再加粉煤灰搅拌十分钟,烘干可得含10%纤维的粉煤灰。按比例称取含10%纤维的粉煤灰、偏高岭土,用星形球磨机干磨混料,混合均匀后边搅拌边加适量磷酸和水,搅拌3分钟后将料浆分两次倒入到20×20×20mm钢模中,稍用力捣物料使四角密室,物料填满整个钢模时用刮刀抹平,养护一段时间后测试样品的抗压强度。
1.3 性能检测
用荷兰Panlytical公司的Xpert PRO型X射线衍射仪对样品进行物相分析,测试条件为:Cu靶,扫描范围10—80°,管电压40kV,管电流40mA。
用德国NETZSCH仪器公司的STA449CJupiter型综合热分析仪对样品的热稳定性进行测定,空气气氛,升温速度为10℃/min。
使用美国Instrin5567型万能材料实验机测量试样的抗压强度,加载速度为1mm/min。耐火材料的抗压强度计算公式为:
式中:σc为试样的抗压强度,单位为MPa;P为试样压碎时的总压力,单位为N;A为试样受载面积,单位为mm。
2 结果与讨论
2.1 成分对力学性能的影响
2.1.1 偏高岭土掺量对力学性能的影响
由表1可知,在自然条件下养护3天后,磷酸盐轻质耐火材料抗压强度随偏高岭土掺量的增加呈现出先增加后减少的趋势。在玻化微珠和磷酸一定时,当偏高岭土:粉煤灰小于3∶10时,其强度较低,主要是偏高岭土掺量过少,生成的磷酸铝胶黏相无法将全部粉体粘结在一起,材料中部分粉体靠氢键和范德华力粘结在一起,其强度很低。当偏高岭土与粉煤灰之比增加到3∶10时,反应能够生成足够的胶凝相,从而形成较大的强度。在此基础上继续增加其掺量,强度仍然在增长,但增长速度明显放缓。因为过剩的偏高岭土作为细集料填充到颗粒间隙,使其紧密堆积,提高了材料的强度。当偏高岭土与粉煤灰之比达到6∶10时,抗压强度反而开始下降,因为偏高岭土降低了料浆的流动性和材料中胶黏剂的含量,在材料内部形成较多的结构缺陷,引起抗压强度的下降。考虑到性能要求与经济要求,可认为偏高岭土掺量为30%效果较佳。
2.1.2 玻化微珠掺量对力学性能的影响
由表2可知,在自然条件下养护3天,磷酸基轻质耐火材料抗压强度随玻化微珠加入量的增加而逐渐下降,并在玻化微珠∶粉煤灰之比达到2∶10时急剧下降。因为玻化微珠本身强度不是很高,随着加入量的增加,浇注材料密度也随之下降,相当于增加了气孔率,降低了材料的抗压强度。另外,玻化微珠堆积密度只有0.2g/cm3,加入量越多,瘠性原料的体积越大,胶黏剂不足也是强度急剧下降的原因之一。
综合考虑以上因素,确定磷酸盐耐火材料制备的配方为粉煤灰∶玻化微珠∶偏高岭土∶磷酸=20∶3∶6∶6,并以此配方制备了样品进行性能分析。
2.2 性能分析
2.2.1 抗压强度与耐热温度的关系
图1是磷酸基轻质耐火材料在不同温度下处理2小时后抗压强度,110℃下处理2小时后,试样的强度下降,主要是因为样品中吸附水蒸发,颗粒表面的水化膜变薄,颗粒间氢键减少,降低了颗粒间的作用力。当处理温度为400℃时,抗压强度仍继续下降到2.3MPa左右,因为粉煤灰中含有少量CaO,在混合过程中与磷酸反应生成CaHPO4·2H2O,起到助凝和胶黏的作用。当温度超过250℃时,CaHPO4·2H2O失去结构水,胶黏性能也随之降低,从而降低样品的抗压强度。继续提高处理温度,样品抗压强度保持稳定,并有稍微增加的趋势。这说明偏高岭土磷酸盐胶凝材料具有较好的中高温稳定性能。
2.2.2 XRD分析
为确定该材料的物相组成,对不同热处理温度下的样品进行了XRD分析。从图2可以看出,样品在400℃之前只有莫来石和β—石英晶相,因为粉煤灰本身含有莫来石以及少量β-石英。在650℃下处理1h,样品开始出现α-石英晶相,且随温度的升高,衍射峰逐渐尖锐,说明α-石英随处理温度提高而增多。当样品在900℃处理2h后,没有出现AlPO4的衍射峰,偏高岭土基磷酸盐胶黏剂仍保持其无定形相组成,说明该材料在中高温度下具有较好的结构稳定性,克服了普通磷酸盐胶凝材料中温强度降低、稳定性差的缺点。
