高性能空心玻璃微珠水泥基復合材料抗壓強度研究

(鄭州工業應用技術學院建筑工程學院 河南 新鄭 451100)

高性能空心玻璃微珠水泥基復合材料抗壓強度研究

侯風黨亞倩楊甜

(鄭州工業應用技術學院建筑工程學院 河南 新鄭 451100)

高性能中空玻璃微珠是一種從工業廢渣粉煤灰中分選提取出的中空圓球粉末狀超輕質無機非金屬材料，是近年發展起來的一種用途廣泛、性能優異、環保的新型功能性增強填料。項目將從計算和實驗相結合的角度建立高性能中空微珠水泥基復合材料細觀結構演化模型，研究微珠增強水泥基復合材料的宏觀熱力學性能對細觀結構的依賴關系，運用復合材料細觀力學方法定量描述微珠的材料性能、尺寸、內外徑比、分布形式、體積含量、界面性能及粘結質量等這些細觀結構參量對復合材料整體熱力學性能的影響，分析微珠的導熱、傳載機理，從而設計出輕質、隔熱、高耐久性和抗裂性的水泥基復合材料。本文研究的主要內容有：宏觀力學實驗。在不同的微珠材料性能、尺寸、分布和體積比(摻加量)等條件下，宏觀實驗主要研究微珠摻加量對水泥沙漿復合材料的需水量、砂漿流變性、強度性能(包括拉壓、彎曲、粘接力)、安定性、凝結時間、耐火性、隔音性等性能的影響。

高性能玻璃微珠；水泥基材料；細觀力學行為；數值模擬

一、試塊材料選配

本實驗所用微珠為中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司生產的高性能空心玻璃微珠H60，微珠形狀為規則的球殼體，直徑大小為40-80微米，體積密度為0.6g/cm3，抗壓強度為9MPa；水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥；砂為中砂，細度模數為2.94，堆積密度1520kg/m3；水選用自來水；

二、試塊制作、養護及試驗機簡介

本實驗將用高性能空心玻璃微珠等體積替換砂來生產新型水泥基材料。初次試驗直接用玻璃微珠取代砂。本次試驗共做了四組試塊，每組試件3個，共12個試塊。分別為基本組為A組(基準砂漿試塊是指將水泥、砂、水按一定比例(1:3:0.5)混合的拌合物)、空心玻璃微珠等體積替換20%的砂為A1組、空心玻璃微珠等體積替換30%的砂為A2組、空心玻璃微珠等體積替換50%的砂為A3組。配合比及材料用量如表1：

表1 玻璃微珠替換砂的配合比

試塊制作按照規定的制作過程做好，并且在標準養護條件下，在溫度為20±3℃及相對濕度90%以上的條件下養護好，將試塊取出來之后，首先應檢查試塊的尺寸和形狀，檢查相對的兩面是否平行，表面的傾斜偏差不能超過0.5mm。然后測出試塊棱的長度，精確到1mm。需要注意以下兩點：試塊的受力截面積應按試塊與壓力機上下接觸面面積的平均值進行計算；試塊如果有蜂窩的缺陷，應該在做試驗的前三天用濃水泥漿填補平整，這種情況應在報告中有詳細的說明。在試塊破型以前，應該保持試塊原有的溫度，另外，在進行試驗之前，應該擦干試塊，然后稱出試塊的質量。然后進行抗壓強度測試。

電液伺服萬能試驗機的最大負荷值為600KN，試驗力值分辨率為1/20000，與此試驗機配套設計使用，通過計算夾具兩端的受荷面鋼板的剛度值和強度值。夾具為兩塊45號鋼厚度為30mm的長方形(250mm×250mm)鋼板、四角由直徑18mm的粗螺紋鋼組裝而成。

電液伺服萬能試驗機的上、下承壓板必須有足夠的剛度，其中上承壓板上應具有球形支座，這樣是為了方便試塊的對中。為了確保試驗機的準確性，應對試驗機進行定期的檢查。在進行試驗之前，應首先選擇試驗機的量程，這是根據預計的砂漿試塊破壞荷載來確定的，試塊破壞時試驗機的讀數是有要求的：讀數不應小于全量程的20%，也不應大于全量程的80%。把試塊成型時候的側面作為上下受壓面，試塊放穩在球座上，幾何對中之后，進行加載。

電液伺服萬能試驗機可實現多種控制方式，目前對于結構試驗常用最多的就是“荷載控制”、“位移控制”、和“荷載-位移混合控制”三種加載制度。對此次的軸心抗壓試件采用荷載控制，本次試驗以0.2MPa/s 的速度連續而均勻地加荷。

三、試驗結果及分析

本組試驗試塊的抗壓強度代表值就是每組 3 個試件抗壓強度的算術平均值。如果每組試件試驗結果的三個值當中的最大值或者最小值有一個和中間值的差值超過了15%，那么就把最大值和最小值都舍去，留下中間值當做該組試塊的抗壓強度值。若 3 個試件中有兩個值與中間值的差超過中間值的 15%，該組試驗作廢。通過抗壓強度試驗，觀察其結果如表所示：

沒有添加減水劑的抗壓試驗表明隨著玻璃微珠摻加量的增加，砂漿試塊的抗壓強度如圖1所示，確實呈下降趨勢，變化趨勢如圖3所示。

圖1 抗壓強度與微珠摻加量的關系

四、結論

本文把高性能空心玻璃微珠作為輕質隔熱水泥基復合材料的增強相，研究輕質隔熱素混凝土的設計技術和生產技術，建立高性能空心玻璃微珠增強的水泥砂漿復合材料細觀結構模型，利用細觀有限元計算模擬和宏觀、微觀性能實驗，定量計算和測量新型水泥基復合材料的整體熱力學性能與高性能空心玻璃微珠材料性能、尺寸、分布和體積比(摻加量)之間的關系。得出如下結論：

(1)高性能空心玻璃微珠水泥基復合材料的設計和制作工藝。通過多次試驗，找到了新型復合材料合適的配合比，并且對其制作流程有了一定把握。(2)隨著水泥基中的空心玻璃微珠摻量的增加，抗壓強度降低。當空心玻璃微珠摻量太大時，水泥基材料抗壓強度太低，不能滿足設計要求。(3)空心玻璃微珠有很好的隔熱作用，作為增強相可以降低混凝土的導熱系數，提高熱防護能力。對摻加空心玻璃微珠的水泥基材料用ABAQUS進行有限元模擬分析，得出平均導熱系數K=0.00262W·(m·C°)-1，比一般水泥基材料導熱系數降低了很多。(4)對微珠和水泥基之間連接界面的掃描電鏡觀察，觀察其斷面，玻璃微珠與砂漿結合密實，不易剝落，并且玻璃微珠在水泥基內分布均勻。

[1]吳中偉. 論水泥混凝土耐久性研究的思路與方法. 混凝土世界, 2011, 2:26-27

[2]鄧宗才, 張鵬飛, 薛會青, 李朋遠, 佘向軍. 纖維素纖維及混雜纖維混凝土的彎曲韌性. 北京工業大學學報, 2008, 8: 852-855

侯風鄭州工業應用技術學院建筑工程學院教師，助教，從事水泥基復合材料研究;黨亞倩,鄭州工業應用技術學院建筑工程學院教師，助教，從事巖土工程及邊坡支護相關的研究;楊甜;鄭州工業應用技術學院建筑工程學院，助教，從事新型材料研究。