村镇绿色民居用地面面层材料配合比及性能研究进展

冯 涛,徐玲玲,石 鑫,韩 健

(南京工业大学 材料科学与工程学院,江苏 南京 211800)

村镇绿色民居是基于节约资源、保护环境、减少污染的目标,结合当地建设实际情况,为村镇居民提供健康、适用、高效的使用空间,具有显著的生态和经济效益的高质量建筑。村镇绿色民居的主要建造方式由传统的村镇建筑工人现场浇筑向装配式结构发展,装配式结构是指在工厂预制建筑部品及部件,在工地装配而成的建筑结构,具有劳动生产效率高、产品质量稳定、建造周期短、节约能源与资源等优点,能够有效解决因村镇建筑工人缺乏对建筑材料配比的科学认知而产生的部分问题农房的现状。我国装配式建筑始于20世纪50年代,相比于西方国家,建筑工业化程度不高,市场所占份额较低,虽然相关政策类研究较多,但仍缺少相关技术类研究[1]。近年来,装配式建筑在国家的大力推广下,发展迅速,相关体系与标准已陆续建立。

在一些经济发达地区,村镇住宅主要形式为独栋低层、联排低层、多层,其中低层在以农业为主要产业的地区是最主要的住宅形式[2]。相比于城市住宅建筑,村镇住宅的宅基地面积大,低层大面积建筑的地面在围护结构中面积占比相对较大,为了满足低能耗建筑设计的要求,需要考虑地面传热的设计。传统村镇民居地面材料从直接夯土压实或铺设黏土砖发展至浇筑混凝土,近几年随着经济水平的提高,在混凝土基础上铺装木地板和瓷砖也相对普遍,但这些材料都不符合绿色建材、较低建筑能耗的要求。对于村镇民居地面系统,有待科研人员研发一种可进行装配式施工的水泥基地面材料,并具有保温、装饰等功能,形成一体化的绿色复合板材。这种系统构造包括基层、保温层、黏结层、面层,如图1所示。本文主要介绍基于特色地面系统的水泥基面层材料的制备方法。面层材料作为直接承受民居环境中物理与化学作用的表面层,易产生开裂、磨损等问题,地面系统的应用对水泥基材料硬化后的力学性能、耐磨性、耐久性提出了更高的要求,需要通过合理的配合比设计以达到应用要求,并能与其他层之间相互匹配,达到良好的相容性。

图1 多层地面系统构造示意Fig.1 Schematic diagram of multi-layer floor system

1 水泥基面层材料配合比设计要求

水泥基面层材料的配合比设计就是基于性能指标,将用于改善性能或达到规范参数的各组分原料进行定量研究和相互匹配的过程,经过计算得出的理论配合比,通过实验转化为满足施工要求的基准配合比,再因现场施工要求不同及原料的差别,转化为最终的生产配合比。

1.1 设计原则及方法

为了保证绿色复合板材地面系统在使用期限内无空鼓、裂缝的产生,目前主流的方法是采用“硬底软面”的设计:即保证基层的刚度、强度和稳定性,工程中一般采用干硬性水泥砂浆铺筑作为基层;保温层采用石膏基材料,兼顾强度和保温性能;通过对高强度的水泥基材料增韧以达到分散面层应力的作用。对于各层之间的相容性,可以通过有限元方法和弹性层状体系理论来阐述,即假设各层都是连续的、均匀的、完全弹性的、各向同性的、小变形的材料,基于该理论代入各层的弹性模量(E)、泊松比(μ)、厚度(h)以及传荷系数,可导出满足应力轴对称分布基本微分方程式的应力函数,再通过5大基本假设设定相应的边界条件,即可计算内部应力和位移的表达式。

根据理论模型计算出来的参数作为材料配合比设计的指标,基于性能指标选取原料并将各原料相互匹配以达到设计性能。目前关于配合比设计的方法包括基于紧密堆积理论的设计方法,这种方法由吴中伟院士在1955年进行混凝土配合比设计时提出的:先确定水胶比、掺合料用量和减水剂用量,混合后测得孔隙率,由孔隙率再确定配合比[3]。王霞等[4]将这种紧密堆积理论应用在砂浆性能的研究上,采用Andrease方程计算颗粒级配作用,实现胶凝材料体系的最紧密堆积,提高基体密实度,从而增强力学性能。该方法的计算式见式(1)。