2.2.3 热稳定性分析
图3是样品的TG—DSC曲线图。从图中可看出,在90℃-140℃之间有一个吸热峰,样品失重1.76%,说明在这个温度范围内样品失去吸附水。在300—400℃间有微弱的放热峰,同时样品开始失重,是十二烷基苯磺酸钠的氧化以及CaHPO4·2H20的受热分解,氧化放出的热量稍大于受热分解所需热量,有个微弱的放热峰。当温度达到600℃时,样品失重为3.98%。在620℃—680℃之间有个放热峰,是粉煤灰中的有机物氧化放热,失重为2.1%。另外由上面的XRD分析可知,在650℃之前偏高岭土中不定形SiO2开始转化为α-石英,但在图中并没有出现明显的吸热峰,其原因可能是转化量不大,并且有机物氧化放出的热量抵消了部分晶型转化所需的热量。当样品加热到900℃时,总失重为7.84%。
3 结论
(1)磷酸基轻质耐火材料的配方为粉煤灰∶玻化微珠∶偏高岭土∶磷酸=20∶3∶6∶6时,其密度为0.8g/cm3,抗压强度为3.5MPa。
(2)偏高岭土中活性氧化铝与磷酸溶液反应形成AlPO4胶凝材料,其物相组成以无定形为主。偏高岭土磷酸盐胶凝材料具有良好的中高温稳定性,900℃煅烧2小时,其强度仍得到保持,克服了传统磷酸盐材料中温稳定性较差的缺点。
参考文献
[1]周新涛,苏达根.铝硅磷质胶凝材料的微观结构与性能[J].硅酸盐学报.2007年1月
[2]刘伟华,罗淑湘.新型无机轻质绝热材料—玻化微珠及其应用[J].中国建材.2007(3)
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超细水泥基材料应用进展 篇7
近年来, 国内外研究者在建筑工程以及其他的工程材料的研究和开发中, 利用超细水泥基粉体材料自身赋予的优良特性, 使其得到了广泛的应用。如超细水泥在灌浆工程以及油田井下修井作业中的应用。同时超细水泥粉体材料在研究和开发先进水泥基材料领域 (如DSP的研究和开发) 也取得了重大进展, 它的应用促成了传统水泥基材料性能质的飞跃, 成为水泥基材料由传统材料向高新技术材料转化的重要开端。
2 超细水泥基材料在各类工程中的应用
早在二十世纪70年代, 出于保护环境的目的, 随着有害有毒化学灌浆材料的禁止使用, 最初的超细水泥大批开发于日本和美国, 这类超细产品主要是通过采取适宜的粉磨工艺和高效选粉设备来生产。其比表面积通常在1000m2/kg左右, 平均粒径在2~4μm, 最大粒径小于15μm。表1列出了超细水泥的一些性能。
在灌浆工程中, 利用超细水泥高的渗透能力和快硬性能, 能使岩层得以固结。通常采用净浆固结不稳固地层, 如易被破坏的砂岩层和其它地层。超细水泥还可用于地层裂缝的修补、地砖粘合剂以及地基底土的堵水等;超细抗硫酸盐型水泥可应用于耐硫酸盐侵蚀的工程如大坝的灌注工程、护墙的修复以及有毒或放射性物质的密封等。
超细水泥在石油工业的固井工程中的特殊作用也越来越重要, 目前国内外采用超细水泥进行挤水泥作业, 以修复采油套管及地层的裂缝, 特别是开采井套管裂缝的修补。细小的超细水泥颗粒能穿过井眼及四周地层的裂缝, 能有效地封堵地层的裂缝, 起到永久防水的目的, 从而防止油井水串、气串的发生。在这类修补作业中, 对超细水泥的粒径要求更为严格, 一般要求水泥的最大粒径应小于10μm, 平均粒径在2μm左右。而且井下温度、压力以及苛刻的化学环境条件对水泥基材料也提出了更高的要求。目前国内根据油井井况及使用环境的不同, 已开发出适用于不同温度、压力条件下的超细系列油井水泥, 并成功地在大庆、胜利、中原和新疆等油田的修井工程应用, 取得了良好的社会和经济效益。
