低温环境下新型建筑材料的研究方法

摘要

本发明涉及一种低温环境下新型建筑材料的研究方法，具体如下：(1)试件制作方法；(2)测定数据；(3)具体过程为：(3a)进行派克瑞特的力学性能测试；(3b)进行纤维改良方案；(3c)凝胶改良方案；(3d)循环冻融实验。本发明技术方法，通过建立数学模型，推导数学公式等方法，深入探究了建筑材料的性质，得出了新型低温建筑材料的最佳配比区间范围明胶(50%~60%):CMC(38%~45%):PAM(2%~5%)。在该配比下的冰冻报纸试样中，抗压强度平均值可达34~36MPa，基本可以满足一般的低温建筑的需求；同时，试样的抗折强度约为混凝土试样的1.8倍，韧性较高，可优化特殊环境下的建筑技术。

说明书

技术领域

本发明涉及低温环境下新型建筑材料的研究方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

随着时代的进步和科学技术的逐步发展，低温深冷环境下的土木工程建设正在兴起。混凝土是一种常用的建筑材料，但在低温环境下易受冻融剥蚀，导致其结构损伤；高强度钢材在低温环境下塑性和韧性也显著变差。因此，一种新型符合可持续发展要求的低温建筑材料需要被开发和利用。

派克瑞特(Pykrete)是一种新型复合材料，由14%的木屑和86%的水(质量比)构成。有文献报道，低温冷冻处理后的派克瑞特有两大特性：一是有较高的强度，甚至可以防弹；二是因其导热率较低，致融化速度极慢。本课题通过改进材料的配方，使用报纸代替木屑并进行对比实验，成功制成了一种具有强度高、韧性好、养护时间短、成本低廉等特点的复合材料。该复合材料可用于低温建筑领域，符合可持续发展的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温环境下新型建筑材料的研究方法，以便建立数学模型，推导数学公式等方法，深入探究了建筑材料的性质，并得出最佳配比。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。 

一种低温环境下新型建筑材料的研究方法，具体如下：

    (1)试件制作方法：称取计算量的木屑或报纸于容器中，注入蒸馏水，使材料与水充分接触并排出气泡；待其吸水完全后再缓缓转移至模具中；送入低温冷冻室并调节合适的温度；冷冻48小时后即可取出试件。

(2)测定数据：按GB/T 50107-2010、GB/T 50081-2002等规定测定复合材料的抗压强度、抗折强度和压折比。

(3)具体过程为：

(3a)进行派克瑞特的力学性能测试； 

(3b)进行纤维改良方案：采用纤维改良方案，使用纤维更长的报纸替代木屑，测定其力学性能并分析数据。纤维更长的报纸其结构难以在重压之下遭受破坏，其抗压和抗折强度较派克瑞特而言大幅提高。报纸在低温状态下韧性高而不至于冻裂，是一种更为理想的低温建筑材料，符合可持续发展的要求。然而，纸张中纤维之间的羟基以氢键结合，这种结合不仅键能比较低，而且很容易被水分子破坏。因此，我们向报纸中加入凝胶，增强纸纤维结合力，完善这种复合材料；

 (3c)凝胶改良方案：选取以下四种凝胶进行研究：羧甲基纤维素钠(CMC)：在水溶液中主要以阴离子的形式存在，粘度可达2000。聚丙烯酰胺(PAM)：在水溶液中主要以阳离子的形式存在，常用作絮凝剂。明胶：能和CMC形成共聚物，易凝冻，具有生物可降解性，无毒无污染。琼脂：广泛应用的凝固剂，增稠剂，易凝冻。分别使用磁力加热搅拌器在60~80℃下配置四种凝胶，溶解完全后冷却至室温，观察现象。将计算量的凝胶与报纸充分混合，在低温环境下凝结塑形，通过测试其力学强度，选择最合适的材料配比.配置了明胶和CMC的混合凝胶，并引进少量PAM(2%~5%)，从而使CMC在水中更好溶解。推导出CMC占凝胶质量比(x∈[0,0.6])对报纸力学性能影响的拟合公式：

    f_cug=-0.028x²+0.2631x+0.811   R₁²=0.9491          (1)

  f_fg=-0.027x²+0.2756x+0.941  R₂²=0.9829             (2)

σ_cug/fg=-0.0044x³+0.0445x²-0.1325x+0.99   R₃²=0.932          (3)

在抗压和抗折强度最优值附近的区间范围之内进行了反复实验，得出凝胶的最佳配比为明胶(50%~60%) : CMC (38%~45%): PAM (2%~5%)。在该配比下的冰冻报纸试样中，抗压强度平均值可达34~36MPa，满足一般的低温建筑的需求；同时，试样的抗折强度约为混凝土试样的1.8倍，韧性较高，可优化特殊环境下的建筑技术。

(3d)循环冻融实验：

混凝土在低温循环冻融实验中强度大大降低，本发明实施例也对比进行了低温循环冻融测试，冻融循环温度为-40℃~0℃；分别测定其抗压强度和抗折强度，与原试件进行数据比对，分别计算比值，发现派克瑞特和报纸在测试中强度变化不大，可以循环使用，符合可持续发展的要求。

