生土基梯度复合墙体材料热湿综合性能影响因素研究

2023-10-20芦白茹兰官奇张玉婷

粘接 2023年10期

芦白茹,张坤,兰官奇,荆天,张玉婷

(1.西安欧亚学院,陕西西安 710065;2.西安石油大学,陕西西安 710065)

生土基材料是一种没有烘烤,只经初步加工而成的原始土壤物质。生土基材料不但具有保温、通风、防火等优点,而且造价低、能耗低,对生态环境也十分有利,因此受到广泛的应用。但由于其强度低、变形、耐水性能较低等固有缺陷,使得其在稳定性、抗震性、耐用性等性能均有所欠缺。研究生土基材料的热湿性能,可以有效降低建筑的能耗,减轻环境压力。因此,对生土基进行热湿性能研究具有重要的现实意义。

有研究,将聚羧酸减水剂掺入生土材料中,研究改性后生土材料的性能[1]。采用动态试验法研究改性材料对于生土的热湿综合性能的影响[2]。上述研究取得一定进展,但并未得出改性生土材料时各成分的具体掺量比例。为此对生土基梯度复合墙体材料热湿综合性能影响因素分析,为进一步实现生土基梯度复合墙体材料的多功能化提供基础,获取生土基梯度复合墙体材料的最优配比,使其热湿综合性能达到最佳状态。

1 试验材料与方法

1.1 生土基梯度复合墙体原材料

实验应用黄土作为生土,从黄土高原获得该生土,向下挖4 m获取生土[3]。实验土的类别属于低液限粉土,该土样的含水率是7.61%,液限是28.1%,塑限是20.2%,塑性指数是7.8%[4]。

实验室自制生土基梯度复合墙体主要成分为水泥、碱激发剂与碱助剂的高效粘土无机固化剂。水泥厂生产的P·C42.5级普通硅酸盐水泥。采用硅酸钠溶液作为碱助剂,其模数是2.5;碱助发剂使用氢氧化钠[5]。

1.2 生土基梯度复合墙体材料试样制作

1.2.1试样制作

生土基梯度复合墙体材料的试样制作过程为:

步骤1:在目标水量中掺入黄土,混合搅拌1～3 min,获得搅拌均匀的水土混合物;

步骤2:在水土混合物中掺入不同比例的水泥与粉煤灰,再搅拌1～3 min;

步骤3:将碱助剂、减水剂、碱活化剂按顺序加入,并在2～3 min内进行混合,以此获得具有良好均匀性的生土基梯度复合物[6-7],掺入高效固化剂,其在生土基梯度复合墙体材料中占比为16%(以干黄土的质量计算);

步骤4:将生土基梯度复合物倒入模具(模具尺寸为70 mm×70 mm×70mm的立方体)中,为使其均匀分布,将模具放入振动台振动1 min,然后将模具放进恒温恒湿的保温箱,该箱内温度为(20±2)℃,相对湿度为(97±2)%。在保温箱内养护3 d后脱模,将脱模后的生土基梯度复合墙体材料放进养护箱,继续养护到28 d,取出将其分成9块并进行分析。

1.2.2试样制备方案

采用4因素3水平的正交设计方案实现生土基梯度复合墙体材料的制备,4因素3水平分别是水泥掺量(K):K1=4%,K2=6%,K3=8%;粉煤灰掺量(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可判断各种因素之间是否存在的交互作用。制备方案具体内容如表1所示。

表1 试样的制备方案

1.3 生土基梯度复合墙体材料性能测试

(1)热性能性能测试使用JTRG-Ⅲ型建筑材料热流式导热仪实现导热系数测试[8-9],具体过程为:

步骤1:将试样放入105 ℃的鼓风干燥箱,使其完全干燥,最终达到一天内不间断称重3次的质量起伏低于总质量的0.1%;

步骤2:将干燥后的试样放在导热仪的检测台上,热冷板间夹力为45 N,冷板温度[10]与热板温度[11]分别设置为10 ℃与30 ℃,测试周期设定为2 h;

