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《华南理工大学》 2016年
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泡沫混凝土及其应用于制备复合夹芯墙板的研究

罗云峰  
【摘要】:随着建筑节能的推进,保温隔热型建筑材料如雨后春笋,蓬勃发展,而由于建筑防火的要求,无机保温隔热材料则更受人们的青睐。泡沫混凝土密度低,气孔率远大于普通混凝土,具有非常优异的保温隔热性能,同时由于其制备工艺简单,加工方便,原材料来源广泛,生产成本低,日益受到研究者和工程界的重视。但另一方面,由于其强度远低于普通混凝土,单独用作围护材料受到一定的限制,当与高强度的面板组合构成泡沫混凝土复合夹芯墙板时,则可弱化或克服其强度低的劣势,拓展其在建筑工程领域的应用。然而,在泡沫混凝土复合夹芯墙板生产过程中,经常出现泡沫混凝土塌模、粉化以及面板和泡沫混凝土之间匹配性较差的问题。目前,相关报道以及解决单一问题的研究很多,但问题产生的深层次原因、机理和影响因素以及综合性的改善技术一直缺乏系统深入的研究,制约了具有较好工程性能的泡沫混凝土复合夹芯墙板的生产和应用。本文针对泡沫混凝土复合夹芯墙板生产中出现的上述问题以及相应的防止方法和技术展开研究,以期为泡沫混凝土复合夹芯墙板的生产、推广应用提供理论指导和技术支撑。研究工作分为以下三个大的方面。1.以泡沫混凝土料浆中的气泡为研究对象,具体研究内容和研究结果分述如下:(1)提出了泡沫混凝土料浆表面张力和泡沫混凝土气泡孔壁强度的测试方法,建立了泡沫混凝土料浆中气泡在静置和搅拌过程中的受力模型,揭示了气泡膜的表面张力及气泡孔壁强度对气泡稳定性的影响规律,通过解析气泡在料浆中稳定的力学边界条件,确定了气泡稳定存在的半径最低限值。(2)研究了料浆密度、料浆粘度、料浆凝结时间、粉煤灰掺量、不同发泡剂(液膜强度)、砂粒径、砂掺量、陶粒粒径、搅拌方式、搅拌速度、搅拌时间等对泡沫混凝土气泡稳定性的影响。研究结果表明,料浆密度越大、粘度越大、凝结时间越短,气泡就越稳定,反之亦然;气泡经受的外力越大,越不利于气泡的稳定;复合型蛋白类发泡剂所发的气泡在料浆中稳定性最高。(3)泡沫混凝土料浆稳定性的核心问题是料浆的凝结硬化时间是否与气泡寿命相匹配。通过延长气泡的寿命,如提高料浆密度、料浆粘度和增加液膜(气泡孔壁)强度,以及缩短泡沫混凝土的凝结时间,如加入速凝剂、使用快凝水泥等,可使得料浆在气泡破灭之前形成稳定的骨架结构,即可减少或解决泡沫混凝土的塌模问题。2.开展了泡沫混凝土结构特征参数的表征及其对水泥水化过程和硬化体粉化的影响研究。(1)提出一种泡沫混凝土表面硬度的测试方法,即铅笔硬度法,采用此方法可判定泡沫混凝土的粉化程度。(2)建立了泡沫混凝土中气泡孔的结构模型。将气泡孔结构分为紧密堆积型和非紧密堆积型两种,推导了不同密度泡沫混凝土的气泡孔结构(气泡孔数、气泡孔内表面积、气泡孔壁厚度)的理论公式。研究表明,气泡孔壁的厚度随气泡孔率的增大而减小;相同密度下气泡孔壁的厚度随气泡孔直径的增大而增大。泡沫混凝土的气泡孔结构具有如下特点:多孔薄壁,小体积物料与大体积的气泡孔空气共存于一体,小体积物料以巨大的面积暴露在气泡孔的气体之中。