EPS颗粒填充水泥基复合材料保温性能的有限元分析及力学试验研究

侯 风

(郑州工业应用技术学院,河南 郑州 451100)

1 简介

水泥材料具有良好的可塑性能、使用方便、价格低廉、易就地取材等特点,是应用很广泛的一种材料。将发泡聚苯乙烯(EPS)加入到水泥材料中,可以提高水泥材料的保温隔热性能。EPS导热系数低,保温隔热效果好,密度低,是最近几年才发展起来的填充材料。此外,但EPS颗粒具有两大弱点:第一,由于EPS表观密度比较低,所以保温材料在搅拌过程中易产生离析；第二,EPS表面为憎水性,与无机胶凝材料不润湿,造成了其与水泥浆体界面黏结力比较差。 通过对废弃EPS的预处理,使其表面由憎水性改变为亲水性,成功地解决了无机胶凝材料对EPS不润湿、混合料和易性差、黏结强度低的技术难题。因此,可以制备出隔热性能好,质量轻的EPS水泥基复合材料。EPS的抗压强度并不像人们通常想象的那么低,其强度正适合外保温系统的要求。更为重要的是,适中的抗压强度使EPS能够吸收不平整的基层墙面、热胀冷缩及结构微小位移所产生的应力。因此,这是EPS系统能防止开裂的原因。

本文研究了EPS水泥基复合材料,其最高强度达到16MPa,在试验中采用微硅粉提高 EPS在水泥浆体中的分散效果和界面粘结强度。同时,也探讨了不同体积分数的EPS对混复合材料保温性能的影响。至于水泥砂浆基材料,可以选择最常用的工程水泥型号和水、ISO标准砂按照工程配比制备。在制备水泥砂浆复合材料过程中使用EPS等量取代ISO标准砂,取代比例为5%～30%,以研究其对水泥砂浆的保温性能的影响。

导热系数是衡量材料隔热性能的重要参数之一。本文从四方面来研究：(1)EPS含量及导热系数对水泥材料导热系数的影响；(2)EPS导热系数对水泥材料导热系数的影响；(3)水泥本身的导热系数的变化对玻璃微珠水泥基复合材料效导热系数的影响。

2 有限元分析模型

水泥是应用最广泛的建筑材料,EPS加入水泥中,形成了二元复合材料体系(水泥材料、EPS),二元复合材料的传热过程较为复杂。本文采用有限元分析软件ABAQUS对该二元复合材料的传热过程进行数值分析。假定条件为EPSK颗粒均匀的分布在水泥浆,通过简化抽象出一个单元传热的几何模型。二元复合材料体系为水泥基相、EPS相。热量自外传入水泥基,当遇到EPS颗粒的时候,由于其导热系数非常小,小部分热量通过EPS颗粒传导,而大部分热量则绕过EPS颗粒传递。由于EPS颗粒的导热系数非常小,热量在EPS水泥基复合材料中的传热路径变长并且复杂化,从而导致EPS水泥基复合材料的导热性能下降,增强了EPS水泥基复合材料的隔热性能。热量在EPS水泥基复合材料中的传热路径。因此,可以看出热量在EPS水泥基复合材料传递路径主要有三种：(1)水泥基材料与EPS颗粒壁的热传导;(2)EPS颗粒壁与惰性气体的热传导；(3)热量沿着微珠球壁表面的热传导。

使用ABAQUS软件进行导热系数的数值模拟。采用的球形EPS颗粒粒径为3.0 mm,表观密度为20.0kg/m3；假定EPS颗粒在水泥基材料中均匀分布,且处于一个传热单元的中心,则可建立复合材料中一个传热单元的几何模型。该几何模型是正方形。把正方形作为水泥基,以圆心位于正方形中心的圆作为EPS颗粒。对于稳态传热,一般只需要定义各材料的导热系数。输入相关的热学参数,材料一为水泥基体,导热系数为0.1465W.(M.℃)-1；材料二为EPS颗粒,导热系为0.033～0.044W/(m·℃)。我们采用该式计算：πR2/b2=Ψ,其中R为EPS颗粒的直径,b为正方形的边长,Ψ为EPS颗粒填充水泥基的体积分数。

根据玻璃微珠填充水泥基的体积分数,πR2/b2=Ψ推算出单元的边长,由几何模型的尺寸数据,输入到ABAQUS创建几何模型。热量自左而右的传递。左面施加边界条件,施加温度荷载40℃,右面施加边界条件,施加温度荷载30℃,上下两边界设为绝热边界条件。采用自由划分网格技术,网格的单元形状为三角形。