U(D)=100(D/DL)n

(1)

式中:D为颗粒粒径,μm;U(D)为颗粒粒径为D的筛下量(质量分数),%;DL为体系中最大颗粒粒径,μm;n为分布模数。

这种方法工程适用性不高,往往实验结果与理论计算相差较大,所以目前一般以文献经验为指导,通过系列实验来确定最佳配合比。Xu等[5]采用正交试验的方法研究了配合比设计参数对复合材料力学性能的影响,通过正交试验的方法确定了最佳配合比,这具有很好的工程适用性。基于水灰比定则的配合比设计方法,能够通过强度预测得出配合比设计方案。

1.2 配合比计算模型

为了实现匀质高强,面层水泥材料中不加入粗骨料,而含有纤维、聚合物和掺合料(如粉煤灰等),因此基于应用广泛的鲍罗米公式,引入纤维、聚合物和掺合料对强度影响的系数,相比于Andrease方程,实验结果和理论计算较为接近,其计算式见式(2)。

(2)

式中:Fcu为砂浆配制强度,MPa;fce为胶凝材料强度的等级值,MPa;B/W为胶凝材料与水的质量比;p和q为水胶比和强度的拟合回归系数;α为聚丙烯纤维对强度影响的系数;β为树脂聚合物对强度影响的系数;γ为掺合料对强度影响的系数。

在式(2)的基础上,以拌合物的流动性及稠度作为用水量的标准,当有减水型外加剂时,通过试验得出外加剂的减水率,最后求出每立方米砂浆各种原料的用量,按式(3)计算每立方米砂浆的砂用量。

(3)

式中:ms为砂的质量,kg;ρs为砂的表观密度;Vc为水泥的实体积;Vb为掺合料的实体积;Vw为水的体积;Va为外加剂的实体积;Vp为树脂聚合物的体积;Vf为纤维的体积;ζ为砂浆的含气量(质量分数)。

2 配合比设计影响参数

配合比设计影响参数包括水胶比、掺合料掺量、纤维掺量、聚合物掺量,其中水胶比的影响最大。

2.1 水胶比

水胶比指总用水量和胶凝材料的质量比,是配合比设计最重要的影响因素。既要满足水泥水化反应的需要,达到相应的强度,又要使浆体具有一定的流动度,便于成型。李传习等[6]研究了水胶比对掺有粉煤灰的高性能混凝土力学性能的影响,结果如图2所示,随着水胶比的增大,强度均出现大幅度的降低,可以看出水胶比是配合比设计中较为重要的参数。史才军等[7]的研究表明水胶比在不同龄期影响规律不同,还可能随着水胶比的降低,强度出现下降的情况。Wille等[8]指出,只有在流动性得到改善时,降低水胶比才能提高强度。

图2 水胶比对高性能混凝土力学性能的影响[6]Fig.2 Effects of water-binder ratio on mechanical properties of high-performance concrete[6]

2.2 掺合料掺量

使用掺合料部分代替水泥有利于减少资源消耗,目前来源最广、使用最多的掺合料是粉煤灰,所以本文主要介绍采用粉煤灰来达到固废利用的目标。掺入粉煤灰能够降低整体水化产生的热量,增强水泥基材料的抗裂性,在基本用水量不变的情况下,粉煤灰中的球状颗粒能够显著改善浆体的流动性和黏聚性,进而提高水泥基材料的后期强度,增强基体密实度。掺入过多的粉煤灰对水泥基材料的早期强度不利,但随着水泥外加剂尤其是高效减水剂应用以及碱活化技术的发展,粉煤灰的掺量(质量分数)能够提高到50%以上[9]。也有研究表明15%掺量的粉煤灰能够对基体泛碱程度有较大的改善作用[10]。因此,合适的粉煤灰掺量能够对水泥基材料性能有较大的改善。

