生土基梯度復(fù)合墻體材料熱濕綜合性能影響因素研究

蘆白茹,張 坤,蘭官奇,荊 天,張玉婷

(1.西安歐亞學(xué)院,陜西 西安 710065;2.西安石油大學(xué),陜西 西安 710065)

生土基材料是一種沒有烘烤,只經(jīng)初步加工而成的原始土壤物質(zhì)。生土基材料不但具有保溫、通風(fēng)、防火等優(yōu)點(diǎn),而且造價低、能耗低,對生態(tài)環(huán)境也十分有利,因此受到廣泛的應(yīng)用。但由于其強(qiáng)度低、變形、耐水性能較低等固有缺陷,使得其在穩(wěn)定性、抗震性、耐用性等性能均有所欠缺。研究生土基材料的熱濕性能,可以有效降低建筑的能耗,減輕環(huán)境壓力。因此,對生土基進(jìn)行熱濕性能研究具有重要的現(xiàn)實意義。

有研究,將聚羧酸減水劑摻入生土材料中,研究改性后生土材料的性能[1]。采用動態(tài)試驗法研究改性材料對于生土的熱濕綜合性能的影響[2]。上述研究取得一定進(jìn)展,但并未得出改性生土材料時各成分的具體摻量比例。為此對生土基梯度復(fù)合墻體材料熱濕綜合性能影響因素分析,為進(jìn)一步實現(xiàn)生土基梯度復(fù)合墻體材料的多功能化提供基礎(chǔ),獲取生土基梯度復(fù)合墻體材料的最優(yōu)配比,使其熱濕綜合性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

1 試驗材料與方法

1.1 生土基梯度復(fù)合墻體原材料

實驗應(yīng)用黃土作為生土,從黃土高原獲得該生土,向下挖4 m獲取生土[3]。實驗土的類別屬于低液限粉土,該土樣的含水率是7.61%,液限是28.1%,塑限是20.2%,塑性指數(shù)是7.8%[4]。

實驗室自制生土基梯度復(fù)合墻體主要成分為水泥、堿激發(fā)劑與堿助劑的高效粘土無機(jī)固化劑。水泥廠生產(chǎn)的P·C42.5級普通硅酸鹽水泥。采用硅酸鈉溶液作為堿助劑,其模數(shù)是2.5;堿助發(fā)劑使用氫氧化鈉[5]。

1.2 生土基梯度復(fù)合墻體材料試樣制作

1.2.1試樣制作

生土基梯度復(fù)合墻體材料的試樣制作過程為:

步驟1:在目標(biāo)水量中摻入黃土,混合攪拌1～3 min,獲得攪拌均勻的水土混合物;

步驟2:在水土混合物中摻入不同比例的水泥與粉煤灰,再攪拌1～3 min;

步驟3:將堿助劑、減水劑、堿活化劑按順序加入,并在2～3 min內(nèi)進(jìn)行混合,以此獲得具有良好均勻性的生土基梯度復(fù)合物[6-7],摻入高效固化劑,其在生土基梯度復(fù)合墻體材料中占比為16%(以干黃土的質(zhì)量計算);

步驟4:將生土基梯度復(fù)合物倒入模具(模具尺寸為70 mm×70 mm×70mm的立方體)中,為使其均勻分布,將模具放入振動臺振動1 min,然后將模具放進(jìn)恒溫恒濕的保溫箱,該箱內(nèi)溫度為(20±2)℃,相對濕度為(97±2)%。在保溫箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)3 d后脫模,將脫模后的生土基梯度復(fù)合墻體材料放進(jìn)養(yǎng)護(hù)箱,繼續(xù)養(yǎng)護(hù)到28 d,取出將其分成9塊并進(jìn)行分析。

1.2.2試樣制備方案

采用4因素3水平的正交設(shè)計方案實現(xiàn)生土基梯度復(fù)合墻體材料的制備,4因素3水平分別是水泥摻量(K):K1=4%,K2=6%,K3=8%;粉煤灰摻量(F):F1=5%,F2=10%,F3=15%;含水量(E):E1=10%,E2=13%,E3=16%;空白因素(B):B1、B2、B3,B可判斷各種因素之間是否存在的交互作用。制備方案具體內(nèi)容如表1所示。

表1 試樣的制備方案

1.3 生土基梯度復(fù)合墻體材料性能測試

(1)熱性能性能測試使用JTRG-Ⅲ型建筑材料熱流式導(dǎo)熱儀實現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)測試[8-9],具體過程為:

步驟1:將試樣放入105 ℃的鼓風(fēng)干燥箱,使其完全干燥,最終達(dá)到一天內(nèi)不間斷稱重3次的質(zhì)量起伏低于總質(zhì)量的0.1%;

步驟2:將干燥后的試樣放在導(dǎo)熱儀的檢測臺上,熱冷板間夾力為45 N,冷板溫度[10]與熱板溫度[11]分別設(shè)置為10 ℃與30 ℃,測試周期設(shè)定為2 h;

步驟3:假設(shè)A表示試樣的橫截面積,Q表示熱流量,試樣的導(dǎo)熱系數(shù)λ的計算公式為:

λ=(p×Q)/(A×ΔT)

(1)

式中:p為試樣厚度;ΔT為冷熱板之間的溫差。

(2)采用等溫吸附和放濕法進(jìn)行試驗,其方法具體流程:

步驟1:將試樣使用切割機(jī)分為均勻的9塊,分別采用上述干燥方法實現(xiàn)完全干燥;

