生土基梯度復合墻體材料熱濕綜合性能影響因素研究

蘆白茹,張 坤,蘭官奇,荊 天,張玉婷

(1.西安歐亞學院,陜西 西安 710065;2.西安石油大學,陜西 西安 710065)

生土基材料是一種沒有烘烤,只經初步加工而成的原始土壤物質。生土基材料不但具有保溫、通風、防火等優點,而且造價低、能耗低,對生態環境也十分有利,因此受到廣泛的應用。但由于其強度低、變形、耐水性能較低等固有缺陷,使得其在穩定性、抗震性、耐用性等性能均有所欠缺。研究生土基材料的熱濕性能,可以有效降低建筑的能耗,減輕環境壓力。因此,對生土基進行熱濕性能研究具有重要的現實意義。

有研究,將聚羧酸減水劑摻入生土材料中,研究改性后生土材料的性能[1]。采用動態試驗法研究改性材料對于生土的熱濕綜合性能的影響[2]。上述研究取得一定進展,但并未得出改性生土材料時各成分的具體摻量比例。為此對生土基梯度復合墻體材料熱濕綜合性能影響因素分析,為進一步實現生土基梯度復合墻體材料的多功能化提供基礎,獲取生土基梯度復合墻體材料的最優配比,使其熱濕綜合性能達到最佳狀態。

1 試驗材料與方法

1.1 生土基梯度復合墻體原材料

實驗應用黃土作為生土,從黃土高原獲得該生土,向下挖4 m獲取生土[3]。實驗土的類別屬于低液限粉土,該土樣的含水率是7.61%,液限是28.1%,塑限是20.2%,塑性指數是7.8%[4]。

實驗室自制生土基梯度復合墻體主要成分為水泥、堿激發劑與堿助劑的高效粘土無機固化劑。水泥廠生產的P·C42.5級普通硅酸鹽水泥。采用硅酸鈉溶液作為堿助劑,其模數是2.5;堿助發劑使用氫氧化鈉[5]。

1.2 生土基梯度復合墻體材料試樣制作

1.2.1試樣制作

生土基梯度復合墻體材料的試樣制作過程為:

步驟1:在目標水量中摻入黃土,混合攪拌1～3 min,獲得攪拌均勻的水土混合物;

步驟2:在水土混合物中摻入不同比例的水泥與粉煤灰,再攪拌1～3 min;

步驟3:將堿助劑、減水劑、堿活化劑按順序加入,并在2～3 min內進行混合,以此獲得具有良好均勻性的生土基梯度復合物[6-7],摻入高效固化劑,其在生土基梯度復合墻體材料中占比為16%(以干黃土的質量計算);

步驟4:將生土基梯度復合物倒入模具(模具尺寸為70 mm×70 mm×70mm的立方體)中,為使其均勻分布,將模具放入振動臺振動1 min,然后將模具放進恒溫恒濕的保溫箱,該箱內溫度為(20±2)℃,相對濕度為(97±2)%。在保溫箱內養護3 d后脫模,將脫模后的生土基梯度復合墻體材料放進養護箱,繼續養護到28 d,取出將其分成9塊并進行分析。

1.2.2試樣制備方案

采用4因素3水平的正交設計方案實現生土基梯度復合墻體材料的制備,4因素3水平分別是水泥摻量(K):K1=4%,K2=6%,K3=8%;粉煤灰摻量(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可判斷各種因素之間是否存在的交互作用。制備方案具體內容如表1所示。

表1 試樣的制備方案

1.3 生土基梯度復合墻體材料性能測試

(1)熱性能性能測試使用JTRG-Ⅲ型建筑材料熱流式導熱儀實現導熱系數測試[8-9],具體過程為:

步驟1:將試樣放入105 ℃的鼓風干燥箱,使其完全干燥,最終達到一天內不間斷稱重3次的質量起伏低于總質量的0.1%;

步驟2:將干燥后的試樣放在導熱儀的檢測臺上,熱冷板間夾力為45 N,冷板溫度[10]與熱板溫度[11]分別設置為10 ℃與30 ℃,測試周期設定為2 h;

步驟3:假設A表示試樣的橫截面積,Q表示熱流量,試樣的導熱系數λ的計算公式為:

λ=(p×Q)/(A×ΔT)

(1)

式中:p為試樣厚度;ΔT為冷熱板之間的溫差。

(2)采用等溫吸附和放濕法進行試驗,其方法具體流程:

步驟1:將試樣使用切割機分為均勻的9塊,分別采用上述干燥方法實現完全干燥;

步驟2:將干燥后的試樣分別放入9個干燥皿中,每個干燥皿中飽和溶液的相對濕度均不同[12-13]。在一天時間內,不間斷地稱重試樣3次,稱重結果的差值低于0.1%時,代表試樣達到了濕平衡;