2.3 纤维掺量

纤维作为增强材料加到水泥基材料中,能够解决水泥基材料在实际应用中的很多问题,如水泥在凝结硬化过程中的收缩开裂,从而影响材料的耐久性,还有部分工程应用中对抗拉强度、韧性、极限延伸率有相对较高要求,而这些性能正是普通水泥基材料欠缺的。纤维类型的不同,起到的增强作用也不同,按材料的类别将工程应用涉及的纤维分为3类:金属纤维、无机纤维、有机纤维。表1 列举了最常用的几种纤维的性能参数[11]。

表1 工程应用中常用的几种纤维的性能参数[11]

金属纤维性能优异,应用广泛,但其缺点也较为明显,首先成本因素限制了钢纤维的大量应用,这里成本也包括金属纤维对搅拌器械的磨损,其次金属纤维的分散性较低,且对混凝土的和易性不利。

无机纤维中,玻璃纤维是主要的研究内容,但其存在抗碱性不足的特点,影响了材料的耐久性,也有抗碱玻璃纤维应用到低碱水泥中的研究[11],但研究结果表明抗碱性仍然不足。碳纤维是无机纤维中各项性能都较为优异的理想材料,但其脆性大对水泥基材料的增韧效果不佳,且价格高昂,所以在建材领域应用较少。

随着合成工业的发展,有机纤维逐渐成为纤维增强材料的重点应用材料。高强度、高模量的有机纤维价格高昂;低强度、低模量的有机纤维,如聚丙烯纤维,价格低廉,但纤维表面疏水,导致与胶凝材料的黏结性较差,在水泥基体受载荷时,纤维易出现滑移软化现象,可以通过加入掺合料和降低水胶比提高基体的密实度,进而增大黏结性能。此外,纤维表面接枝或采用异形纤维也能增大纤维与基体的黏结性。

2.4 聚合物掺量

聚合物是保证基体韧性和抗渗性的重要组分,其掺量的增加明显地增强了水泥基材料的韧性,但过高的掺量会阻碍水泥颗粒的水化,降低体系的强度。追求抗渗性而加入过多的聚合物还会使砂浆层的水气透过性降低,面层易出现起鼓现象,所以聚合物掺量必须适度,避免不好的作用。目前的聚合物在水泥基材料中的应用广泛。聚合物种类包括聚丙烯酸酯类、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)类、橡胶类、环氧树脂类[12]、聚乙烯醇类。在不同的应用领域,根据水泥基材料性能的侧重点进行聚合物种类的选择,如侧重抗渗性选择氯偏乳液,侧重柔韧性选择丁苯胶乳,侧重力学性能、耐腐性、黏结性选择树脂乳液。

3 水泥基面层材料组成与性能研究现状

作为绿色民居地面系统中的面层材料,要能抵抗日常使用中的磨损,具备一定的强度不至于在使用过程中出现开裂、脱离等问题,还要具备一定的隔潮功能。因此，将力学性能、耐磨性、耐久性作为主要的技术性能评价指标，进行材料组成与性能关系的阐述。

3.1 力学性能

粉煤灰对抗压强度影响较大,对水泥基材料的作用表现在两个方面,即物理填充效应和化学填充效应。物理填充是指粉煤灰颗粒填充于水泥基材料的空隙中,提高了材料的密实度,并且球形的玻璃珠颗粒在水泥颗粒间起到了滚珠作用,改善了拌合物的和易性,减少了单位体积的用水量,使硬化后的水泥基材料的收缩变小,从而提高抗裂性。化学填充是指粉煤灰的二次水化,由于粉煤灰的早期水化程度十分低,一般认为粉煤灰在水泥中的二次水化为活性SiO2、Al2O3和水泥水化产物Ca(OH)2(CH)反应,生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、水化铝酸钙及水化硫铝酸钙[13]。化学填充同样减少了材料内部的空隙,提高了密实度[14]。丰曙霞等[15]利用背散射电子图像分析技术对二次水化过程进行了定量研究,并修正了现有的反应模型,通过这种模型计算的CH吸收量及化学结合水量与实验结果比较接近。施惠生等[16]在早期硬化水泥浆体的研究中发现,粉煤灰的填充效应产生了2种影响:一是强度降低的影响,这是由于粉煤灰的加入破坏了水化产物的连续性;二是强度回升的影响,这是由于分散的粉煤灰颗粒表面成了新的水化产物沉析的平台,并且粉煤灰掺量的增加,减少了大孔,增加了微孔,水化产物在这些平台上生长并填充微孔,使强度得到回升。张文博等[17]的研究表明粉煤灰的掺量是决定这种强度降低幅度和回升幅度的关键。