3 超细水泥基材料在先进水泥基材料中的应用
随着建筑业、海洋业和交通业等的飞速发展, 超高、超长、超强和在各种严酷条件下使用建筑物的出现, 对水泥与混凝土材料提出了更高的要求。为此, 美国的先进水泥基材料科学与技术中心 (NSF) 于20世纪80年代末启动了为期10年的研究项目, 研究方向主要为未来胶凝材料, 其目的是把传统的低技术含量的水泥与混凝土材料推向高新技术领域进行研究和开发。目前这类材料主要有MDF材料 (Macro Defect Free Cement) 、DSP材料 (Densified System Containing Homogenously Arranged Ultra-fine Particles) 以及CBC材料 (Chemically Bonded Ceramics) 等。而DSP材料主要是由细磨的波特兰水泥 (平均粒径在10~15μm) 和颗粒组成为50Å~0.5μm均匀分布的超细粉体 (包括硅灰、矿渣、粉煤灰等) 组成[1]。通过采用分散剂和超塑化剂消除颗粒之间的表面力聚集作用和大幅减少需水量, 显著地降低水泥硬化体结构的空隙率, 实现水泥基材料的高强化[2]。通过与纤维复合得到的抗压强度达270MPa以上、抗弯强度在70MPa以上的水泥基复合材料[3]。DSP材料在丹麦等国已实现商品化。其主要性能与其他材料的性能比较列于表2。
由于DSP材料的抗压强度、抗弯强度、弹性模量以及材料的韧性等性能较传统水泥具有不可比拟的优越性, 这类新型材料在特殊工程、高强复合材料、模具材料等方面将有比较广阔的应用潜力。
四、结束语
本文对超细水泥基材料的研究和应用作了一些综述。由于超细水泥基材料自身赋予的优良特性, 使这类材料得到了较广泛的应用, 如超细水泥在灌浆工程以及油田井下修井作业中的应用;以及在研究和开发先进水泥基材料 (如DSP的研究和开发) 方面的应用, 它的应用促成了传统水泥基材料性能质的飞跃, 成为水泥基材料由传统材料向高新技术材料转化的重要开端。随着研究的深入, 超细水泥基材料的应用领域将会越来越广阔。
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溶胶改性水泥基材料的探讨 篇8
1 水泥基材料的改性与发展
1.1 掺和料的改性
随着优质活性矿物掺和料(Ⅰ级粉煤灰、矿渣微粉和硅粉等)的使用,减少了氢氧化钙含量,增加了水化硅酸钙凝胶的含量,改善了混凝土的孔结构和界面结构,使混凝土不仅力学性能提高,而且在诸多方面的耐久性也提高,得到了高性能混凝土[1]。如在高致密水泥基均匀体系中,硅粉起着作为堵塞孔隙的填料和与C3S水化时放出的Ca(OH)2发生化学反应,生成C—S—H凝胶的作用,同时有可能夹杂在C—S—H凝胶层之间,使两相之间的结合非常牢固。由此获得的抗压强度可高达270 MPa。
1.2 外加剂的改性
混凝土外加剂的使用是混凝土技术的重大突破,外加剂已成为混凝土中的第5组分。减水剂的吸附分散作用使得水泥颗粒相互分散包裹的游离水被释放出来,从而有效地增加了混凝土拌合物的流动性;它的润湿润滑作用降低了拌合物系统的表面张力,水泥颗粒的润湿程度增加,水泥颗粒表面的溶剂化水膜进一步增加了颗粒之间的滑动能力。故少量的水就较容易地将混凝土拌合物拌合均匀。减水剂促使混凝土在较低用水量和较低水灰比的条件下具有流动性,并获得成型密实的高强度混凝土。
1.3 聚合物的改性
