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ZMQ纖維混凝土??ü?jié)能防災(zāi)砌塊的研究

2005-09-24 00:00

[摘 要]  研究了不同摻量ZMQ纖維、ZMQ防水黏結(jié)添加劑對(duì)ZMQ砌塊的抗折、防裂、抗?jié)B性、吸水率和熱工性能的影響。探討和分析了水泥基纖維復(fù)合材料抗折防裂、抗?jié)B性、熱工性能提高的機(jī)理。試驗(yàn)證明,ZMQ纖維和防水黏結(jié)劑能顯著降低混凝土的脆性提高混凝土抗折強(qiáng)度、抗?jié)B性和熱工性能。

[關(guān)鍵詞]  ZMQ砌塊;纖維增強(qiáng)防裂;抗?jié)B性;吸水率;熱工性能 

研發(fā)出適合夏熱冬冷地區(qū)氣候特點(diǎn),解決節(jié)能建筑節(jié)能不節(jié)錢(qián)、干縮開(kāi)裂現(xiàn)象較多、“二次裝修”困難等不足是我們湖南大學(xué)衡陽(yáng)分校建筑工程系ZMQ纖維混凝土??ü?jié)能防災(zāi)砌塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“ZMQ 砌塊”)課題組3年來(lái)致力探討的課題。200310月,“纖維混凝土保溫砌塊技術(shù)預(yù)研究”列為上海市建設(shè)科研項(xiàng)目計(jì)劃。

ZMQ砌塊采取不燃材料膨脹珍珠巖作為保溫材料,以期有效地控制火災(zāi)、熱輻射和次生煙塵災(zāi)害。珍珠巖保溫性能穩(wěn)定,價(jià)格低廉,是一種較好的保溫材料,但其吸水率大,不適宜應(yīng)用于潮濕環(huán)境,并且膨脹珍珠巖混凝土存在抗拉強(qiáng)度低、極限應(yīng)變小、抗沖擊性差、脆性大、易開(kāi)裂等缺點(diǎn)。為改善其抗折、抗剪、開(kāi)裂、抗?jié)B性、吸水率等特性,我們?cè)谠摬牧现袚郊恿?/SPAN>ZMQ纖維、ZMQ防水黏結(jié)劑等材料組成了ZMQ砌塊,該砌塊很好地滿(mǎn)足了其使用、施工環(huán)境和保溫效果的性能要求。

1  試驗(yàn)方法

纖維增強(qiáng)膨脹珍珠巖混凝土成型及抗壓、抗折強(qiáng)度按GBJ81-1985普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法。參照GB10303-1989膨脹珍珠巖絕熱制品的技術(shù)要求和GB11969加氣混凝土性能試驗(yàn)方法。

1.1  實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

ZMQ砌塊結(jié)構(gòu)由表層結(jié)構(gòu)和芯層結(jié)構(gòu)組成,材料由水泥、膨脹珍珠巖、ZMQ防水黏結(jié)添加劑、ZMQ纖維、BY7減水劑、砂等組成。先經(jīng)課題組反復(fù)實(shí)驗(yàn),找出ZMQ砌塊在干燥條件下滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度和保溫性能的基本配合比(重量比)。表層結(jié)構(gòu)層:水泥∶砂∶珍珠巖∶水∶減水劑= 11.50.480.460.0135。芯層結(jié)構(gòu)層: 水泥∶珍珠巖∶水∶減水劑= 11.230.460.0135。然后通過(guò)摻加ZMQ纖維、ZMQ防水黏結(jié)添加劑,改變表層結(jié)構(gòu)層與芯層結(jié)構(gòu)層的結(jié)合方式和結(jié)合厚度,設(shè)置公母榫鑲砌結(jié)構(gòu)來(lái)改善ZMQ砌塊的抗折、抗剪、防裂、抗?jié)B能力和吸水率,提高墻體整體剛度、環(huán)境適應(yīng)性和熱工性能,最后調(diào)整和確定產(chǎn)品的材料配比和生產(chǎn)工藝。

1.2  試驗(yàn)用原材料

水泥采用衡陽(yáng)市水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的湘江牌425號(hào)普通硅酸鹽水泥。

膨脹珍珠巖采用湖南冷水灘美迪實(shí)業(yè)公司產(chǎn)品堆積密度180kg/m3細(xì)度模數(shù)3.6,大于5mm的顆粒不超過(guò)5% ,壓縮比1.5,熱導(dǎo)率0.0640.072W/(m·K)

細(xì)砂采用衡陽(yáng)市砂石場(chǎng)普通河砂,含泥量小于2%,細(xì)度模數(shù)2.21.6。ZMQ纖維:采用獨(dú)特的三葉型橫截面,經(jīng)過(guò)接枝處理的改性聚丙烯纖維。白色單絲;相對(duì)密度0.91;長(zhǎng)度230mm;纖度616D(當(dāng)量直徑0.020.1mm);熔點(diǎn)165173;抗拉強(qiáng)度>500MPa;斷裂伸長(zhǎng)率15%25%;彈性模量>3800MPa;NaOH溶液、濃氨水、濃鹽酸、濃硫酸、濃硝酸對(duì)其強(qiáng)度無(wú)影響分散性:隨機(jī)取0.1g纖維,投入到盛有300ml水的燒杯中,晃動(dòng)燒杯纖維均勻分散,無(wú)并絲、無(wú)纏繞,無(wú)結(jié)團(tuán)。

ZMQ防水黏結(jié)劑課題組自配,由有機(jī)硅氧烷、尿素和水玻璃等組成。

減水劑采用岳陽(yáng)白銀化工生產(chǎn)的BY7型超早強(qiáng)減水劑由甲基萘磺酸鈉甲醛縮合物、增強(qiáng)劑等材料復(fù)合而成。

2  ZMQ纖維增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)

2.1  實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)

2.1.1  測(cè)定28d抗壓、抗折強(qiáng)度。

表層結(jié)構(gòu)層ZMQ拌合料基本配比保持不變,ZMQ纖維(長(zhǎng)度58mm)摻入量(kg/m3)逐步增加(14組實(shí)驗(yàn)),實(shí)驗(yàn)平均值如表1。玻璃等組成。

 

減水劑采用岳陽(yáng)白銀化工生產(chǎn)的BY7型超早強(qiáng)減水劑由甲基萘磺酸鈉甲醛縮合物、增強(qiáng)劑等材料復(fù)合而成。

2.1.2  測(cè)定抗?jié)B性

抗?jié)B性能參照GBJ82-1985規(guī)定進(jìn)行,試件為上下底面直徑各為175mm185mm、高度為150mm的圓臺(tái)體,試件養(yǎng)護(hù)方法同力學(xué)性能測(cè)定的立方體試件。基本配比摻1.5kg/m3ZMQ防水黏結(jié)劑,實(shí)驗(yàn)平均值如表2

 

2.1.3  抗裂觀(guān)察實(shí)驗(yàn)

制作41200mm×1600mmZMQ纖維摻量(kg/m3 )分別為0、0.4、0.81.2ZMQ砌體,120d觀(guān)察無(wú)ZMQ纖維摻入時(shí)砌體有裂紋;當(dāng)ZMQ纖維摻入量超過(guò)0.8kg/m3砌塊料時(shí)所有ZMQ砌體均無(wú)裂紋產(chǎn)生。

2.2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

a) 1試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)纖維含量從0.4kg/m32.0kg/m3,混凝土的抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有變化但抗折強(qiáng)度提高達(dá)25%。數(shù)值說(shuō)明ZMQ纖維對(duì)強(qiáng)度的影響程度和纖維在混凝土中的體積率有關(guān)。課題組分析認(rèn)為,之所以抗折強(qiáng)度提高幅度大于抗壓強(qiáng)度提高幅度,原因在于混凝土脆性及自收縮等造成內(nèi)部存在不同尺度的微裂縫,而微裂縫對(duì)抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度;ZMQ纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響可從纖維對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)原生裂紋尺度的細(xì)化效應(yīng)增強(qiáng)了混凝土介質(zhì)的連續(xù)性、有機(jī)材料對(duì)振動(dòng)波的吸收和ZMQ纖維鈍化了原生裂隙尖端的應(yīng)力集中使介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)更加連續(xù)和均勻幾方面來(lái)理解。

b) 2試驗(yàn)結(jié)果表明隨著ZMQ纖維摻量的增加,混凝土的滲透高度減小。課題組分析認(rèn)為,由于纖維與混凝土之間握裹力極強(qiáng),可以有效控制混凝土結(jié)晶體的位移;裂縫碰到鄰近的微纖維時(shí)立即被阻擋,因而防止了裂縫的擴(kuò)大均勻分布在混凝土中的大量纖維降低了混凝土表面的析水,阻礙了集料的離析從而使混凝土中直徑為50100nm的孔隙含量大大降低,可以極大地提高抗?jié)B能力,同時(shí)大大增強(qiáng)混凝土的抗凍能力。

c) 抗裂觀(guān)察表明,加入ZMQ纖維后抗裂能力提高,可有效控制面層不產(chǎn)生大于0.2mm的有害裂縫。課題組分析認(rèn)為由于ZMQ纖維與水泥基料的結(jié)合力極強(qiáng),易于充分混合,在混凝土內(nèi)部形成多向分布的支撐體系,該體系有助于減弱混凝土的塑性收縮及凍融時(shí)的張力,而收縮時(shí)的能量被混凝土中大量的高強(qiáng)ZMQ纖維所吸收,有效的增強(qiáng)了混凝土的韌性及延性有效釋放溫度應(yīng)力,提高了抗變形能力抑制其微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。同時(shí),砌筑采用ZMQ膠泥,無(wú)濕化作業(yè),有利于避免因濕脹率大于干縮率幾乎一倍而使砌塊墻體出現(xiàn)的收縮裂縫。

3  ZMQ防水黏結(jié)劑效果實(shí)驗(yàn)

3.1  實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)

制作ZMQ芯層材料100mm×100mm×100mm試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,105110℃下烘至恒重稱(chēng)重放入20+5水中浸泡48h后取出擦干稱(chēng)重。測(cè)試摻加ZMQ防水黏結(jié)劑對(duì)ZMQ混凝土吸水率的影響。實(shí)驗(yàn)平均值如表3。

3.2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3試驗(yàn)結(jié)果表明,摻加適量的ZMQ防水黏結(jié)劑可以降低ZMQ砌塊的吸水率。當(dāng)ZMQ防水黏結(jié)劑摻量為1.5kg/m3時(shí),ZMQ芯層材料吸水率≤10% ,課題組分析認(rèn)為,膨脹珍珠巖性能穩(wěn)定價(jià)格低廉,是一種較好的保溫材料但其吸水率大,不適宜應(yīng)用于南方潮濕環(huán)境;ZMQ防水黏結(jié)劑能使珍珠巖表面形成防水薄膜;ZMQ防水黏結(jié)劑有微膨脹作用,有利于補(bǔ)償混凝土自收縮,抑制其微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展與拒水性好的表層結(jié)構(gòu)層配合,ZMQ砌塊在南方潮濕環(huán)境下能保持良好的防水保溫效果,同時(shí)又有較好的透汽性。

4  ZMQ砌塊熱工性能

4.1  計(jì)算方法及數(shù)據(jù)

課題組以位于北緯24°3930°08′之間的湖南省氣候特征參數(shù)作為研究依據(jù),采用以18 為基準(zhǔn)的采暖度日數(shù)HDD18,26為基準(zhǔn)的空調(diào)度日數(shù)CDD26。

依據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-1993及《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)JGJ26-1995,課題組對(duì)ZMQ主砌塊墻體構(gòu)造及熱工計(jì)算參數(shù)的最終實(shí)驗(yàn)取值為,外結(jié)構(gòu)層:導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.58W/(m·K),厚度15mm;芯層結(jié)構(gòu)層:λ=0.102W/(m·K),厚度120mm;內(nèi)結(jié)構(gòu)層:λ =0.58W/(m·K),厚度15mm內(nèi)側(cè)水泥砂漿:λ=0.93W/(m·K),厚度5mm

ZMQ 砌塊熱工計(jì)算

a) 外結(jié)構(gòu)層15mm+芯層結(jié)構(gòu)層120mm+內(nèi)結(jié)構(gòu)層15mm+兩側(cè)水泥砂漿各5mm傳熱系數(shù)

Kp1 = 1/(Ri +ΣRP +Re)

= 1/(0.11+0.005/0.93+0.015/0.58+0.12/0.102+0.015/0.58+0.005/0.93+0.04)

= 0.72W/(m2·K)

b) 結(jié)構(gòu)“熱橋”150mm傳熱系數(shù):

Kp2 = 1/(Ri+ΣRP+Re)

= 1/(0.11+0.005/0.93+0.15/0.58+0.005/0.93+0.04)

= 2.38W/(m2·K)

c) ZMQ砌塊墻體計(jì)權(quán)傳熱系數(shù)K

K = 0.72×0.923+2.38×0.077

= 0.85W/(m2·K)

4.2  結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果表明, ZMQ砌塊墻體平均傳熱系數(shù)K0.85W/(m2·K),小于外墻傳熱系數(shù)限值1.5 W/ (m2·K),滿(mǎn)足建筑節(jié)能65%的要求。課題組實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)和DOE22程序能耗分析結(jié)果表明,當(dāng)改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K 時(shí)隨著K值的減小,能耗指標(biāo)的降低并非按線(xiàn)性規(guī)律變化。當(dāng)外墻平均K值降為1W/(m2·K)時(shí),再減小K值對(duì)降低建筑能耗的作用已不明顯。在非穩(wěn)態(tài)傳熱的條件下,還應(yīng)該用高強(qiáng)、高密度ZMQ纖維保溫混凝土表層的設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足抵抗溫度波和熱流波在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中傳播能力的熱惰性指標(biāo)。ZMQ砌塊采用預(yù)成球雙嘴三料一次性復(fù)合成型技術(shù)重要的是形成保溫混凝土表層與保溫混凝土芯層均勻漸變和有機(jī)結(jié)合,提高ZMQ 砌塊的強(qiáng)度另一方面使墻體達(dá)到隔聲指數(shù)45db(二級(jí))的標(biāo)準(zhǔn)要求,還滿(mǎn)足墻體拒水性與透氣性設(shè)置,提高墻體的耐凍融、耐侯能力。

5  幾點(diǎn)結(jié)論

a) 普通膨脹珍珠巖混凝土由于其脆性、自收縮開(kāi)裂和內(nèi)部微裂縫使其抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)小于抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng),使后期強(qiáng)度和耐久性能有可能下降。ZMQ纖維摻量為2kg/m3時(shí),可以提高抗折強(qiáng)度25 %以上。

b) ZMQ防水黏結(jié)劑能使珍珠巖表面形成防水薄膜;防水黏結(jié)劑的微膨脹作用,有利于補(bǔ)償混凝土自收縮抑制其微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展,當(dāng)其摻量為1.5 kg/m3時(shí),ZMQ砌塊材料吸水率≤10%,在南方潮濕環(huán)境下,能保持良好的防水保溫效果。但當(dāng)其摻量達(dá)到一定比例后,防濕效果不再明顯增加。

c) 課題組的綜合研究證明,可以通過(guò)摻加ZMQ纖維、ZMQ防水黏結(jié)添加劑,改變表層與芯層結(jié)構(gòu)層的結(jié)合方式和結(jié)合厚度,設(shè)置鑲砌結(jié)構(gòu)等多項(xiàng)手段來(lái)改善ZMQ砌塊的抗折、防裂、抗?jié)B能力和吸水率提高墻體整體剛度、環(huán)境適應(yīng)性和熱工性能。

參考文獻(xiàn)

1  建設(shè)部. 夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),JCJ134-2001

2  朱盈豹編著. 保溫材料在建筑墻體節(jié)能中的應(yīng)用. 北京:中國(guó)建材出版社,2003

3  謝朝學(xué). 利用“三廢”制輕型保溫隔熱建筑材料. 安全與環(huán)境工程,2004,(3)

4  高丹盈,B.Brahim. 纖維聚合物筋混凝土的粘結(jié)機(jī)理及錨固長(zhǎng)度的計(jì)算方法.

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