纤维和聚合物是针对提升材料韧性而掺入的增强材料,其中聚丙烯纤维对韧性的增幅效果最为明显。Hannant等[18-19]认为圆形截面的聚丙烯纤维与水泥基材料的黏结性差和纤维较大的泊松比,使得纤维在基材出现裂缝时,易被拔出,不可能使基材出现多缝开裂,这也解释了聚丙烯纤维对水泥基材料抗折强度提升幅度不大的问题。聚丙烯纤维可作为脆性水泥材料的增强材料,有研究表明掺入体积分数为0.1%～0.5%的均匀分布于水泥基材料中的聚丙烯短纤维,可在塑性收缩与干燥收缩阶段起到十分显著的阻裂作用,并且纤维的弹性模量越小、密度越小、直径越小,其阻裂效果越好[11, 20]。同时聚丙烯纤维较大的极限延伸率保证了水泥基材料即使裂缝已经形成纤维仍未断裂,提高了水泥基体的韧性和抗冲击性。

顾超等[21]在对聚丙烯纤维和聚合物砂浆综合性能的研究中发现，聚丙烯纤维更有利于提升聚合物砂浆的抗折、抗拉、黏结性能,并且纤维体积分数在0.5%时,EVA改性砂浆的抗拉强度达到最大值。祝玉亭[22]在混杂纤维混凝土板弯曲韧性实验中发现，掺入体积分数为0.7%～0.9%纤维时,混凝土梁的断裂韧性是空白组的18～24倍,初裂荷载是空白组的1.37倍。谢新颖等[23]在研究聚丙烯纤维对环氧树脂砂浆力学性能影响的过程中(以环氧树脂质量分数表示),通过实验发现聚丙烯纤维的掺量为0.8%时,抗折、抗压性能均达到最高,而在0.5%的掺量下,纤维的分散度最高。Najm等[24]在纤维减少塑性收缩和干燥收缩开裂的研究中发现，在掺入体积分数为0.6%～2.0%纤维时,抗折韧性随着掺量和纤维长径比的增大而增大。肖雪军等[25]研究了聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维对水泥基材料抗折强度的影响,实验数据表明,聚丙烯纤维对抗折强度的增强效果较好,且在掺量为1%时,比空白样抗折强度增强了16%。Skouruph等[26]在利用聚乙烯醇纤维改善用于砌筑的砂浆实验中,得出纤维的应用有提高水泥基材料的韧性、延展性和吸收断裂能的作用,并且对抗压强度和外观无较大的影响。

杜志芹等[27]研究发现,在混凝土中加入聚氯乙烯(PVC)纤维和聚丙烯纤维,聚丙烯纤维会降低混凝土的抗渗性,但是PVC纤维可以提高混凝土的抗渗性。

宋焱[28]研究了长纤维、短纤维和微纤维3种类型的钢纤维对高性能混凝土劈裂抗拉强度和轴心抗拉强度的影响,结果表明：微纤维优势在于提高活性粉末混凝土的极限抗拉强度,但对抗拉延性没有影响,并且能降低混凝土的黏性；短纤维优势在于提高轴心抗拉强度；长纤维由于重力效应明显,易成团进而阻碍了掺量的提升。

纤维在水泥基材料中的作用机制目前主要有2种理论,一是Romualdi和Batson提出的纤维间距理论[29],二是基于复合材料基础之上的复合力学理论。

纤维间距理论认为在水泥基材料的内部存在原生的缺陷,如微裂纹、微孔洞等,这些原生的缺陷在外力载荷的作用下产生的应力集中是导致水泥基材料开裂以及破坏的主要原因[30]。当纤维均匀地分布在水泥基材料中时,这些缺陷被包围在纤维之间,这时候在外部载荷的作用下,原先应力集中的点(裂纹尖端)就形成了扩展应力场,而在靠近缺陷的纤维界面处将产生与裂纹尖端扩展应力反向的应力场,从而降低了裂纹尖端的应力集中系数,限制裂纹的发展,增强了水泥基材料的强度。在纤维的直径和长度一定时,增强效果与纤维的平均间距有关。

