EPS顆粒填充水泥基復合材料保溫性能的有限元分析及力學試驗研究

侯 風

(鄭州工業應用技術學院,河南 鄭州 451100)

1 簡介

水泥材料具有良好的可塑性能、使用方便、價格低廉、易就地取材等特點,是應用很廣泛的一種材料。將發泡聚苯乙烯(EPS)加入到水泥材料中,可以提高水泥材料的保溫隔熱性能。EPS導熱系數低,保溫隔熱效果好,密度低,是最近幾年才發展起來的填充材料。此外,但EPS顆粒具有兩大弱點:第一,由于EPS表觀密度比較低,所以保溫材料在攪拌過程中易產生離析；第二,EPS表面為憎水性,與無機膠凝材料不潤濕,造成了其與水泥漿體界面黏結力比較差。 通過對廢棄EPS的預處理,使其表面由憎水性改變為親水性,成功地解決了無機膠凝材料對EPS不潤濕、混合料和易性差、黏結強度低的技術難題。因此,可以制備出隔熱性能好,質量輕的EPS水泥基復合材料。EPS的抗壓強度并不像人們通常想象的那么低,其強度正適合外保溫系統的要求。更為重要的是,適中的抗壓強度使EPS能夠吸收不平整的基層墻面、熱脹冷縮及結構微小位移所產生的應力。因此,這是EPS系統能防止開裂的原因。

本文研究了EPS水泥基復合材料,其最高強度達到16MPa,在試驗中采用微硅粉提高 EPS在水泥漿體中的分散效果和界面粘結強度。同時,也探討了不同體積分數的EPS對混復合材料保溫性能的影響。至于水泥砂漿基材料,可以選擇最常用的工程水泥型號和水、ISO標準砂按照工程配比制備。在制備水泥砂漿復合材料過程中使用EPS等量取代ISO標準砂,取代比例為5%～30%,以研究其對水泥砂漿的保溫性能的影響。

導熱系數是衡量材料隔熱性能的重要參數之一。本文從四方面來研究：(1)EPS含量及導熱系數對水泥材料導熱系數的影響；(2)EPS導熱系數對水泥材料導熱系數的影響；(3)水泥本身的導熱系數的變化對玻璃微珠水泥基復合材料效導熱系數的影響。

2 有限元分析模型

水泥是應用最廣泛的建筑材料,EPS加入水泥中,形成了二元復合材料體系(水泥材料、EPS),二元復合材料的傳熱過程較為復雜。本文采用有限元分析軟件ABAQUS對該二元復合材料的傳熱過程進行數值分析。假定條件為EPSK顆粒均勻的分布在水泥漿,通過簡化抽象出一個單元傳熱的幾何模型。二元復合材料體系為水泥基相、EPS相。熱量自外傳入水泥基,當遇到EPS顆粒的時候,由于其導熱系數非常小,小部分熱量通過EPS顆粒傳導,而大部分熱量則繞過EPS顆粒傳遞。由于EPS顆粒的導熱系數非常小,熱量在EPS水泥基復合材料中的傳熱路徑變長并且復雜化,從而導致EPS水泥基復合材料的導熱性能下降,增強了EPS水泥基復合材料的隔熱性能。熱量在EPS水泥基復合材料中的傳熱路徑。因此,可以看出熱量在EPS水泥基復合材料傳遞路徑主要有三種：(1)水泥基材料與EPS顆粒壁的熱傳導;(2)EPS顆粒壁與惰性氣體的熱傳導；(3)熱量沿著微珠球壁表面的熱傳導。

使用ABAQUS軟件進行導熱系數的數值模擬。采用的球形EPS顆粒粒徑為3.0 mm,表觀密度為20.0kg/m3；假定EPS顆粒在水泥基材料中均勻分布,且處于一個傳熱單元的中心,則可建立復合材料中一個傳熱單元的幾何模型。該幾何模型是正方形。把正方形作為水泥基,以圓心位于正方形中心的圓作為EPS顆粒。對于穩態傳熱,一般只需要定義各材料的導熱系數。輸入相關的熱學參數,材料一為水泥基體,導熱系數為0.1465W.(M.℃)-1；材料二為EPS顆粒,導熱系為0.033～0.044W/(m·℃)。我們采用該式計算：πR2/b2=Ψ,其中R為EPS顆粒的直徑,b為正方形的邊長,Ψ為EPS顆粒填充水泥基的體積分數。

根據玻璃微珠填充水泥基的體積分數,πR2/b2=Ψ推算出單元的邊長,由幾何模型的尺寸數據,輸入到ABAQUS創建幾何模型。熱量自左而右的傳遞。左面施加邊界條件,施加溫度荷載40℃,右面施加邊界條件,施加溫度荷載30℃,上下兩邊界設為絕熱邊界條件。采用自由劃分網格技術,網格的單元形狀為三角形。