3 数值分析

3.1 温度场

使用abaqus进行求解,然后进入后处理器,绘制几何模型传热单元的温度云图。温度云图更加形象、客观的说明了几何模型单元的温度场的分布。可以看出来EPS颗粒内的温度变化比微珠外快。为了真实的反映模型单元中热量流动的方向和大小,用有限元软件绘制出研究单元的热流矢量图。黄色箭头的指示的方向表示热量传导的方向,箭头的长短表示热流量的强弱。通过分析可知,在单元体中传导的热量遇到了EPS颗粒后被分散了,很大一部分热量沿着EPS颗粒球壁表面传导,小部分进入了EPS颗粒内部进行传导。

3.2 填充体积分数

EPS颗粒的体积分数分别为5%,10%,15%,20%,25%,30%时,采用有限元软件ABAQUS建出几何模型,设定相关参数和相关的边界条件,划分三角形网格并采用求解器求解,通过有限元分析出不同的EPS颗粒体积分数下的导热系数。通过ABAQUS求解分析可以得出：导热系数随着EPS颗粒的体积分数的增大而减小。这说明EPS颗粒较小的导热系数,用于填充水泥基材料能够有效增强EPS颗粒水泥基复合材料的隔热性能。

3.3 水泥基导热系数的变化对复合材料等效导热系数的影响

在填充体积分数为30%不变的情况下,EPS颗粒的导热系数和边界条件同上述的一致的条件下,水泥基体的导热系数分别设为0.1165,0.1265,0.1365,0.1465,0.1565,0.1665,运用同样的方法创建出几何模型并求解,计算出相应的等效导热系数。我们可以看出：EPS颗粒填充水泥基复合材料的等效导热系数随着水泥基导热系数的增大0.033～0.044而增大。为了达到增强EPS颗粒水泥基复合材料的隔热性能,提高水泥的导热系数也是一个有效的途径。

3.4 EPS颗粒导热系数对复合材料等效导热系数的影响

在填充体积分数为30%不变的情况下,EPS颗粒的导热系数和边界条件同上述的一致的条件下,EPS颗粒的导热系数分别设为0.033,0.035,0.037,0.039,0.041,0.043,运用同样的方法创建出几何模型并求解,计算出相应的等效导热系数。我们可以得出的结论：复合材料的等效导热系数随着EPS颗粒的导热系数的增大而增大。开发出导热系数比较小的EPS颗粒,也是提高复合材料等效导热系数的一种方法。

4 强度试验

4.1 EPS颗粒体积分数对EPS水泥基复合材料抗压强度的影响

通过试验可知：EPS水泥基复合材料的抗压强度随其表观密度近似线性增大,随EPS颗粒掺量线性减小,EPS水泥基复合材料在受压下的破坏模式与普通混凝土的脆性破坏不一样,在加压过程中,EPS水泥基复合材料试件变形较大,即使在试件发生破坏时,其破坏过程也是逐渐变化的,显示出良好的韧性,这表明EPS水泥基复合材料具有优异的吸能功能,因此,可以将EPS水泥基复合材料用于减振结构。

4.2 微硅粉、对EPS水泥基复合材料抗压强度影响

在相同EPS体积掺量下,微硅粉能显著提高EPS水泥基复合材料抗压强度,最大可提高约16.5%但随着EPS掺量的增大,其抗压强度提高的幅度降低,当EPS掺量为58%时,其抗压强度仅提高了约9%可见,微硅粉的掺入能改善EPS与水泥浆体的界面性能,可以用合适的掺量取代某些特殊界面粘结剂来改善 EPS水泥基复合材料的抗压强度,同时微硅粉还能起到很好的分散作用.在未掺微硅粉的EPS水泥基复合材料中,钢纤维使其抗压强度略有降低,而掺有微硅粉的EPS水泥基复合材料,钢纤维使其抗压强度略有提高.可见,微硅粉具有较强的增强作用,可用于EPS水泥基复合材料增强．

5 结论

(1)当水泥基体导热系数、EPS导热系数一定时。EPS填充水泥基复合材料的等效导热系数Keff随着EPS的体积分数的增大而减小。

(2)当EPS的体积分数、EPS导热系数一定时。EPS水泥基复合材料的等效导热系数Keff随着水泥基导热系数的增大而呈线性的增大。

(3)当水泥基体导热系数、EPS的体积分数一定时,EPS水泥基复合材料的等效导热系数Keff随着EPS导热系数的增大而呈线性的增大。

(4)EPS水泥基复合材料的抗压强度随EPS颗粒掺量线性减小。

(5)微硅粉能显著提高EPS水泥基复合材料抗压强度。