聚合物改性水泥基材料主要体现在孔结构上,随聚合物/水泥比例的增加,水泥硬化浆体的总孔隙率降低,其中直径大于400 nm的大孔比例降低,而小于150 nm的小孔比例增加。还体现在希望聚合物与水泥水化产物间有化学键合,以提高其力学性能和耐久性能[1]。
例如,无宏观缺陷水泥硬化浆体(MDF)是通过水溶性聚合物与水泥加上少量水经强烈机器搅拌后制得的,水泥硬化浆体的总孔隙率降至1%左右。由于空间的限制,晶体无法长大,从而避免了断裂沿着较弱的界面或从解理面穿过,显著地提高了抗折强度,其理论抗折强度可达150 MPa。现在工程中大量使用的聚合物水泥防水涂料和各种聚合物干混砂浆等均是聚合物改性水泥基材料的结果。
1.4 复合改性
复合改性应用得最好的是活性粉末混凝土。水泥基材料强度的提高主要是以最紧密堆积密实理论为模型的。首先,通过对组成材料颗粒级配的选择,使不同粒径的组成材料形成一个较高密实的体系;其次,采用高效减水剂使混凝土用水量大大减少,可降低孔隙率;再次,掺入硅粉等超细矿粉,可通过填充作用、火山灰作用等消除部分混凝土内部孔隙;最后,在成型过程中施加压力以消除被混入的空气和伴随水化反应而产生的化学收缩。
现有的聚合物水泥防水涂料和各种聚合物干混砂浆等均使用了复合改性。如自流平砂浆,采用了硅粉和粉煤灰掺和料,采用了高效减水剂、消泡剂、可再分散胶粉,还采用了最大粒径为600μm的石英质级配砂作骨料。
2 纳米矿粉对水泥基材料的改性
2.1 纳米矿粉改性的必要性和成果
从普通混凝土(抗压强度为10~60 MPa)、高强混凝土(60~100 MPa)到高性能混凝土和超高性能混凝土(如活性细骨料混凝土,抗压强度可达200~800 MPa)的发展均离不开对水泥硬化浆体结构的改进、对水化硅酸钙凝胶结构的改进、对水泥硬化浆体与骨料界面的改善[2,3]。在水泥硬化浆体中,氢氧化钙约在1 d龄期就已经结晶,而且易在水泥硬化浆体和骨料的界面形成取向一定的氢氧化钙晶体。氢氧化钙还会在1~7 d龄期内大量地形成,这对界面粘接强度、混凝土的早期强度不利。近30年来已有许多研究者对硅粉改善界面结构、细化界面氢氧化钙晶粒和降低界面氢氧化钙的取向程度作了研究,取得了较好的成果[1,2,3]。但由于硅粉早期活性的有限性,硅粉还不能在1~3 d龄期内有效地吸收界面上的氢氧化钙。显然,有必要选择一种高活性的掺合料,有效地吸收早期析出的氢氧化钙,细化氢氧化钙晶粒,以提高水泥浆和骨料的界面强度。因此,对于高性能混凝土仍有进一步改善界面的余地。
已有研究成果证实,纳米Si O2的火山灰活性远比硅粉的高,但没有高得惊人。因为在普通水泥中掺入2%~3%的纳米Si O2,对水泥浆体的稠度和凝结硬化速度影响不大。若在掺硅粉的高性能混凝土中,再掺入1%~3%的纳米Si O2,有望制成性能更好的混凝土。这是因为纳米Si O2能填充在更细小的空隙中,能比硅粉更快更有效地吸收掉水泥水化早期放出的氢氧化钙,更快更有效地改善水泥硬化浆体和骨料之间的界面,细化氢氧化钙晶粒。从而提高混凝土的物理力学性能和耐久性[4,5,6,7,8]。在纳米Si O2掺量为3%时,高强混凝土的7 d、28 d抗压强度分别可增加26%、22%,抗折强度分别可提高48%和56%(见表1)。
2.2 纳米矿粉的分散能力和有效性
由气相工艺得到的纳米Si O2,也称为纳米气相白炭黑,是微粒尺寸在纳米级(1~100 nm)的Si O2微粉,属于新型无机纳米材料,具有卓越的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。可被广泛应用于橡胶、塑料、涂料、密封胶、陶瓷等诸多行业。由于纳米粉体材料表面原子比率高、比表面积大、羟基覆盖率高等特点,给其带来了极易团聚的弱点,分散难已成了其进一步推广应用的瓶颈。这不但需要专用的分散设备,操作复杂,而且得到的只是Si O2团聚体的分散体,远非单个纳米颗粒的分散体,颗粒粒径一般在几百至几千纳米。由于分散颗粒过大,无法克服颗粒间的范德华力,严重地降低了纳米Si O2的利用率,抑制了其优异性能的充分发挥,大大降低了使用效果。