3 數值分析

3.1 溫度場

使用abaqus進行求解,然后進入后處理器,繪制幾何模型傳熱單元的溫度云圖。溫度云圖更加形象、客觀的說明了幾何模型單元的溫度場的分布。可以看出來EPS顆粒內的溫度變化比微珠外快。為了真實的反映模型單元中熱量流動的方向和大小,用有限元軟件繪制出研究單元的熱流矢量圖。黃色箭頭的指示的方向表示熱量傳導的方向,箭頭的長短表示熱流量的強弱。通過分析可知,在單元體中傳導的熱量遇到了EPS顆粒后被分散了,很大一部分熱量沿著EPS顆粒球壁表面傳導,小部分進入了EPS顆粒內部進行傳導。

3.2 填充體積分數

EPS顆粒的體積分數分別為5%,10%,15%,20%,25%,30%時,采用有限元軟件ABAQUS建出幾何模型,設定相關參數和相關的邊界條件,劃分三角形網格并采用求解器求解,通過有限元分析出不同的EPS顆粒體積分數下的導熱系數。通過ABAQUS求解分析可以得出：導熱系數隨著EPS顆粒的體積分數的增大而減小。這說明EPS顆粒較小的導熱系數,用于填充水泥基材料能夠有效增強EPS顆粒水泥基復合材料的隔熱性能。

3.3 水泥基導熱系數的變化對復合材料等效導熱系數的影響

在填充體積分數為30%不變的情況下,EPS顆粒的導熱系數和邊界條件同上述的一致的條件下,水泥基體的導熱系數分別設為0.1165,0.1265,0.1365,0.1465,0.1565,0.1665,運用同樣的方法創建出幾何模型并求解,計算出相應的等效導熱系數。我們可以看出：EPS顆粒填充水泥基復合材料的等效導熱系數隨著水泥基導熱系數的增大0.033～0.044而增大。為了達到增強EPS顆粒水泥基復合材料的隔熱性能,提高水泥的導熱系數也是一個有效的途徑。

3.4 EPS顆粒導熱系數對復合材料等效導熱系數的影響

在填充體積分數為30%不變的情況下,EPS顆粒的導熱系數和邊界條件同上述的一致的條件下,EPS顆粒的導熱系數分別設為0.033,0.035,0.037,0.039,0.041,0.043,運用同樣的方法創建出幾何模型并求解,計算出相應的等效導熱系數。我們可以得出的結論：復合材料的等效導熱系數隨著EPS顆粒的導熱系數的增大而增大。開發出導熱系數比較小的EPS顆粒,也是提高復合材料等效導熱系數的一種方法。

4 強度試驗

4.1 EPS顆粒體積分數對EPS水泥基復合材料抗壓強度的影響

通過試驗可知：EPS水泥基復合材料的抗壓強度隨其表觀密度近似線性增大,隨EPS顆粒摻量線性減小,EPS水泥基復合材料在受壓下的破壞模式與普通混凝土的脆性破壞不一樣,在加壓過程中,EPS水泥基復合材料試件變形較大,即使在試件發生破壞時,其破壞過程也是逐漸變化的,顯示出良好的韌性,這表明EPS水泥基復合材料具有優異的吸能功能,因此,可以將EPS水泥基復合材料用于減振結構。

4.2 微硅粉、對EPS水泥基復合材料抗壓強度影響

在相同EPS體積摻量下,微硅粉能顯著提高EPS水泥基復合材料抗壓強度,最大可提高約16.5%但隨著EPS摻量的增大,其抗壓強度提高的幅度降低,當EPS摻量為58%時,其抗壓強度僅提高了約9%可見,微硅粉的摻入能改善EPS與水泥漿體的界面性能,可以用合適的摻量取代某些特殊界面粘結劑來改善 EPS水泥基復合材料的抗壓強度,同時微硅粉還能起到很好的分散作用.在未摻微硅粉的EPS水泥基復合材料中,鋼纖維使其抗壓強度略有降低,而摻有微硅粉的EPS水泥基復合材料,鋼纖維使其抗壓強度略有提高.可見,微硅粉具有較強的增強作用,可用于EPS水泥基復合材料增強．

5 結論

(1)當水泥基體導熱系數、EPS導熱系數一定時。EPS填充水泥基復合材料的等效導熱系數Keff隨著EPS的體積分數的增大而減小。

(2)當EPS的體積分數、EPS導熱系數一定時。EPS水泥基復合材料的等效導熱系數Keff隨著水泥基導熱系數的增大而呈線性的增大。

(3)當水泥基體導熱系數、EPS的體積分數一定時,EPS水泥基復合材料的等效導熱系數Keff隨著EPS導熱系數的增大而呈線性的增大。

(4)EPS水泥基復合材料的抗壓強度隨EPS顆粒摻量線性減小。

(5)微硅粉能顯著提高EPS水泥基復合材料抗壓強度。