复合力学理论在纤维增强水泥基材料上的应用是基于4个假设:①纤维与水泥基材料均呈弹性变形;②纤维沿着应力作用方向连续排列;③纤维与基体发生相同的应变值;④纤维与水泥基材料黏结性好,不发生滑动。在外部载荷作用下,当水泥基材料的应变达到开裂应变时,基体开始出现微裂缝,当裂缝尖端扩展到纤维附近时,纤维这时候就如墙一样阻止了裂纹的继续前进,使得基体未立即破坏。随着外部载荷的增大,裂缝宽度发展到一定程度,裂纹尖端跨越纤维,纤维被拔出或拉断,整个基体发生裂缝失稳扩展而破坏。

关于聚合物对水泥基材料力学性能的作用,目前改性机制的研究已经比较完善,结构模型主要为Ohama模型[31]。Ohama模型将聚合物在水泥水化中的作用分为3个阶段,分别是搅拌成型阶段、逐步水化阶段、聚合物颗粒网状结构形成阶段。基于这3个阶段,根据国内外研究将聚合物的改性机制归纳成5点[32]:①均匀分散在水泥凝胶中的聚合物,在一些复杂的应用场景中能够减少水分的流失,使得水化完全。②聚合物在硬化的水泥浆体中交联形成的网状胶膜填充孔隙,并且聚合物因具有减水作用而降低体系的水灰比,两者都能大大降低结构中的孔隙率,使得体系强度增大。③聚合物形成的三维网状结构与纤维的作用类似,在有应力的时候起到架桥作用,分散并转移应力能量从而抑制裂纹的发展。④在水泥-聚合物-骨料这一体系中,水泥和聚合物都有胶黏剂的作用,而聚合物膜的黏结强度远大于水泥的拉伸强度[33],能提高系统的拉伸强度。同时也改善了胶凝材料与骨料的界面状况,增大了黏结力,对抗压、抗弯强度做出贡献。⑤有研究表明聚合物上的一些官能团如羟基、羧基、酯基能够与水泥水化产物发生化学反应[34],这些键合的大分子体系[35]相互交织成的网络结构提高了结构的密实性。

同时也有众多研究表明聚合物对水泥水化有延迟效应[36],聚合物形成的膜结构影响了水泥浆体中液相离子的分布,延缓了水泥的水化进程,这也是聚合物使得硬化浆体强度下降的原因之一。

3.2 耐磨性

在民居环境下,常见的磨损形式可分为滑移磨损、疲劳磨损、磨粒磨损[37]。滑移磨损是接触物体在法向作用力下,接触面的摩擦磨损;疲劳磨损是指材料表面因循环作用力使表面产生裂纹,裂纹的扩展引起的材料表面的磨耗;磨粒磨损是指材料因前2种磨损脱落的骨料与粉末,以及生活中掉落的硬质颗粒的作用,从而加速的磨损。

在3种磨损情况下,影响水泥基地面材料耐磨性的因素可分为材料表面构造的孔隙特征、内部结构的密实度以及胶凝材料与骨料的黏结力3种。对于耐磨性提升的研究,一部分内容与抗压强度相同,这也是大多数研究聚焦于力学强度的原因,不同的是,抗压强度的提升一般是整体的,而耐磨性可以只对材料表面处理。如目前应用较为广泛的环氧地坪等,但对于多层地面结构,因工厂预制一体化成型,则整体耐磨性的提升更为适用。Karahan等[38]认为聚丙烯纤维掺量在0.20%以下,在28 d龄期对抗压强度的降低影响较小,而粉煤灰掺量的变化对抗压强度才会产生非常大的影响。Horszczaruk[39]认为聚合物增加了混凝土的耐化学性,而对耐磨性影响较小。综合比较表明，纤维与聚合物对耐磨性及抗压强度有一定的作用,主要是阻碍疲劳磨损中裂纹的扩展,而粉煤灰掺合料的影响更加显著。

