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高比强EPS轻质混凝土的制备与性能研究

日期:2020年12月26日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:134
论文价格:150元 论文编号:lw202012222151118274 论文字数:48555 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文研究,本文 EPS颗粒由废弃聚苯乙烯泡沫资源化回收再利用而得,再生 EPS 与混凝土耦合不仅能实现建筑围护结构轻量化、保温隔热和抗震吸能多重功效,还能解决废弃 EPS 泡沫的“白色污染”问题,实现节能利废与绿色环保要求。在此研究背景下,本文基于对 EPS 混凝土组成-结构-性能关系分析,对高比强 EPS 轻质混凝土的性能影响规律、制备方法、性能调控与优化等进行了系统研究,为工程应用提供参考。


第一章 绪论


1.1  研究背景

2019 年我国城镇化率首次超过 60%,较 2000 年(36.22%)提高了 67.31%,预计2033 年将超过 70%[1]。随着我国经济持续高质量发展、工业化水平和城镇化进程不断加快,建筑耗能总量在不断加大,能源环境矛盾问题日益突出。据测算,当前建筑能耗占社会总能耗的 1/3 以上,2030 年左右我国建筑能耗将超过工业能耗成为第一能耗大户[2],实施建筑节能规划意义重大。

建筑节能[3-5]是时代发展的要求,也是当前国家推进新型城镇化和建设生态文明的重大需求。《国家新型城镇化规划(2014-2020)》提出:到 2020 年,城镇绿色建筑占新建建筑的比重需超过 50%。因此,研究和开发可降低建筑运行能耗、提高室内热舒适度、提升建筑能效水平的绿色、轻量化建筑材料是我国建筑行业向绿色化、低碳化转型升级的战略选择和重大需求。

当前,全球经济活动以消耗不可再生能源(化石能源)为主,面临能源枯竭、利用率低和环境恶化等一系列严峻挑战[6-7]。如何提高传统能源利用率以降低能源消耗,如何利用可再生清洁能源等已成为当前建筑节能亟待解决的问题。实际上,大部分建筑的外部围护结构密闭性能差、保温性能不好,使得由建筑围护结构造成的能耗浪费约占建筑总能耗的 3/4[8-9],因此研发优保温隔热建筑材料对实现建筑围护结构节能尤为重要。传统混凝土因存在单位质量大、导热系数高、抗拉强度低等缺陷,已无法满足超高层建筑、绿色节能等各种新型结构的需求,且与“近零能耗”建筑、“零碳建筑”理念相悖,因此发展轻质、高比强、保温隔热性能好的混凝土材料成为了当前建筑材料领域研究的热点。

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1.2  研究意义

聚苯乙烯泡沫(Expanded  polystyrene,EPS)混凝土[10-12]是根据复合材料原理发展而来的一种有机-无机复合保温材料,以毫米级 EPS 球体作为轻骨料、高性能水泥等作为胶凝材料混合而成(如图 1-1 所示),可实现混凝土的轻质高比强和低导热系数。将EPS 颗粒与水泥胶浆复合,可实现现代建筑围护体系的轻量化、保温隔热和抗震吸能等多重功效。同时,EPS 混凝土制品具有耐久性能好、造价低、易于切割、便于安装,在新型建筑体系围护结构应用中广受青睐。

图 1-1 EPS 混凝土结构

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第二章 试验材料与试验方法


2.1  试验材料

2.1.1  水泥

普通硅酸盐水泥(Portland cement,PC),42.5 级,河南天瑞水泥集团有份有限公司生产。42.5R 快硬硫铝酸盐水泥(Sulphoaluminate cement,SAC),郑州市建文特材科技有限公司生产。水泥的物理力学性能见表 2-1。

表 2-1 水泥的物理力学性能

2.1.2  硅灰

硅灰(Silica  fume,SF):武汉纽斯特有限公司生产,比表面积为 21m2/g,密度2.1g/cm3,原材料化学成分见表 2-2。

表 2-2 原材料化学组成

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2.2  主要仪器及设备

高比强 EPS 轻质混凝土的制备与性能研究

流动度、粘度与凝结时间测试分别参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GBT 8077-2012)和《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GBT 1346-2011)相关规定进行。EPS 混凝土坍落度参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2016)规定进行,其流动度试验参照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2016)进行测试。

EPS 混凝土的干表观密度、吸水率、软化系数测试参照《轻骨料混凝土应用技术标准》(JGJ/T  12-2019)规定进行。干表观密度测试采用整体试件烘干法,试件尺寸为100mm×100mm×100mm。考虑到 EPS 颗粒、PVA 纤维的掺入,将试件置于 70℃的烘箱中,烘干至恒重称取质量,量取尺寸,按式(2-1)计算试件干表观密度。

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第三章 高流态早强胶凝材料体系基础配比研究 ....................... 19

