摘要,以聚苯乙烯颗粒为轻质集料,水泥和粉煤灰为胶凝材料,辅以多种外加剂,经化学发泡工艺制备水泥基墙体保温材料。通过掺加不同掺量的超高分子量聚乙烯纤维,研究了超高分子量聚乙烯纤维对水泥基墙体保温材料性能的影响,并采用扫描电子显微镜对试样的断口形貌做多元化的分析,对超高分子量聚乙烯纤维的相关作用机理做多元化的分析。研究根据结果得出,超高分子量聚乙烯纤维的最佳掺量为04%,此时水泥基轻质墙体保温材料的抗折强度、抗压强度、抗折软化系数分别为047MPa、058MPa、056,较空白试样分别提高了760%、611%、333%,在此条件下试样的密度和导热系数分别为218kg/m3、0056W/(mK)。关键词,超高分子量聚乙烯纤维,轻质墙体保温材料,性能影响,作用机理,强度

  近年来,世界各国凸显出日益严重的能源紧缺、资源浪费、环境污染等问题,因此,对有限的能源和资源做到合理有效的利用是解决以上问题的重中之重[1]。众所周知,材料行业在社会持续健康发展和人类文明的进步中起着举足轻重的作用,由材料行业所引导的建筑行业更是与能耗利用、环境保护紧密关联。建筑行业一直是能耗最大的行业之一,如果不降低生产能耗,对我国一直提倡的节能减排政策的实施不利[2]。目前,采用性能优异的墙体保温材料实现夏天隔热，冬天保温、降低建筑能耗慢慢的变成了人们常用的手段[3]。随技术进步和时代发展,人们对墙体保温材料的性能要求慢慢的升高,人们期望能进一步提升墙体保温材料的力学性能、保温隔热能力以及耐水性能等,以用于对材料性能要求更高的建筑中去。超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)又称Trevo纤维,,具有高强、轻质、高模量、耐腐蚀等优异品质,被广泛地应用到于绳缆、渔网、手套和防弹装甲/背心等产品的生产中[4],而其短切纤维在水泥基轻质墙体保温材料中的研究和应用较少。本文通过在水泥基轻质墙体保温材料中掺加短切超高分子量聚乙烯纤维,研究其对墙体保温材料性能的影响。

  水泥,普通42.5R硅酸盐水泥,山水水泥厂生产,超高分子量聚乙烯纤维,又称Trevo纤维,山东爱地高分子材料有限公司生产,密度为970kg/m3,长度为6mm,直径28μm,拉伸强度2.8GPa,弹性模量102GPa,断裂伸长率为3.1%,轻质集料,聚苯乙烯颗粒(EPS),购自山东某建材有限公司,常温导热系数0.035W/(mK),堆积密度为18kg/m3,粒度2(5mm)粉煤灰,山东某电厂生产的I级灰,发泡剂,试验室自制高效发泡剂,稳泡剂,试验室自制复合稳泡剂,试验中还用到早强剂、减水剂、防水剂、粉煤灰复合激发剂等试剂。

  JM-1001电子天平,余姚纪铭称重校验设备有限公司,SHBY-40B水泥标准养护箱,北京三思行测控技术有限公司,CMT5504微机控制电子万能试验机,美特斯工业系统有限公司,40mm×40mm×160mm不锈钢模具,搅拌锅、烧杯、玻璃棒、量筒等。

  在试验前期,首先确定了早强剂、稳泡剂、发泡剂、减水剂和防水剂的掺量分别为胶凝材料的品质的2%、6%、7%、3%和5%,粉煤灰复合激发剂为粉煤灰质量的7%,水灰比为胶凝材料的0.64,其中胶凝材料包括水泥和粉煤灰(质量比为4:1)。本试验中,超高分子量聚乙烯纤维的掺量分别取0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%。准确称量各物料,先将水泥、粉煤灰、早强剂、减水剂、粉煤灰活性激发剂置于容器中混合均匀,将水、稳泡剂、防水剂置于烧杯中搅匀成为混合液,然后将混合液倒入干物料中搅拌均匀制成料浆,倒入发泡剂并搅匀,静置发泡1.5~2.0min后,迅速倒入适量的聚苯乙烯颗粒搅匀,最后将搅好的物料注入模具中振动成型,超声分散问题,。

  试样脱模后,置于温度20℃、相对湿度95%的条件下养护3d,再将试样放入60℃烘箱烘至恒重。依照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》,将试样加工成相应尺寸,分别测试水泥基轻质墙体保温材料的抗折强度、抗压强度、密度、抗折软化系数和导热系数。

  为0.47MPa、0.58MPa,较空白试样分别提高了76.0%、61.1%,当纤维掺量超过0.4%后,试样的强度不再提高,反而降低。这是由于当具有高抗拉强度和弹性模量的超高分子量聚乙烯纤维的掺量增大时,在水泥基轻质墙体材料中分散的纤维增多,可有效提升试样强度,但由于纤维掺量过多时,纤维易缠绕、结团、分散不均匀,容易在试样内部造成有害的孔洞,反而不利于试样强度的提高。