在单掺粉煤灰对水泥基材料的力学性能影响方面,Naik等[40]用粉煤灰15%、30%、40%、50%、70%水泥替代比例(质量分数),研究了混凝土耐磨性的变化,结果表明30%替代比例的混凝土耐磨性与参比样相当,粉煤灰替代比例超过30%,耐磨性就会下降,抗压强度是影响耐磨性的重要因素。Siddique等[41]研究了粉煤灰在30%、40%、50%水泥替代比例的情况,也得出了替代比例30%的混凝土与普通混凝土耐磨性相当的结论,实验数据表明，耐磨性与抗压强度密切相关,耐磨性的提高可以通过掺入纤维来解决,此时纤维的阻裂作用能够有效降低外力作用下的磨损量。Yazici等[42]研究了抗压强度在65～85 MPa间的混凝土抗压强度与耐磨度的变化,应用多元回归分析得到压缩强度、劈裂抗拉强度和磨损损失值之间的等式,这个等式为预估耐磨度提供了参考。Alaka等[43]研究了高掺量粉煤灰混凝土的力学性能,认为在高掺量下,随着粉煤灰掺量的增加,抗压强度的提高并不能相应地提高耐磨度。Rashad等[44]通过分析已有的研究成果得到大掺量粉煤灰(掺量≥45%)会导致混凝土耐磨性下降。

周万良等[45]研究了粉煤灰的掺量对矿渣-水泥胶砂强度和耐磨性的影响,通过线性拟合磨损率和强度关系可知，在一定的水胶比和龄期条件下,磨损率和强度之间存在着明显的线性负相关,与其他学者的正相关结论相悖的原因可能是未考虑体系中矿渣的含量,导致实际替代水泥比例过高。黄寿良等[46]研究了长龄期粉煤灰混凝土抗压强度的变化规律,不掺粉煤灰的混凝土的强度在1年后趋于平缓增长,而掺粉煤灰后,强度增长期在10年以上,并且随着掺量的提高,强度增长系数增大。孙家国[47]基于中心质假说理论,研究了粉煤灰替代比例高于50%时,可以通过降低水胶比大大提升抗压强度。

对于单掺粉煤灰的硬化浆体,其早期较低强度会产生不利影响,降低长期耐久性,Medina等[48]建议复合掺入纤维和矿物掺合料,从而降低这种不利影响。

3.3 耐久性

作为建筑材料,高性能水泥基地面材料的耐久性至关重要。纤维、粉煤灰和聚合物对抗冻融性的作用方式是不同的,粉煤灰的密实效应改善了基体内部孔结构,并且对Ca(OH)2进行了消耗, 导致混凝土不易因冰冻产生裂隙。纤维的随机分布抑制了混凝土冻结时的膨胀。Karahan等[38]在对研究的混凝土进行50次冻融循环,循环后的抗压强度与参比样的比较发现,粉煤灰和聚丙烯纤维的掺入能够明显提升材料的抗冻融性能,且随着掺量的提高，抗冻融性增大,掺入粉煤灰对抗冻融性的提升效果优于聚丙烯纤维。文献[49]表明纤维没有对抗冻融性产生显著改变。梁会忠等[50]研究了聚合物对韧性混凝土的抗冻耐久性的影响,将水性环氧树脂与水泥复合,快速冻融实验结果表明,抗冻性显著提高,且在乳液掺量为5%时,改性效果最好,X线衍射光谱表明水性环氧树脂的掺入能够阻碍结晶相Ca(OH)2的生成,使硬化的水泥基材料以凝胶相结构为主,且固化后的聚合物颗粒填充了孔隙,延缓了水泥基材料因内部水分结冰造成的冻融破坏。

