碱激发多孔水泥基墙体保温材料的研究

摘要

我国建筑能耗约占全社会能耗的三分之一，降低建筑能耗、实现建筑节能已成为我国可持续发展的必然选择。目前，我国建筑节能降耗的主要方式是提高建筑围护结构的热工性能，特别是提高墙体材料的保温性能。在现有的墙体保温材料中多孔水泥基材料因其保温性能好、成本低廉、工艺简单及防火性好等优点得到广泛应用，但其多孔结构提高材料保温性能同时，导致材料力学性能下降，收缩开裂严重。针对该问题，本文设计了一种碱激发多孔水泥基墙体保温材料(Alkali-activated porous cement-based wall insulation materials，简称APCM)，它利用碱激发反应、硅酸盐水热反应与发气反应形成多孔高强高耐久基体，并在基体中内置功能组分，实现增强、阻热、保持体积稳定的强化作用。该多孔材料能够较好地兼顾保温性能与力学性能、耐久性能，它的开发对多孔水泥基墙体保温材料应用领域的拓展具有重要意义。
　　 论文依托“十二五”科技支撑项目——高消纳率污泥再生轻集料及应用技术研究，围绕APCM的组成、结构、性能展开研究，取得了如下成果:
　　 在深入研究水泥基复合材料特点的基础上，提出了APCM的设计原理:胶凝材料组成基于碱激发效应和硅酸盐材料水热反应，多孔结构由铝粉与碱反应形成，功能组分设计依据集料增强及界面增强技术。在此基础上，提出了APCM的设计方法:采用钠水玻璃作为碱激发剂，粉煤灰和偏高岭土作为硅质材料和碱激发胶凝材料，石灰和水泥作为钙质材料和碱性材料，铝粉作为发气剂，超轻集料作为功能组分。通过XRD、SEM、EDXA等测试方法对APCM的组成成分和微观形貌进行研究，验证了设计的可行性，并探明了APCM微观结构特点:托勃莫来石和C-S-H(Ⅰ)相互交织构成凝胶网络，生成的水石榴子石填充在凝胶网络中，沸石类矿物聚集在凝胶网络表面。
　　 研究了APCM水化产物组成特点，提出了其组成成分定量分析方法;通过调整钠水玻璃、粉煤灰、偏高岭土、石灰、水泥及稳泡剂的配合比参数，探明了各组分对APCM水化产物组成、发气效果和性能的影响规律，为制备APCM基体提供了重要的参考依据。
　　 研究了轻集料制备技术，通过对污泥化学成分的分析，确定了原料组成设计;通过对污泥TG和DSC分析，掌握污泥焙烧过程特点，依据该特点确定了污泥轻集料预烧制度;通过研究增强组分、焙烧时间和焙烧温度对集料性能的影响，提出了污泥超轻集料制备方法。研究了污泥超轻集料表面功能化处理技术，该技术不仅能够改善集料与基体界面区结构，还能够解决污泥超轻集料上浮问题，使集料与浆体满足密度匹配原则。研究了污泥超轻集料的体积掺量和筒压强度对集料与浆体匹配性的影响，它对污泥超轻集料应用于APCM具有重要的指导意义。
　　 针对APCM孔特性，采用MATLAB开发了基于图像处理技术的孔表征方法;研究了孔特性的计算机识别技术，掌握了反映孔特性图像的栅格形式转化为矢量形式的方法;通过ANSYS模拟不同孔特性的APCM在热传导中温度场的变化，探明孔结构对热传导过程的影响规律，直观的反映了孔形状对热传导的影响;采用分形理论对孔形状进行表征，建立了孔结构与导热系数的数学模型，并成功应用于APCM导热系数的预测。
　　 APCM具有优异的综合性能:干密度429kg/m3;导热系数0.12W/(m·K);抗压强度4.6MPa;收缩值0.20mm·m-1;在干湿循环作用下，劈裂抗拉强度无下降;经历冻融循环，质量损失率为0.90％，抗压强度损失率为8.7％;碳化系数0.89。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 存在的问题与解决方法

1．3．1 存在的问题

1．3．2 解决方法

1．4 研究内容

1．5 研究路线

第2章 APCM的设计原理与方法

2．1 水泥基复合材料特点

2．1．1 水泥基复合材料的组成结构

2．1．2 水泥基复合材料性能特点

2．1．3 性能影响因素分析

2．2 APCM的设计原理

2．2．1 碱激发胶凝材料设计

2．2．2 发气反应

2．2．3 功能组分强化

2．2．4 界面强化

2．3 APCM设计方法

2．3．1 胶凝材料选择

2．3．2 碱激发剂选择

2．3．3 发气剂的选择

2．3．4 集料选择及界面处理方法

2．4 APCM设计方法验证

2．4．1 原材料

2．4．2 试验方法

2．4．3 制备方法

2．4．4 试验结果与分析

第3章 APCM基体的制备与优化研究

3．1 原材料与试验方法

3．1．1 原材料

3．1．2 试验方法

3．2 钠水玻璃对APCM的影响

3．2．1 钠水玻璃对APCM水化产物的影响

3．2．2 钠水玻璃对APCM发气效果的影响

3．2．3 钠水玻璃对APCM性能的影响

3．3 胶凝材料组成对APCM的影响

3．3．1 胶凝材料对APCM水化产物的影响

3．3．2 胶凝材料对APCM发气效果的影响

3．3．3 胶凝材料对APCM性能的影响

3．4 稳泡剂对APCM的影响

第4章 APCM污泥超轻集料强化研究

4．1 污泥超轻集料的开发

4．1．1 轻集料制备机理

4．1．2 轻集料制备及其测试方法

4．1．3 污泥轻集料制备研究

4．2 污泥超轻集料对APCM影响

4．2．1 密度匹配对APCM的影响

4．2．2 体积匹配对APCM的影响

4．2．3 强度匹配对APCM的影响

第5章 APCM的孔与导热模型研究

5．1 APCM的孔特性与表征方法

5．1．1 APCM的孔特性

5．1．2 APCM的孔表征方法

5．2 APCM孔特性图像法表征方法

5．2．1 孔特性图像法表征简介

5．2．2 孔特性图像法表征流程

5．2．3 孔特性图像法表征的GUI

5．2．4 孔特性图像法表征方法验证

5．3 APCM导热模型建立

5．3．1 传统模型

5．3．2 APCM的孔形状图像矢量化

5．3．3 基于ANSYS的导热过程仿真分析

5．3．4 仿真分析结果对比

5．3．5 孔与导热系数模型

第6章 APCM耐久性能研究

6．1 APCM的干湿循环试验研究

6．1．1 试验设备与试验方法

6．1．2 试验结果与分析

6．2 APCM的抗冻性试验研究

6．2．1 试验设备与试验方法

6．2．2 试验结果与分析

6．3 APCM的碳化试验研究

6．3．1 试验设备与试验方法

6．3．2 试验结果与分析

第7章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及参研项目

致谢