步驟3:試樣的含濕量μ的計算公式為:

μ=100%×[(ω-ω0)/ω0]

(2)

式中:ω、ω0分別為試樣干燥與吸濕狀態下的質量。

(3)耐水性測試運用浸水測試方法,具體過程:

步驟1:采用2.1方法對試樣進行制備與養護;

步驟2:將試樣的5個面均勻涂滿防水材料;

步驟3:將試樣采用上述干燥方法實現完全干燥;

步驟4:將已烘干的樣品置于水里,且將表面應向上;

步驟5:每10 min取出試樣1次,擦拭掉試樣表面的水,放置于天平中測試其質量;

步驟6:假設t代表浸水時間,測試周期一般設置為60 min,試樣的吸水速率[14-15]ξ的計算公式為:

ξ=[(m60-m0)/(t×m0)]×100%

(3)

式中:m0為干燥狀態的試樣質量;m60為浸水后的試樣質量。

1.4 熱濕綜合性能評價

因為μ的單位為“%”,λ的單位為“W/(m·K)”,因此λ與μ的測試結果不能直接計算,所以需要先歸一化處理λ與μ,再通過代數計算。熱濕綜合性能的計算公式為[16]:

J=J1λ+J2μ

(4)

式中:J為試樣的熱濕綜合性能;J1為試樣的熱性能,即因導熱系數與熱性能互為相反數,所以選擇試樣導熱系數的相反數,經歸一化處理;J2為試樣的濕性能。

2 實驗結果與分析

為了驗證所提出生土基梯度復合墻體材料熱濕綜合性能影響因素研究方法的效果,設計實驗。采用導熱系數測試系統獲得試樣1～試樣9的導熱系數,結果如表2所示。

表2 導熱系數

由表2可知,試樣的導熱性測試結果分布于0.754～0.938 W/(m·K),低于一般的建筑材料的導熱系數1.28～01.74 W/(m·K),說明生土基梯度復合墻體材料具有保溫隔熱的優勢。其中試樣3的導熱系數最低,所以依據試樣3配制的生土基梯度復合墻體材料的導熱性能最好。

實驗測試試樣1～試樣9的等溫平衡含濕量,結果如表3所示。

表3 不同試樣的等溫平衡含濕量測試結果

由表3可知,隨著試樣周圍的相對濕度不斷提高,試樣不斷從周圍吸濕,使其含濕量逐漸增多,此過程為試樣的等溫吸濕;當試樣周圍的相對濕度為96.3%時,試樣實現吸濕平衡,接著試樣周圍的相對濕度逐漸減小,試樣持續釋放水分,同時試樣的均衡含水率也在持續下降,此時試樣進行等溫放濕;因為使人體舒適的室內相對濕度范圍為40%～60%,所以選擇試樣周圍的相對濕度為52.9%的平衡含濕量進行對比,得到不同配比試樣的熱濕性能優劣大小順序依次為:試樣3、試樣5、試樣8、試樣2、試樣6、試樣9、試樣1、試樣7、試樣4。因此,配比K1為4%,F3為15%,E3為16%時,生土基梯度復合墻體材料的吸濕性能最好。

因為試樣的熱濕性能受水泥摻量、粉煤灰摻量以及含水率的共同影響,因此,對影響試樣熱濕性的各個因素進行線性分析,并對其變化的趨勢和作用的顯著程度進行了研究?；?.4中對熱性能與濕性能歸一化處理后的熱濕綜合性能計算公式,試樣1～試樣9的熱濕性能測試值與處理結果如表4所示。

表4 熱濕性能測試與處理結果

由表5可知,試樣3的熱濕綜合性能最好,試樣的熱濕綜合性能優劣大小順序依次為:試樣3、試樣5、試樣8、試樣6、試樣2、試樣7、試樣9、試樣1、試樣4。因此,配比水泥摻量為4%、粉煤灰摻量為15%、含水量為16%時,生土基梯度復合墻體材料的熱濕綜合性能最好。

3 結語

(1)試樣的導熱性測試結果分布于0.754～0.938 W/(m·K),低于一般的建筑材料的導熱系數,生土基梯度復合墻體材料具有保溫隔熱的優勢;

(2)試樣周圍的相對濕度逐漸減小,試樣持續釋放水分,同時試樣的均衡含水率也在持續下降;

(3)生土基梯度復合墻體材料的熱濕綜合性能較好,含水率對于試樣熱濕綜合性的影響最大,水泥摻量對于響應值的影響為2.468。依靠凝膠產物可以提升生土基梯度復合墻體材料的熱濕性能。