3.1  高流态早强胶凝材料体系性能要求 ............................. 19

3.2  高流态早强胶凝材料体系响应曲面法优化设计 ................. 20

第四章 高流态早强胶凝材料体系性能调控 ............................. 27

4.1  水胶比对高流态早强胶凝材料体系性能的影响 ....................... 27

4.1.1  水胶比对胶浆流动度、表观密度的影响 ............................ 27

4.1.2  水胶比对胶浆力学性能的影响 .......................... 28

第五章 高比强 EPS 轻质混凝土的制备与性能 .......................... 39

5.1  EPS 颗粒表面改性及其机理 .............................. 39

5.1.1  EPS 颗粒改性 ......................... 39

5.1.2  SEM 分析 ............................. 41


第五章 高比强 EPS 轻质混凝土的制备与性能


5.1 EPS 颗粒表面改性及其机理 

由于 EPS 颗粒为有机物颗粒,表面呈现憎水特性,而胶浆为无机胶凝材料,在制备EPS 混凝土制品时,两种不同性质的材料不易紧密结合,使新拌 EPS 混凝土的粘聚性变差;由于 EPS 颗粒轻度极低,可忽略不计,其在混凝土内部可视为孔洞,而且 EPS 与混凝土胶浆间密度相差大,混凝土拌制过程中 EPS 颗粒易上浮、分布不均匀,造成 EPS混凝土匀质性差,进而影响 EPS 混凝土的力学性能和保温隔热等性能。

在 EPS 混凝土内部,EPS-水泥石界面过渡区为薄弱区,为提高 EPS 颗粒与胶浆之间的界面粘结,消除 EPS 混凝土中 EPS 轻骨料相与水泥石相之间界面过渡区的“弱连接”问题,改善混凝土界面过渡区的粘结力,需对 EPS 颗粒表面进行改性。

5.1.1 EPS 颗粒改性

试验根据“裹浆造壳原理”,在 EPS 颗粒表面喷涂改性剂溶液对 EPS 颗粒进行预处理,从而实现无机胶凝材料与有机颗粒之间的相容,提高有机物颗粒与无机胶凝材料之间的界面粘结力。通过查阅文献资料以及结合实验室条件,采用自制 HPMC 溶液改性剂。由于 EPS 颗粒之间具有静电吸引作用,在水中容易产生“积聚”现象,可采用喷洒改性剂溶液的方式对 EPS 颗粒表面改性。具体过程如下:

(1)量筒量取试验所用的 EPS 颗粒,将制备的 HPMC 改性剂溶液均匀喷洒到不断翻动的 EPS 颗粒表面。

(2)当 EPS 颗粒表面被完全润湿后,以其为核,缓慢加入适量的高流态早强胶凝材料,使其包裹一定量的胶凝材料,形成“核壳结构”,即在 EPS 颗粒表面形成一层亲水性的硅酸盐“外壳”。

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第六章 结论与展望


6.1 结论

EPS 轻质混凝土是一种集节能环保、轻质及优保温隔热于一体的新型功能性混凝土,可解决传统混凝土自重大、保温隔热性能差等缺点,为建筑物高层化、轻质化及装配式围护结构提供了基础材料,有效提高建筑室内舒适度和降低建筑能耗。本文 EPS颗粒由废弃聚苯乙烯泡沫资源化回收再利用而得,再生 EPS 与混凝土耦合不仅能实现建筑围护结构轻量化、保温隔热和抗震吸能多重功效,还能解决废弃 EPS 泡沫的“白色污染”问题,实现节能利废与绿色环保要求。在此研究背景下,本文基于对 EPS 混凝土组成-结构-性能关系分析,对高比强 EPS 轻质混凝土的性能影响规律、制备方法、性能调控与优化等进行了系统研究,为工程应用提供参考。主要结论如下:

(1)高流态早强胶凝材料基体强度对混凝土力学性能有重要影响,并有助于增强EPS 颗粒间基体肋壁强度。基于 DE 响应曲面法设计了高流态早强胶凝材料基体,确定了基体材料优配比为 PC:SAC:SF:FA = 65.77%:12.84%:9.28%:12.11%,实测 1d、28d 抗压强度可达到 47.8MPa、101.3MPa,较改性前空白 PC 水泥早期和后期强度分别提高 47.08%和 29.71%,强度提升效果明显,对提高 EPS 轻质混凝土力学性能起到了增益作用。

(2)在高流态早强胶凝材料优配比基础上,以水胶比、减水剂种类及掺量、粉体研磨时间为变化量,对高流态早强胶凝材料进行性能调控。研究结果表明,当水胶比为0.23、聚羧酸减水剂掺量为 0.31%、粉体研磨时间为 10min 时,胶浆初始和 30min 流动度均大于 170mm,初凝时间大于 45min,塑性粘度仅为 0.43Pa·s,高流态早强胶凝材料浆体的粘聚性好,无分层离析现象发生,其&nb

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