抗渗性是混凝土耐久性的重要指标之一,无论是冻融破坏还是化学侵蚀都与其相关。在一些特殊应用中,如民居地面混凝土,对抗渗性提出了较高的要求,在多层保温结构中,因外界温度和湿度的改变,引起面层和基层的变形,普通水泥基面层材料易出现细微裂缝甚至空鼓开裂,失去隔潮抗渗的效果。具有较好相容性的无机保温层材料一般分为水泥基和石膏基。采用聚苯颗粒、膨胀珍珠岩、玻化微珠等轻质骨料或对基材直接发泡处理,材料吸水率大,力学强度和隔潮性能远不如普通混凝土,因此一旦面层出现损坏,内部保温层保温效果便会大大下降,从而导致耐久性的不足。He等[51]通过实验得出聚丙烯纤维掺量在0.6 kg/m3时,机制砂混凝土性能达到最优,相比于没有聚丙烯纤维的机制砂混凝土,抗渗系数降低45%以上,表明了纤维对抗渗性具有积极的作用。Kakooei等[52]在聚丙烯纤维对混凝土结构影响的研究中指出,纤维对抗渗的积极作用是通过减少混凝土的收缩或膨胀来实现的。硅灰、粉煤灰等掺合料和聚丙烯纤维对混凝土抗水性的增强作用已得到许多研究的验证[53-55]。姚树义[56]在对5%、10%、15%、20%掺量的聚合物对抗渗性的研究中发现,复掺聚合物、纤维、粉煤灰,在获得强度提升的同时,能显著增强基体抗水性,拓宽了应用范围。张二芹[57]利用5%、10%、15%、20%的环氧树脂改性混凝土,结果表明环氧树脂乳液的加入对抗压强度的损失不大,但能明显提高抗折性能,且抗渗性随着环氧树脂含量的增大而增大。陆春奇等[58]研究了改性聚脲、硅烷、环氧树脂、水性渗透结晶型防水材料4种混凝土涂料对混凝土抗渗耐久性的影响,结果表明表面涂层法的防水抗渗效果十分显著,并且施工工艺较为便利。以上对抗渗性的提升研究,可以总结为3种方法：①提高材料的韧性,减少因外界作用产生的裂纹及缺陷。②提高材料的密实度,使用聚合物或掺合料填充内部孔隙,填充内部毛细水通道。③利用致密抗水的表面涂层来弥补水泥基材料多孔隙的不足。利用聚合物改性水泥基材料是①和②两种方法的结合,如水性环氧树脂,水性的特点很好地解决了树脂在水泥基材料中的分散性问题。但也有研究人员表示水性环氧树脂改性水泥基材料的综合性能与理论相悖,因为多数研究者主要聚焦于聚灰比和聚合物种类的影响,没有考虑养护的问题,湿养护有利于水泥的水化,干养护有利于树脂的固化,笔者曾将水性环氧树脂用水分散并置于密封容器中固化,6个月后虽然树脂固化,但结构十分疏松。所以干湿交替养护[50,59]是比较好的养护措施。

4 结语

村镇住宅总量大,应用绿色技术产生的社会经济效益巨大。针对目前的村镇建筑围护结构,大部分研究集中在墙体保温方面,本文提出采用装配式的建造方式,以多层地面构造达到地面隔潮、保温、装饰的作用。本文聚焦于水泥基面层材料的配合比设计,介绍了配合比设计的一般原则及方法,在鲍罗米公式的基础上,引入了纤维和聚合物的影响,提出了配合比计算模型,概括了设计过程中的4个影响参数的种类及基本影响规律。目前水泥基材料的力学性能、耐磨性、耐久性的研究表明增加绿色环保建材的使用率;提高材料成型时的和易性;降低水化成型时的变形性;提高水泥基材料的密实度;减少或封堵水泥基材料的内部孔隙;抑制水泥基材料的内部微裂纹的扩展;提高水泥骨料之间的黏结性是当前研究的主流方向。同时,内部保温材料分为有机与无机类,通常有机类保温材料保温效果及隔潮性优于无机材料,但与水泥基材料间界面相容性不如无机材料,如何选择以解决面层与保温层之间的相容性问题,以及各层间的线膨胀系数控制技术是今后研究人员需要完成的任务。通过配合比研究制备出的适用于面层材料的高性能水泥基复合材料可扩展在机场跑道、路面以及对地面强度有较高要求的仓库等领域的应用。材料应用的深度发展离不开理论的支撑,在配合比的组成优化、综合性能的提高、制备工艺技术3个方面仍有研究的必要性。