  对不同纤维掺量下试样的其他性能来测试,测试结果如表1所示。由表1中抗折软化系数的数据能够准确的看出,试样抗折软化系数随着超高分子量聚乙烯纤维掺量的增大慢慢地提高,并在纤维掺量为0.4%时取得峰值为0.56,较空白试样提高了33.3%,当纤维掺量超过0.4%后,试样的抗折软化系数呈现下降趋势。由表1中试样的密度值和导热系数值能够准确的看出,试样的密度和导热系数随着超高分子量聚乙烯纤维掺量的变化无太明显的数值波动,可见,纤维掺量对试样密度和导热系数无影响。

  由图1能够准确的看出,随着纤维掺量的不断增大,试样的抗折、抗压强度均呈先增长后减小的变化趋势,并在超高分子量聚乙烯纤维掺量为0.4%时取得最大值,分别

  综上所述,根据纤维掺量对试样抗折、抗压强度和抗折软化系数的影响以及生产所带来的成本等问题,试验最终确定超高分子量聚乙烯纤维的最佳掺量为0.4%。此时水泥基轻质墙体保温材料的抗折强度、抗压强度、抗折软化系数、密度和导热系数分别为0.47MPa、 0.58MPa、 0.56、218kg/m3、 0.056W/(m K)。

  图2为掺加超高分子量聚乙烯纤维试样的断口微观形貌图。 由图2(a)可见,试样中的超高分子量聚乙烯纤维以互相交叉的形式均布在试样内部,形成了三维网络空间结构,图2(b)为纤维拔出处的SEM图,能够准确的看出拔出纤维表面附着大量的水泥水化产物,纤维与水泥水化产物间无明显缝隙,说明纤维与水泥基体结合良好。

  超高分子量聚乙烯纤维的作用大多数表现在以下几个方面,①掺加到水泥基轻质墙体材料中的超高分子量聚乙烯纤维, 以乱向分布的状态交叉存在,构成起支撑作用的三维网络骨架结构,外部载荷应力可沿着纤维单丝传递,在传递过程中消耗能量、削弱应力,起到传递应力和分散应力的作用,减小外力对材料的破坏作用,使材料的强度得到一定效果提高。②材料在成型的过程中因自身干燥收缩和遭受外力时, 内部不可避免地会出现微裂纹,这些微裂纹会大幅度降低材料的强度。以单丝状态分布在材料内部的超高分子量聚乙烯纤维,可有效地约束微裂纹的进一步扩展,减小裂纹尖端的应力集中,纤维还可降低微裂纹产生的可能,提高材料强度。③超高分子量聚乙烯纤维在遭受较大外力从水泥基体中拔出时,也会大量耗能,再加之超高分子量聚乙烯纤维本身就具有很大的抗拉强度,可承担载荷力,只有当更大的载荷存在时材料才能被破坏。因此材料的强度得到提高[5]。以上多方面因素共同发挥作用,使得水泥基轻质墙体保温材料的强

  ( 1 )研究根据结果得出,超高分子量聚乙烯纤维有效提升了水泥基轻质墙体保温材料的强度。试验确定纤维的最佳掺量为0.4%,此时水泥基轻质墙体保温材料的抗折强度、抗压强度、抗折软化系数分别为0.47MPa、0.58MPa、 0.56,较空白试样分别提高了76.0%、 61.1%、33.3%,此时试样的密度和导热系数分别为218 kg/m3、

  (2)超高分子量聚乙烯纤维在水泥基轻质墙体保温材料中均匀分布,有效传递应力、分散应力,约束裂纹扩展并承担载荷,多方面的因素有效提升了材料的强度。

  [2] 王铁宏,史殿臣,王玉普快速推进节能省地环保新型墙体体系的应用-对黑龙江省推广应用节能省地环保新型墙体体系情况的调研与思考[J]墙材革新与建筑节能,2009 (3):17-19

  [5] 李小龙,李国忠纤维增强发泡保温复合材料的制备与性能[J]复合材料学报(2014) 31(3): 542-549

  (3)在管桩生产中,使用聚羧酸减水剂时,蒸养制度对混凝土强度的影响最大,延长静停时间,提高蒸养

  (4)含气量对混凝土的强度影响较大,含气量越大,强度越低,含气量在2.2%时,混凝土强度和和易性较好。

  [1] 郭德生,张瑞红,王楠,等管桩行业能耗特点与节能减排途径[J]节能,2011(3): 13-17

  [2] 金舜,匡红杰,周杰我国预应力混凝土管桩的发展近况和方向[J]混凝土与水泥制品,2004(1):27-29

  [3] 何志旗预应力高强混凝土管桩免压蒸工艺的研究[D]西安:西安建筑科技大学, 2012

  [4] 庞传涛C80预应力管桩混凝土的优化试验研究[D]西安:西安建筑科技大学,2012

  作者简介,汪梁,男,工程师,本科,主要是做混凝土外加剂的应用研究。 地址,上海市宛平南路75号, E-mail: