高性能空心玻璃微珠水泥基复合材料抗压强度研究

(郑州工业应用技术学院建筑工程学院 河南 新郑 451100)

高性能空心玻璃微珠水泥基复合材料抗压强度研究

侯风党亚倩杨甜

(郑州工业应用技术学院建筑工程学院 河南 新郑 451100)

高性能中空玻璃微珠是一种从工业废渣粉煤灰中分选提取出的中空圆球粉末状超轻质无机非金属材料，是近年发展起来的一种用途广泛、性能优异、环保的新型功能性增强填料。项目将从计算和实验相结合的角度建立高性能中空微珠水泥基复合材料细观结构演化模型，研究微珠增强水泥基复合材料的宏观热力学性能对细观结构的依赖关系，运用复合材料细观力学方法定量描述微珠的材料性能、尺寸、内外径比、分布形式、体积含量、界面性能及粘结质量等这些细观结构参量对复合材料整体热力学性能的影响，分析微珠的导热、传载机理，从而设计出轻质、隔热、高耐久性和抗裂性的水泥基复合材料。本文研究的主要内容有：宏观力学实验。在不同的微珠材料性能、尺寸、分布和体积比(掺加量)等条件下，宏观实验主要研究微珠掺加量对水泥沙浆复合材料的需水量、砂浆流变性、强度性能(包括拉压、弯曲、粘接力)、安定性、凝结时间、耐火性、隔音性等性能的影响。

高性能玻璃微珠；水泥基材料；细观力学行为；数值模拟

一、试块材料选配

本实验所用微珠为中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司生产的高性能空心玻璃微珠H60，微珠形状为规则的球壳体，直径大小为40-80微米，体积密度为0.6g/cm3，抗压强度为9MPa；水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥；砂为中砂，细度模数为2.94，堆积密度1520kg/m3；水选用自来水；

二、试块制作、养护及试验机简介

本实验将用高性能空心玻璃微珠等体积替换砂来生产新型水泥基材料。初次试验直接用玻璃微珠取代砂。本次试验共做了四组试块，每组试件3个，共12个试块。分别为基本组为A组(基准砂浆试块是指将水泥、砂、水按一定比例(1:3:0.5)混合的拌合物)、空心玻璃微珠等体积替换20%的砂为A1组、空心玻璃微珠等体积替换30%的砂为A2组、空心玻璃微珠等体积替换50%的砂为A3组。配合比及材料用量如表1：

表1 玻璃微珠替换砂的配合比

试块制作按照规定的制作过程做好，并且在标准养护条件下，在温度为20±3℃及相对湿度90%以上的条件下养护好，将试块取出来之后，首先应检查试块的尺寸和形状，检查相对的两面是否平行，表面的倾斜偏差不能超过0.5mm。然后测出试块棱的长度，精确到1mm。需要注意以下两点：试块的受力截面积应按试块与压力机上下接触面面积的平均值进行计算；试块如果有蜂窝的缺陷，应该在做试验的前三天用浓水泥浆填补平整，这种情况应在报告中有详细的说明。在试块破型以前，应该保持试块原有的温度，另外，在进行试验之前，应该擦干试块，然后称出试块的质量。然后进行抗压强度测试。

电液伺服万能试验机的最大负荷值为600KN，试验力值分辨率为1/20000，与此试验机配套设计使用，通过计算夹具两端的受荷面钢板的刚度值和强度值。夹具为两块45号钢厚度为30mm的长方形(250mm×250mm)钢板、四角由直径18mm的粗螺纹钢组装而成。

电液伺服万能试验机的上、下承压板必须有足够的刚度，其中上承压板上应具有球形支座，这样是为了方便试块的对中。为了确保试验机的准确性，应对试验机进行定期的检查。在进行试验之前，应首先选择试验机的量程，这是根据预计的砂浆试块破坏荷载来确定的，试块破坏时试验机的读数是有要求的：读数不应小于全量程的20%，也不应大于全量程的80%。把试块成型时候的侧面作为上下受压面，试块放稳在球座上，几何对中之后，进行加载。

电液伺服万能试验机可实现多种控制方式，目前对于结构试验常用最多的就是“荷载控制”、“位移控制”、和“荷载-位移混合控制”三种加载制度。对此次的轴心抗压试件采用荷载控制，本次试验以0.2MPa/s 的速度连续而均匀地加荷。

三、试验结果及分析

本组试验试块的抗压强度代表值就是每组 3 个试件抗压强度的算术平均值。如果每组试件试验结果的三个值当中的最大值或者最小值有一个和中间值的差值超过了15%，那么就把最大值和最小值都舍去，留下中间值当做该组试块的抗压强度值。若 3 个试件中有两个值与中间值的差超过中间值的 15%，该组试验作废。通过抗压强度试验，观察其结果如表所示：

没有添加减水剂的抗压试验表明随着玻璃微珠掺加量的增加，砂浆试块的抗压强度如图1所示，确实呈下降趋势，变化趋势如图3所示。

图1 抗压强度与微珠掺加量的关系

四、结论

本文把高性能空心玻璃微珠作为轻质隔热水泥基复合材料的增强相，研究轻质隔热素混凝土的设计技术和生产技术，建立高性能空心玻璃微珠增强的水泥砂浆复合材料细观结构模型，利用细观有限元计算模拟和宏观、微观性能实验，定量计算和测量新型水泥基复合材料的整体热力学性能与高性能空心玻璃微珠材料性能、尺寸、分布和体积比(掺加量)之间的关系。得出如下结论：

(1)高性能空心玻璃微珠水泥基复合材料的设计和制作工艺。通过多次试验，找到了新型复合材料合适的配合比，并且对其制作流程有了一定把握。(2)随着水泥基中的空心玻璃微珠掺量的增加，抗压强度降低。当空心玻璃微珠掺量太大时，水泥基材料抗压强度太低，不能满足设计要求。(3)空心玻璃微珠有很好的隔热作用，作为增强相可以降低混凝土的导热系数，提高热防护能力。对掺加空心玻璃微珠的水泥基材料用ABAQUS进行有限元模拟分析，得出平均导热系数K=0.00262W·(m·C°)-1，比一般水泥基材料导热系数降低了很多。(4)对微珠和水泥基之间连接界面的扫描电镜观察，观察其断面，玻璃微珠与砂浆结合密实，不易剥落，并且玻璃微珠在水泥基内分布均匀。

[1]吴中伟. 论水泥混凝土耐久性研究的思路与方法. 混凝土世界, 2011, 2:26-27

[2]邓宗才, 张鹏飞, 薛会青, 李朋远, 佘向军. 纤维素纤维及混杂纤维混凝土的弯曲韧性. 北京工业大学学报, 2008, 8: 852-855

侯风郑州工业应用技术学院建筑工程学院教师，助教，从事水泥基复合材料研究;党亚倩,郑州工业应用技术学院建筑工程学院教师，助教，从事岩土工程及边坡支护相关的研究;杨甜;郑州工业应用技术学院建筑工程学院，助教，从事新型材料研究。