步驟2:將干燥后的試樣分別放入9個干燥皿中,每個干燥皿中飽和溶液的相對濕度均不同[12-13]。在一天時間內(nèi),不間斷地稱重試樣3次,稱重結(jié)果的差值低于0.1%時,代表試樣達(dá)到了濕平衡;

步驟3:試樣的含濕量μ的計算公式為:

μ=100%×[(ω-ω0)/ω0]

(2)

式中:ω、ω0分別為試樣干燥與吸濕狀態(tài)下的質(zhì)量。

(3)耐水性測試運(yùn)用浸水測試方法,具體過程:

步驟1:采用2.1方法對試樣進(jìn)行制備與養(yǎng)護(hù);

步驟2:將試樣的5個面均勻涂滿防水材料;

步驟3:將試樣采用上述干燥方法實現(xiàn)完全干燥;

步驟4:將已烘干的樣品置于水里,且將表面應(yīng)向上;

步驟5:每10 min取出試樣1次,擦拭掉試樣表面的水,放置于天平中測試其質(zhì)量;

步驟6:假設(shè)t代表浸水時間,測試周期一般設(shè)置為60 min,試樣的吸水速率[14-15]ξ的計算公式為:

ξ=[(m60-m0)/(t×m0)]×100%

(3)

式中:m0為干燥狀態(tài)的試樣質(zhì)量;m60為浸水后的試樣質(zhì)量。

1.4 熱濕綜合性能評價

因為μ的單位為“%”,λ的單位為“W/(m·K)”,因此λ與μ的測試結(jié)果不能直接計算,所以需要先歸一化處理λ與μ,再通過代數(shù)計算。熱濕綜合性能的計算公式為[16]:

J=J1λ+J2μ

(4)

式中:J為試樣的熱濕綜合性能;J1為試樣的熱性能,即因?qū)嵯禂?shù)與熱性能互為相反數(shù),所以選擇試樣導(dǎo)熱系數(shù)的相反數(shù),經(jīng)歸一化處理;J2為試樣的濕性能。

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證所提出生土基梯度復(fù)合墻體材料熱濕綜合性能影響因素研究方法的效果,設(shè)計實驗。采用導(dǎo)熱系數(shù)測試系統(tǒng)獲得試樣1～試樣9的導(dǎo)熱系數(shù),結(jié)果如表2所示。

表2 導(dǎo)熱系數(shù)

由表2可知,試樣的導(dǎo)熱性測試結(jié)果分布于0.754～0.938 W/(m·K),低于一般的建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)1.28～01.74 W/(m·K),說明生土基梯度復(fù)合墻體材料具有保溫隔熱的優(yōu)勢。其中試樣3的導(dǎo)熱系數(shù)最低,所以依據(jù)試樣3配制的生土基梯度復(fù)合墻體材料的導(dǎo)熱性能最好。

實驗測試試樣1～試樣9的等溫平衡含濕量,結(jié)果如表3所示。

表3 不同試樣的等溫平衡含濕量測試結(jié)果

由表3可知,隨著試樣周圍的相對濕度不斷提高,試樣不斷從周圍吸濕,使其含濕量逐漸增多,此過程為試樣的等溫吸濕;當(dāng)試樣周圍的相對濕度為96.3%時,試樣實現(xiàn)吸濕平衡,接著試樣周圍的相對濕度逐漸減小,試樣持續(xù)釋放水分,同時試樣的均衡含水率也在持續(xù)下降,此時試樣進(jìn)行等溫放濕;因為使人體舒適的室內(nèi)相對濕度范圍為40%～60%,所以選擇試樣周圍的相對濕度為52.9%的平衡含濕量進(jìn)行對比,得到不同配比試樣的熱濕性能優(yōu)劣大小順序依次為:試樣3、試樣5、試樣8、試樣2、試樣6、試樣9、試樣1、試樣7、試樣4。因此,配比K1為4%,F3為15%,E3為16%時,生土基梯度復(fù)合墻體材料的吸濕性能最好。

因為試樣的熱濕性能受水泥摻量、粉煤灰摻量以及含水率的共同影響,因此,對影響試樣熱濕性的各個因素進(jìn)行線性分析,并對其變化的趨勢和作用的顯著程度進(jìn)行了研究。基于1.4中對熱性能與濕性能歸一化處理后的熱濕綜合性能計算公式,試樣1～試樣9的熱濕性能測試值與處理結(jié)果如表4所示。

表4 熱濕性能測試與處理結(jié)果

由表5可知,試樣3的熱濕綜合性能最好,試樣的熱濕綜合性能優(yōu)劣大小順序依次為:試樣3、試樣5、試樣8、試樣6、試樣2、試樣7、試樣9、試樣1、試樣4。因此,配比水泥摻量為4%、粉煤灰摻量為15%、含水量為16%時,生土基梯度復(fù)合墻體材料的熱濕綜合性能最好。

3 結(jié)語

(1)試樣的導(dǎo)熱性測試結(jié)果分布于0.754～0.938 W/(m·K),低于一般的建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù),生土基梯度復(fù)合墻體材料具有保溫隔熱的優(yōu)勢;

(2)試樣周圍的相對濕度逐漸減小,試樣持續(xù)釋放水分,同時試樣的均衡含水率也在持續(xù)下降;

(3)生土基梯度復(fù)合墻體材料的熱濕綜合性能較好,含水率對于試樣熱濕綜合性的影響最大,水泥摻量對于響應(yīng)值的影響為2.468。依靠凝膠產(chǎn)物可以提升生土基梯度復(fù)合墻體材料的熱濕性能。