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硅酸钙板/纤维增强泡沫混凝土夹芯墙板若干工程性能的研究

【摘要】:随着我国经济的高速发展,环境问题日趋严重,资源浪费、能源利用率低的现象比比皆是。在我国的能源消耗比例中,建筑能耗占比约1/3。降低建筑能耗一个重要的途径就是研发和应用具有良好保温隔热性能的墙体结构。另一方面,装配式住宅的发展也逐渐受到重视。本课题以泡沫混凝土作为芯材,以硅酸钙板为面板,将两者采用直接浇筑成型的方法制备成夹芯墙板。针对硅酸钙板/泡沫混凝土夹芯墙板干燥收缩大、抗压强度较低、热工性能研究不足等问题,本文主要研究了其干缩性能、受压性能和保温隔热等工程性能,具体研究内容与研究成果如下:(1)关于硅酸钙板/泡沫混凝土夹芯墙板干缩性能的研究,采用掺入聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维两种纤维来抑制夹芯墙板的干缩。研究结果表明,聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维均能有效地减小泡沫混凝土夹芯墙板的干燥收缩。聚乙烯醇纤维抑制干缩的效果比聚丙烯纤维更加显著。夹芯墙板中芯材各部位的干缩值存在差异性,纤维的掺入降低了夹芯墙板中芯材各部位的干缩差异性,相同纤维掺量下,夹芯墙板中部的干缩值大于端部的干缩值,随纤维掺量的增大,这种差异性逐渐降低。由于芯材各部位的干缩变形不一致,导致各部位收缩应力不同,随着纤维掺量的增大,夹芯墙板的最大应力值减小,且不同部位的收缩应力值差异性逐渐减小。采用500kg/m3的泡沫混凝土作为夹芯墙板的芯材时,在端部产生的收缩应力要小于芯材的劈裂抗拉强度,芯材中部收缩应力要大于芯材的劈裂抗拉强度,存在开裂的风险。纤维掺量大于2.5kg/m3时,芯材各部位的收缩应力小于芯材的劈裂抗拉强度。纤维抑制夹芯墙板干燥收缩的作用机制主要体现在两方面,一方面是纤维的掺入降低了夹芯墙板中芯材不同部位的应力值;另一方面,纤维的掺入使夹芯墙板各部位的应力分布更均匀。(2)关于硅酸钙板/泡沫混凝土夹芯墙板受压性能的研究。开展了夹芯墙板受压性能及其提升技术的研究。在无纤维掺入的情况下,夹芯墙板的抗压强度比泡沫混凝土的抗压强度高出约25.00%,受压韧性指数提高约8.80%。掺入纤维和增加芯材的干密度能有效提升夹芯墙板的受压性能,当纤维掺量为2kg/m3时,夹芯墙板的抗压强度比无纤维掺入的夹芯墙板的抗压强度提高了76.08%,受压韧性指数提高了30.03%;干密度为600kg/m3的夹芯墙板抗压强度比干密度为400kg/m3的高出90.27%,受压韧性指数随干密度的增大增长幅度较小。泡沫混凝土夹芯墙板典型的实测应力-应变全曲线可分为4个阶段,分别为弹性阶段、应力硬化阶段、应力软化阶段和破坏阶段。对不同纤维含量的夹芯墙板受压应力-应变标准曲线的上升阶段和下降阶段采用不同的方程进行拟合,建立了应力-应变全曲线方程:上升阶段曲线方程为Y=0.11X+2.35X~2-1.46X~3(0≤(3≤1);下降阶段在有纤维掺入条件下曲线方程为Y=1/(k_1(X-1)~k_2+1)(X≥1),无纤维掺入条件下曲线方程为Y=0.31+0.01X+(0.68)/X~2(X≥1)。采用矿物掺合料粉煤灰和乳胶粉、黄原胶外加剂优化了泡沫混凝土性能,对比分析了掺入矿物掺合料和外加剂与掺入纤维两种方式对夹芯墙板受压性能提升的效果。结果表明,掺有纤维的夹芯墙板的抗压强度和受压韧性指数均比掺入矿物掺合料和外加剂的高,从成本和夹芯墙板性能的角度考虑,优先选用掺入纤维来改善夹芯墙板的受压性能。(3)关于硅酸钙板/泡沫混凝土夹芯墙板保温隔热性能的研究。采用延迟时间Φ和衰减系数?作为评价指标,探讨了芯材的密度和厚度对硅酸钙板/泡沫混凝土夹芯墙板的保温隔热性能的影响。干密度为500kg/m3和700kg/m3的泡沫混凝土的Φs和Φr均为9.17min,制备成夹芯墙板后的Φs和Φr为18.33min,比泡沫混凝土的延迟时间大了一倍,夹芯墙板具有更好的保温隔热性能。随着干密度的增大,夹芯墙板的?_r和?_s均减小,干密度为300kg/m3的夹芯墙板的?_r和?_s分别为5.70和5.79,干密度为700kg/m3的夹芯墙板的?_r和?_s降低至4.84和5.27。随着厚度增大,夹芯墙板的衰减系数?_r和?_s也随之增大,厚度为70mm的夹芯墙板的衰减系数?_r和?_s分别为6.77和7.06,厚度为30mm的夹芯墙板的衰减系数?_r和?_s仅为3.98和4.37。采用ANSYS Workbench 15.0对泡沫混凝土和夹芯墙板的内部温度场进行了数值模拟分析,得出泡沫混凝土和夹芯墙板内部温度分布云图和等温线分布图。研究表明,干密度的降低和厚度的增加均有利于改善泡沫混凝土和夹芯墙板的内部温度分布,且随着泡沫混凝土和夹芯墙板的干密度的增加,等温线不同程度地向低温处移动。本研究所制备的泡沫混凝土夹芯墙板性能优良,能够有效地降低建筑使用能耗、减少建筑材料的用量,对推动我国墙体材料向高性能方向发展,提高我国建筑墙体保温和建筑节能水平具有重要意义。

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