采用0.5%~1.0%的硅烷偶联剂处理的纳米Si O2,分散性虽好,但表面活性可能会降低。
以胶粒结构致密、杂质含量低的优质硅溶胶为原料,通过加入胶体保护剂、封闭胶体表面羟基以及萃取溶剂等方法,进行纳米Si O2粉体的生产,产品具有纯度高、表面可控性好、表面修饰性好、微观粒子小等优点。通过特殊的表面处理手段,在不影响其活性的基础上,彻底解决纳米Si O2的团聚问题。这种纳米Si O2粉体,只需用普通的搅拌设备即可分散,产品在分散性、增稠可控性等方面明显优于气相白碳黑。
总之,纳米Si O2粉体要在水泥基材料中达到均匀分散很困难。越是不易被分散,则利用率越低。
2.3 纳米矿粉的价格和实用性
纳米Si O2的价格大约为50元/kg,高性能混凝土中按7.5 kg/m3(约为胶材质量的1.5%)掺加纳米Si O2,那么混凝土要增加成本375元/m3。因此,在目前的价格条件下使用纳米矿粉来改性混凝土较难,除非是很重要的小工程。要么是故意炒作,以混凝土中掺加小于2 kg/m3的纳米材料,借高科技来开拓市场。因此,就目前来讲,纳米Si O2改性混凝土材料的实用性还很小。但在一些灵巧和精细的水泥基复合材料中可以进行实用性的研究。
3 溶胶对水泥基材料改性的可行性探讨
3.1 可优先采用的溶胶
3.1.1 硅溶胶
硅溶胶是无定形Si O2在水中的分散体系,其分子式可表示为m Si O2·n H2O。由先进工艺制得的硅溶胶产品,外观微乳白透明至半透明液体,Na2O含量(质量)不大于0.2%,Si O2含量(质量)10%~30%,密度(20℃)1.06~1.21 g/cm3,p H值8.5~10.5,黏度(20℃)不大于10 m Pa·s,粒径8~20 nm,可用水稀释。
生产硅溶胶的传统方法是离子交换法。该工艺一般是先将稀释、精制后的水玻璃溶液,通过阴、阳离子交换树脂置换,得到稀的硅酸溶液,然后再经造粒、浓缩得到相应成品。而今先进工艺“单质硅一步溶解法”是以单质硅为原料,在催化剂(氢氧化钠等)的作用下,直接与去离子水反应得到所需成品。所生产的硅溶胶具有杂质含量低、透明度好、胶粒均匀、结构致密等优点。
3.1.2 铝溶胶
铝溶胶的化学分子式为a(Al2O3·n H2O)·b Hx·c H2O,其中:Al2O3·n H2O为水合氧化铝,Hx为胶溶剂,系数:b
以往国内市场上销售的铝溶胶主要为盐酸法制得的盐铝胶,p H值2~3,呈较强酸性,产品的腐蚀性很强。国际市场上销售的一般为p H值4以上的铝溶胶,其在使用过程中放出的酸性气体比p H值为2~3的酸性铝溶胶低10倍以上。而今,以高纯度醇铝为原料,将醇铝水解生成Al OOH,用酸作胶溶剂进行胶解,开发出多种p H值为4~7、胶粒粒径在60 nm左右、透明性较好的铝溶胶产品,且产品具有更典型的胶体特征,其外观为半透明至透明的黏稠胶体。胶粒微观结构呈羽毛状,带正电荷,无毒、无臭,不挥发、不燃,高温脱水后生成活性氧化铝或高纯氧化铝。铝溶胶能与水和酸性硅溶胶以任意比例混合,但不能与碱性硅溶胶简单混用,和高分子乳液混合时也颇需选择。
3.2 采用溶胶改性的有利条件