(3)研究分析了泡沫混凝土的多孔薄壁、巨大内表面积等结构特征对泡沫混凝土粉化的影响规律。泡沫混凝土的薄壁结构的保水性较差,同时泡沫混凝土的内表面积非常巨大,导致气泡孔壁中的水分快速蒸发,水泥水化难以充分进行,水化产物不能形成良好的结构,易导致粉化。就超轻泡沫混凝土而言,由于其中水分蒸发远比中高密度的大,粉化趋于严重。(4)研究表明,泡沫混凝土的粉化随其密度的减小而趋严重。sem观察分析表明,超轻泡沫混凝土(300、400kg/m3)中的水化产物发育不好,水化产物搭接疏松,硬化体结构松散,因而易出现粉化;在密度为700kg/m3的泡沫混凝土中,水化产物发育良好,搭接紧密,结构较致密,因而不易粉化。研究还表明,碳化也会进一步加剧泡沫混凝土的粉化。(5)基于上述分析研究,提出了通过改善孔结构(增大气泡孔壁厚度)和采用保水剂以及合适的水胶比而防止泡沫混凝土粉化的方法,并通过试验验证。3.针对芯材泡沫混凝土与面板的匹配性问题,从泡沫混凝土料浆在面板间的稳定性、面板和芯材泡沫混凝土的变形一致性以及面板与泡沫混凝土的界面粘结强度等方面开展研究。(1)探讨了面板硅钙板的吸水性、处理方式、增稠剂和促凝剂等对泡沫混凝土复合夹芯墙板制备过程中料浆稳定性的影响。研究结果表明,面板的吸水性越大,料浆塌模越严重;面板的处理方式为“干+胶+凹”时,对料浆的稳定性影响最小;增稠剂和促凝剂的掺入有利于料浆在复合夹芯墙板中的稳定。基于此,提出了提高复合夹芯墙板泡沫混凝土料浆稳定性的方法和技术。(2)建立了面板和芯材泡沫混凝土的有限元分析结构模型。采用有限元模拟分析方法,探讨了泡沫混凝土复合夹芯墙板内部的应力分布、泡沫混凝土复合夹芯墙板的干缩值及弹性模量对收缩应力的影响,并进行了面板和芯材泡沫混凝土之间干缩变形匹配性试验。研究发现,复合夹芯墙板开裂是从接触界面的四个角落开始,面板与芯材剥落是从界面中心位置开始的。采用密度为700kg/m3和800kg/m3的泡沫混凝土作为复合夹芯墙板的芯材时,复合夹芯墙板不开裂;采用密度为600kg/m3的泡沫混凝土作为芯材时,存在开裂风险。通过适当掺入聚丙烯纤维和细砂,可以降低泡沫混凝土的收缩,泡沫混凝土与面板的变形趋于协调,可以避免面板的剥离和芯材的开裂,泡沫混凝土复合夹芯墙板的整体性能得以改善。(3)研究了泡沫混凝土的密度、面板的处理方式、乳胶粉、水胶比等对泡沫混凝土与面板界面粘结性能的影响。采用“干+胶+凹”的面板处理方式、掺入乳胶粉、选择合适密度的泡沫混凝土和适当水胶比等组合技术,可制备面板不剥离,芯材不开裂、整体性完好的复合夹芯墙板,其具有良好的保温隔热性能、防火性能、抗冲击性能、吊挂性能和防水性能等。通过本课题的研究,丰富和充实了泡沫混凝土的基础理论,并在泡沫混凝土料浆表面张力、泡沫混凝土气泡孔壁强度的测试方法,以及在泡沫混凝土气泡孔结构及其对泡沫混凝土性能的影响,泡沫混凝土的塌模与粉化及其防止方法等方面取得了创新性进展,课题的部分研究成果已转入产业化试验阶段。课题研究成果对提升我国泡沫混凝土及泡沫混凝土复合夹芯墙板的研发和生产水平具有重要参考价值。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TU528.72

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