ZMQ纖維混凝土?？ü?jié)能防災(zāi)砌塊的研究

[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，摻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、干縮開裂現(xiàn)象較多、“二次裝修”困難等不足，是我們湖南大學(xué)衡陽分校建筑工程系ZMQ纖維混凝土?？ü?jié)能防災(zāi)砌塊(以下簡稱“ZMQ 砌塊”)課題組3年來致力探討的課題。2003年10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、易開裂等缺點(diǎn)。為改善其抗折、抗剪、開裂、抗?jié)B性、吸水率等特性，我們在該材料中摻加了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= 1∶1.5∶0.48∶0.46∶0.0135。芯層結(jié)構(gòu)層: 水泥∶珍珠巖∶水∶減水劑= 1∶1.23∶0.46∶0.0135。然后通過摻加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：采用衡陽市水泥廠生產(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5% ，壓縮比1.5，熱導(dǎo)率0.064～0.072W/(m·K) 。

細(xì)砂：采用衡陽市砂石場普通河砂，含泥量小于2%，細(xì)度模數(shù)2.2～1.6。ZMQ纖維:采用獨(dú)特的三葉型橫截面，經(jīng)過接枝處理的改性聚丙烯纖維。白色單絲；相對(duì)密度0.91；長度2～30mm；纖度6～16D(當(dāng)量直徑0.02～0.1mm)；熔點(diǎn)165～173℃；抗拉強(qiáng)度>500MPa；斷裂伸長率15%～25%；彈性模量>3800MPa；濃NaOH溶液、濃氨水、濃鹽酸、濃硫酸、濃硝酸對(duì)其強(qiáng)度無影響；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，無并絲、無纏繞，無結(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(長度5～8mm)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175mm和185mm、高度為150mm的圓臺(tái)體，試件養(yǎng)護(hù)方法同力學(xué)性能測定的立方體試件?；九浔葥?/SPAN>1.5kg/m³ZMQ防水黏結(jié)劑，實(shí)驗(yàn)平均值如表2。

2.1.3 　抗裂觀察實(shí)驗(yàn)

制作4組1200mm×1600mmZMQ纖維摻量(kg/m³ )分別為0、0.4、0.8、1.2的ZMQ砌體，120d觀察，無ZMQ纖維摻入時(shí)砌體有裂紋；當(dāng)ZMQ纖維摻入量超過0.8kg/m³砌塊料時(shí)，所有ZMQ砌體均無裂紋產(chǎn)生。

2.2 　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

a) 表1試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)纖維含量從0.4kg/m³～2.0kg/m³，混凝土的抗壓強(qiáng)度幾乎沒有變化，但抗折強(qiáng)度提高達(dá)25%。數(shù)值說明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)力場更加連續(xù)和均勻幾方面來理解。

b) 表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50～100nm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后，在105～110℃下烘至恒重稱重，放入20+5℃水中浸泡48h后取出擦干稱重。測試摻加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

表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°39～30°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，以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)：

K_p1 = 1/(R_i +ΣR_P +R_e)

= 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):

K_p2 = 1/(R_i+ΣR_P+R_e)

= 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)K≦0.85W/(m²·K)，小于外墻傳熱系數(shù)限值1.5 W/ (m²·K)，滿足建筑節(jié)能65%的要求。課題組實(shí)際測試數(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)來滿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、自收縮開裂和內(nèi)部微裂縫使其抗折強(qiáng)度增長小于抗壓強(qiáng)度增長，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)

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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:中國建材出版社，2003

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