纳米气凝胶改性水泥基材料耐高温性能试验研究及其应用

摘要

水泥基材料属于不可燃材料，在火灾中(高温下)不产生烟雾和有毒气体，但高温下水泥基材料自身发生的物理及化学变化使结构产生严重的破坏，降低其耐久性以及安全性，造成重大的人员伤亡与财产损失。纳米气（硅）凝胶由于其极低的导热性能(导热系数为0.017W/m·K，低于空气的导热系数0.026W/m·K)，正在成为一种新型的隔热材料。浙江大学徐世娘科研团队研发的超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites，UHTCC)有着高强高韧的特性，本文在UHTCC的基础上通过纳米气凝胶改性，提升材料保温隔热性能，并分析纳米气凝胶改性水泥基材料保温、防火、结构性能一体化的可行性。
　　1、在UHTCC基体中掺入体积掺量为20％、30％和40％的纳米气凝胶复合材料，常温状态下测得导热系数最低可至0.2614W/m·K，将其在ISO834标准升温状态下高温处理1小时后，发现材料未出现爆裂现象，剩余抗压强度最高可达9.82MPa，剩余抗折强度最高可达3.33MPa。
　　2、根据规范《纤维水泥夹芯复合墙板》(JC/T1055-2007)设计一种纳米气凝胶改性水泥基复合板，结合ANSYS模拟验证其抗压强度、抗弯破坏荷载、导热系数均符合规范要求。
　　3、将掺有体积掺量为20％、30％和40％的纳米气凝胶复合材料的纳米气凝胶改性水泥基材料置于ISO834标准升温状态下进行高温处理，通过内部指定点的升温情况研究其隔热性能，并建立一种厚型防火材料火灾情况下内部升温模型。
　　4、将掺有体积掺量为40％的纳米气凝胶复合材料的纳米气凝胶改性水泥基材料作为防火涂料涂至墙板上进行真实火灾试验，与四川天府防火材料进行对比发现其具有良好的隔热性能，并且与墙体面板间粘结性良好，实际使用安全性高。
　　5、利用ANSYS计算并对比混凝土板以及纳米气凝胶改性水泥基复合板在火灾情况下的温度场分布情况，发现复合板整体隔热性能远高于混凝土板，在火灾中3小时后，夹心层温度在400℃以下，依旧能保持一定的结构性能。
　　6、利用环境扫描电子显微镜对纳米气凝胶、纳米气凝胶复合材料、纳米气凝胶改性水泥基材料、超高韧性水泥基材料(UHTCC)、四川天府防火材料的微观结构进行了观察及相互比较，研究纳米气凝胶的作用机理。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 纳米技术、材料、结杓研究现状

1．1．1 纳米技术及相关定义

1．1．2 纳米材料、结构的性能

1．1．3 纳米气凝胶

1．2 水泥基材料耐高温性能研究现状

1．2．1 水泥基材料高温破坏情况

1．2．2 纤维改性水泥基材料及其耐高温性能

1．2．3 超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)简介

1．3 纳米材料与技术在水泥基材料中的应用

1．3．1 水泥基材料中的纳米工程

1．3．2 水泥基材料纳米结构表面观测技术

1．3．3 纳米气凝胶在建筑材料中的应用

1．4 研究目的和内容

2 纳米气凝胶改性水泥基材料基本力学性能研究

2．2．1 试验原材料

2．2．2 试件制作与成型

2．2．3 试验方案

2．3 破坏情况

2．4 压缩性能

2．5 弯曲性能

2．6 本章小结

3 纳米气凝胶改性水泥基复合板有限元分析

3．1 引言

3．2 导热性能测试

3．3 纳米气凝胶改性水泥基复合板尺寸设计

3．4 纳米改性水泥基复合板相关性能检验

3．5 本章小结

4 纳米气凝胶改性水泥基材料隔热性能研究

4．1 引言

4．2 试验概况

4．2．1 试验原材料

4．2．2 试件制作与成型

4．2．3 试验方案

4．3 隔热性能

4．4 本章小结

5 纳米气凝胶改性水泥基防火涂层性能研究

5．1 引言

5．2 试验概况

5．2．1 试验原材料

5．2．2 试件制作与成型

5．2．3 试验方案

5．3 防火性能

5．3．1 升温情况

5．3．2 防火涂料破坏情况

5．4 本章小结

6 纳米气凝胶改性水泥基材料隔热性能有限元分析

6．1 引言

6．2 基本假设

6．3 热工参数

6．4 火灾中温度场模拟

6．5 本章小结

7 纳米气凝胶改性水泥基材料微观性能研究

7．1 引言

7．2 试验概况

7．4 纳米气凝胶复合材料微观结构

7．5 纳米气凝胶改性水泥基材料微观结构

7．6 纳米气凝胶作用机理分析

7．6．1 增强机理

7．6．2 隔热机理

7．7 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

8．3 创新点

参考文献

作者简介和科研成果