含Si O2为30%的硅溶胶的价格为2.5元/kg,折算成含Si O2为100%时的价格为8.3元/kg。而纳米Si O2的价格为50元/kg。因此,硅溶胶具有价格优势。同时,硅溶胶还具有易分散性。硅溶胶中的Si O2粒径在8~20 nm,可用水稀释。在制备水泥基材料时,先可将硅溶胶稀释于拌合水中,再由拌合水带入拌合物中。这种由硅溶胶带入的纳米Si O2较易均匀地分布在水泥材料中,而且用量只要1%~2%的纳米Si O2就能达到改性的目的。如果使用纳米Si O2粉需要3%的掺量才能达到目的。
3.3 硅溶胶对水泥基材料的改性
3.3.1 硅溶胶对水泥净浆的改性作用
硅溶胶掺量对水泥净浆强度的影响结果见表2。
注:硅溶胶掺量以固体计;硅溶胶的含固量为30%,密度1.2 g/cm3;试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。
由表2可见,在水灰比为0.30的条件下,使用42.5级普硅水泥,水泥净浆的强度均随着硅溶胶掺量的增加而提高。在1.5%硅溶胶掺量时,水泥净浆的3 d抗折强度、3 d抗压强度和28 d抗压强度均比不掺时提高20%以上。
3.3.2 硅溶胶对混凝土的改性作用
在水灰比为0.30的条件下,使用42.5级普硅水泥、矿渣微粉、河卵石和中砂,混凝土基本配比为:m(水泥)∶m(矿渣)∶m(砂)∶m(石)∶m(减水剂)=250∶250∶760∶1050∶10,研究硅溶胶掺量对混凝土强度的影响,结果见表3。
注:硅溶胶掺量以固体计;使用硅溶胶的含固率为30%,密度为1.2 g/cm3。
由表3可见,混凝土强度均随硅溶胶掺量的增加而提高。在1.0%硅溶胶掺量时,混凝土的7 d抗折、抗压强度均比不掺时提高15%以上。
4 结语
溶胶的胶粒尺寸在纳米级范围。特定的溶胶与纳米Si O2一样可作为水泥基材料的改性材料。
硅溶胶与铝溶胶可以混合使用,可以用水稀释。可以作为配制高性能水泥基材料的外加剂。
掺入硅溶胶,可以明显提高水泥净浆和混凝土的力学性能。与纳米Si O2相比,硅溶胶具有掺量较少、分散性好和价格较低的优势。
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水饱和水泥基材料冻结损伤分析 篇9
冻融循环作用导致水泥基材料中形成微细裂缝并逐渐发展,Jacobsen等[1]通过对经快速冻融循环作用过后的混凝土试件切片浸渍荧光树脂后进行显微镜观察;Glinick等[2]通过图像分析研究水泥基材料冻结后的裂缝。 裂缝形成及发展是水泥基材料冻融破坏的原因,而裂缝成因是水泥基材料冻融破坏的机理。 水饱和水泥基材料冻结时,孔隙中产生较大的压力,如静水压、渗透压、结晶压等,本文通过分析水饱和水泥基材料冻结作用下孔壁的开裂过程,揭示水泥基材料冻结损伤的力学机理。 研究中根据能量守恒原理,对低温下饱水硬化水泥净浆的开裂过程进行定量分析, 计算裂缝的尺寸和体积,确定损伤程度。
1 孔隙开裂形式假定
水泥基材料中水饱和的孔隙冻结时,孔壁受到径向压力的作用,各处压力相等,当压力在孔壁中产生的拉应力超过一定值时, 可能沿薄弱方向开裂,假设孔隙开裂的型式为图1 所示的“钱币形”,r为孔隙半径,c为钱币型裂缝的半径,δ 为孔隙开裂的宽度即钱币型裂缝的厚度。 在此基础上分析裂缝的发展及损伤程度。
2 孔壁开裂塑性状态判断准则
微小孔隙孔壁起裂及裂缝发展与水泥净浆水化产物的晶体间内聚力、孔径以及孔隙开裂后的虚拟塑性区长度等因素有关。
2.1 水泥基材料微晶体间的内聚力
常温下普通硅酸盐水泥和水进行反应的主要产物有水化硅酸钙(CSH)、氢氧化钙(CH)、三硫型水化硫铝酸钙也就是钙矾石(AFt)和单硫型水化硫铝酸钙(AFm)等这几相。 Diamond[5]认为充分反应的浆体中CSH凝胶体积约占70%,CH约占20%,AFt(AFm)约占7%。 显然,水化产物以CSH凝胶为主,将CSH微晶体分离所需的力作为基体的内聚力,以此来进一步计算弹性极限应力。 微晶体间力与距离的关系可以用图2 表示[6,7]。
图2(a)为微晶体间的作用力随距离的变化,图中b0处是两个晶体的平衡位置,此时的相互作用力为0,能量处于最低点。 此曲线可转化为图2(b)中的应力-应变关系曲线, 曲线与横坐标轴所围面积即为将两个微晶体分离所需做的功2γs,曲线的初始斜率为杨氏模量E。 可以用半个正弦波近似代替图2(b)中的曲线[6],则应力 σ 和位移x之间的关系可以用式(1)表示:
则将两个微晶体分开(断裂)所需做的功为:
由于小位移情况下胡克定律仍然适用, 有:。 对于小角度,sinx=x,代入式(1)得:
联立式(2)和式(3)可以得到两个微晶体之间最大的作用力,即内聚力为:
式中:E为杨氏模量,GPa;γs为水泥净浆的表面能,一般可取0.48J/m2[5];b0为水泥净浆水化产物微晶体构成的片状晶层的层间距,即微晶体间的平衡距离,取为1.5nm[7]。
2.2 虚拟塑性区
分析一条长为2a的裂缝受到拉应力 σ 的作用,导致由裂缝末端向外扩展长度为ry的范围内形成塑性区(图3)。 根据弹塑性力学,裂缝末端处(x=±a)的位移即裂缝张开口位移 δ 可用式(5)计算:
式中:σy为屈服应力,MPa。
当处于低应力状态时,式(5)可以简化为式(6):
式(6)给出了张开口位移、屈服应力和塑性区长度的关系。
将孔隙半径看作初始裂缝的长度即r=a, 当张开口位移增至两片状晶层的层间距b0时,表明基体即将发生开裂,如图4 所示。
再令屈服应力等于内聚力,同 δ=b0一起带入式(6), 整理得到张开口位移为b0时的虚拟塑性区长度ry:
2.3 应力集中
如图5 所示,一个无限大的受拉板内存在一个椭圆形的空洞,其长半轴为c,短半轴为w,受拉时在空洞尖端A处会产生应力集中现象,集中应力 σA可用式(8)计算:
将式(8)代入图4 的模型中,则有:
令集中应力等于内聚力即 σA=σmax, 联合式(7)代入式(9),可得应力 σ 的极限值 σs:
随着孔隙压力增大, 应力 σ 达到极限值 σs时,裂缝末端应力达到屈服应力 σy。
2.4 塑性状态判断
根据弹塑性力学中对内半径为a、 外半径为b、受内压P作用球壳的分析[9],可知当内压P大于弹性极限应力Pe时,即P>Pe=2σs(b3-a3)/3b3,在厚壁圆球内表面附近会出现塑性区, 并且随着内压的增加,塑性区逐渐扩大。 可以将受到冻结压力作用的孔隙看成是外半径b无限大的球壳,那么其弹性极限应力可以简化为式(11):
将孔隙冻结压力PA与弹性极限应力Pe进行比较,以此判断孔隙内边缘部分是否进入塑性状态。
3 开裂体积的计算
水泥基材料开裂形成新的裂缝, 导致面积增加,形成新的面积需要一定的表面能,根据能量守恒原理,忽略热损耗和其他形式的能耗,近似认为表面能的增量等于开裂前储存的弹性应变能与开裂时垂直于裂缝面方向的力FN沿裂缝张开方向所做功的和,据此求出单个裂缝的宽度(厚度)及裂缝的体积。 再用单个裂缝的体积乘以对应孔级孔隙的个数,并对各孔级的开裂体积求和,即得到总的裂缝体积。 孔级是指依据实际情况,采用等间距的方法将孔径划分为许多细小区间,每个区间选取一个代表孔径进行简化。
3.1 弹性阶段的应变能
当孔隙内压力尚未达到弹性极限应力的时候,孔隙会发生径向弹性应变,因此积累一定量的弹性应变能。 由弹性力学可知半径为r,内部受压应力q作用的球壳(泊松比为 ν),靠近内壁处的位移可用式(12)计算[10]:
式中:q即为孔隙所受径向的压力PA,MPa。
在内壁刚进入塑性状态的临界情况下,计算积累的弹性应变能时,径向应力取值等于弹性极限应力,即PA=Pe,单个孔隙内部压力沿孔隙径向所做的功可用式(13)计算:
式中:We为弹性应变能,J;ν 为泊松比;r为孔隙半径,m;E为杨氏模量,MPa;Pe为弹性极限应力,MPa。
3.2 塑性阶段应力所做的功
由于孔隙受冻压力是大小相等的径向应力,而能够使钱币型裂缝不断张开的力只有垂直于圆形裂缝面的力,因此,取半个孔隙为研究对象,把孔隙内部压力进行球面积分,并分解到垂直于裂缝面的方向,这样就可以求出每个孔隙所受的垂直于裂缝面的合力FN:
此合力FN在裂缝张开方向所做的功Wp为:
式中:δN为裂缝在力FN作用下张开的位移,即钱币型裂缝的厚度,m。
3.3 单个裂缝宽度的计算
由于开裂会有新的表面形成, 导致表面能增加。 根据假设,裂缝为钱币型,则单个孔隙的总开裂面积为2π(c2-r2),那么表面能增量可以通过式(16)计算:
式中:γs为硬化水泥净浆的表面能,J/m2, 一般可取 γs=0.48J/m2[5]。
根据能量守恒原理,忽略热损耗和其他形式的能耗,近似存在如下关系:表面能的增量等于储存的弹性应变能与开裂时垂直于裂缝面方向的力FN沿裂缝张开方向所做功的和,即:
将式(13)~(16)代入式(17),化简得到开裂宽度即钱币型裂缝的宽度:
式中:E为杨氏弹性模量,MPa;ν 为泊松比;γs为硬化水泥浆体的表面能,J/m2;Pe为弹性极限应力,MPa;PA为孔壁所受压力,MPa;c为钱币型裂缝的半径,m;r为孔隙半径,m。
3.4 开裂总体积的计算
根据单个裂缝的开裂面面积以及宽度,可得到单个孔隙开裂的体积:
当孔隙所受冻结压力PA大于弹性极限应力Pe时,该孔级的孔隙便进入塑性阶段,并且当冻结压力继续增大时孔隙会开裂,总的开裂体积等于所有孔隙裂缝体积总和。根据Diamond和Dolch[10]给出的孔径分布概率函数可确定各孔级的孔隙体积占总孔隙体积的比率, 确定各孔级所含孔隙的个数NF,进而计算各孔级孔隙的开裂体积并求和得到开裂总体积。
孔隙开裂总体积反映了水泥基材料在受冻情况下其内部微观结构的量化变化,开裂体积占总体积的分数揭示了水泥基的损伤劣化程度。
4 分析和讨论
Jacobsen等[11]曾对水灰比0.4 的混凝土经ASTM C666 中B法冻融循环过后,试件体积的改变率进行了研究。 当近似认为这种改变是由于试件内部形成了不可恢复的裂缝时,那么体积改变率就相当于其内部裂缝的体积分数。 Jacobsen得出了不同冻融循环次数下裂缝的体积分数,经拟合求得首次冻融后形成的裂缝体积分数为0.015%。 Jacobsen试验中水泥浆基体占总体的比率大约为30%,那么将混凝土内裂缝的体积分数折算到水泥浆基体内时,其值大概为0.0145%/0.3=0.048%。 针对水灰比0.4硬化水泥净浆的裂缝体积分数,若使用本文的方法计算,得到的开裂体积分数为0.042%,与Jacobsen试验结果较为接近。
应用本文的方法分别计算水灰比为0.5 和0.6的饱和硬化水泥净浆受冻一次的裂缝体积分数,结果分别为0.468%和1.595%, 裂缝体积分数随着水灰比的增大而增大。
5 结论
根据弹塑性力学和能力守恒原理,建立了水泥基材料水饱和孔隙受冻孔隙压力作用开裂体积计算模型,模型计算得到的开裂体积与既有测试结果一致,表明建立的模型具有可靠性。
利用模型分析不同水灰比的水泥净浆,显示水灰比越大,其相应的裂缝体积分数也越大。 水灰比0.4、0.5 和0.6 的水泥基饱和状态下冻结后开裂体积分数分别为0.042%、0.468%和1.595%。 开裂体积分数反映了水泥基材料的损伤程度。
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