步骤3:假设A表示试样的横截面积,Q表示热流量,试样的导热系数λ的计算公式为:

λ=(p×Q)/(A×ΔT)

(1)

式中:p为试样厚度;ΔT为冷热板之间的温差。

(2)采用等温吸附和放湿法进行试验,其方法具体流程:

步骤1:将试样使用切割机分为均匀的9块,分别采用上述干燥方法实现完全干燥;

步骤2:将干燥后的试样分别放入9个干燥皿中,每个干燥皿中饱和溶液的相对湿度均不同[12-13]。在一天时间内,不间断地称重试样3次,称重结果的差值低于0.1%时,代表试样达到了湿平衡;

步骤3:试样的含湿量μ的计算公式为:

μ=100%×[(ω-ω0)/ω0]

(2)

式中:ω、ω0分别为试样干燥与吸湿状态下的质量。

(3)耐水性测试运用浸水测试方法,具体过程:

步骤1:采用2.1方法对试样进行制备与养护;

步骤2:将试样的5个面均匀涂满防水材料;

步骤3:将试样采用上述干燥方法实现完全干燥;

步骤4:将已烘干的样品置于水里,且将表面应向上;

步骤5:每10 min取出试样1次,擦拭掉试样表面的水,放置于天平中测试其质量;

步骤6:假设t代表浸水时间,测试周期一般设置为60 min,试样的吸水速率[14-15]ξ的计算公式为:

ξ=[(m60-m0)/(t×m0)]×100%

(3)

式中:m0为干燥状态的试样质量;m60为浸水后的试样质量。

1.4 热湿综合性能评价

因为μ的单位为“%”,λ的单位为“W/(m·K)”,因此λ与μ的测试结果不能直接计算,所以需要先归一化处理λ与μ,再通过代数计算。热湿综合性能的计算公式为[16]:

J=J1λ+J2μ

(4)

式中:J为试样的热湿综合性能;J1为试样的热性能,即因导热系数与热性能互为相反数,所以选择试样导热系数的相反数,经归一化处理;J2为试样的湿性能。

2 实验结果与分析

为了验证所提出生土基梯度复合墙体材料热湿综合性能影响因素研究方法的效果,设计实验。采用导热系数测试系统获得试样1～试样9的导热系数,结果如表2所示。

表2 导热系数

由表2可知,试样的导热性测试结果分布于0.754～0.938 W/(m·K),低于一般的建筑材料的导热系数1.28～01.74 W/(m·K),说明生土基梯度复合墙体材料具有保温隔热的优势。其中试样3的导热系数最低,所以依据试样3配制的生土基梯度复合墙体材料的导热性能最好。

实验测试试样1～试样9的等温平衡含湿量,结果如表3所示。

表3 不同试样的等温平衡含湿量测试结果

由表3可知,随着试样周围的相对湿度不断提高,试样不断从周围吸湿,使其含湿量逐渐增多,此过程为试样的等温吸湿;当试样周围的相对湿度为96.3%时,试样实现吸湿平衡,接着试样周围的相对湿度逐渐减小,试样持续释放水分,同时试样的均衡含水率也在持续下降,此时试样进行等温放湿;因为使人体舒适的室内相对湿度范围为40%～60%,所以选择试样周围的相对湿度为52.9%的平衡含湿量进行对比,得到不同配比试样的热湿性能优劣大小顺序依次为:试样3、试样5、试样8、试样2、试样6、试样9、试样1、试样7、试样4。因此,配比K1为4%,F3为15%,E3为16%时,生土基梯度复合墙体材料的吸湿性能最好。

因为试样的热湿性能受水泥掺量、粉煤灰掺量以及含水率的共同影响,因此,对影响试样热湿性的各个因素进行线性分析,并对其变化的趋势和作用的显著程度进行了研究。基于1.4中对热性能与湿性能归一化处理后的热湿综合性能计算公式,试样1～试样9的热湿性能测试值与处理结果如表4所示。