该发明的有益效果在于： 本发明技术方法，通过建立数学模型，推导数学公式等方法，深入探究了建筑材料的性质，具有以下效果：(1)纤维重叠可以显著增强材料强度，纤维的长度和纤维间结合力影响了材料性能。(2)CMC对纸纤维结合力的增强显著，原因是CMC在水中电离后产生的羧基与纤维上的羟基发生化学水合作用增强了纤维间的结合力。(3)明胶对纸纤维结合力的提高也很显著，原因是明胶能与纤维以离子键或共价键结合，这些键的形成使得纸纤维间的结合力增大，键能升高，从而使纸张的物理强度得以提高。(4)在-40℃~0℃低温冻融循环10次后，混凝土抗压强度下降了约11.8%，抗折强度下降了约41.2%，而派克瑞特和报纸几乎无影响，说明这种新型低温建筑材料能够耐冻融循环，符合可持续发展的目的。(5)得出了新型低温建筑材料的最佳配比区间范围明胶(50%~60%) : CMC (38%~45%): PAM (2%~5%)。在该配比下的冰冻报纸试样中，抗压强度平均值可达34~36MPa，已基本可以满足一般的低温建筑的需求；同时，试样的抗折强度约为混凝土试样的1.8倍，韧性较高，可优化特殊环境下的建筑技术。

附图说明

图1 是本发明实施例中派克瑞特的抗压强度曲线图。

图2 是本发明实施例中派克瑞特的抗折强度曲线图。

图3 是本发明实施例中冰冻报纸的抗压强度曲线图。

图4 是本发明实施例中冰冻报纸的抗折强度曲线图。

图5 是本发明实施例中报纸、派克瑞特和混凝土的力学性质比较图。

图6 是本发明实施例中凝胶改性派克瑞特抗压强度增加值图。

图7 是本发明实施例中凝胶改性派克瑞特抗折强度增加值图。

图8 是本发明实施例中凝胶改性报纸抗压强度增加值图。

图9 是本发明实施例中凝胶改性报纸抗折强度增加值图。

图10 是本发明实施例中CMC占凝胶质量比对报纸力学性能的影响图。

图11 是本发明实施例中新型低温建筑材料的最佳配比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

    低温环境下新型建筑材料的研究方法，具体如下：

    (1)主要试剂和仪器：聚丙烯酰胺[CH₂CH(CONH₂)]_n，天津福晨化学试剂厂；羧甲基纤维素钠R_nOCH₂COONa，天津致远化学试剂厂；食用明胶C₁₀₂H₁₅₁O₃₉N₃₁；天津博迪化工公司；琼脂(C₁₂H₁₈O₉)_n；上海国药集团。以上试剂均为分析纯。万能材料试验仪(1000kN)；低温冷冻室；磁力加热搅拌器。

(2)试件制作方法：称取计算量的木屑或报纸于容器中，注入蒸馏水，使材料与水充分接触并排出气泡；待其吸水完全后再缓缓转移至模具中；送入低温冷冻室并调节合适的温度；冷冻48小时后即可取出试件。

(3)测定数据：按GB/T 50107-2010、GB/T 50081-2002等规定测定复合材料的抗压强度、抗折强度和压折比。

(3a)材料抗压强度的计算方法：

试件规格：150mm×150mm×150mm；

抗压强度计算式：

           f_cu=P/A                   (1-1)；

式中：f_cu—试件抗压强度 (MPa)；

P—试件抗压荷载(N)；

A—试件承压面积(mm²)；

(3b)材料抗折强度的计算方法：

试件规格：150mm×150mm×550mm；

抗折强度计算式：

           f_f =(Fl)/(bh²)                (1-2)

式中：f_f—试件抗折强度 (MPa) ；F—试件破坏荷载 (N)；

l—支座间跨度(mm)；h—试件截面高度(mm)；b—试件截面宽度 (mm)；

(3c)材料压折比的计算方法：

压折比计算式：

     σ_cu/f=f_cu/f_f                          (1-3)

式中：σ_cu/f—试件压折比；

(4)具体过程为：

(4a)派克瑞特的力学性能测试：

制作派克瑞特试件，使用仪器测定其力学性能，并记录数据于表1中。图1 是本发明实施例中派克瑞特的抗压强度曲线图。图2 是本发明实施例中派克瑞特的抗折强度曲线图。

表1  派克瑞特力学数据的测定

数据显示这种材料具有高耐压、耐拉强度，压折比小，韧性好。数据标准差小，说明样本测量精确有效。通过观察断裂面，可初步得出结论：木屑的纤维重叠使材料力学性能大大增强。然而，木质纤维较短，纤维间结合力较弱，因此我们进行纤维改良方案。

(4b)纤维改良方案：

从微观意义来说，纤维长度和纤维间结合力决定着复合材料的性能。纤维改性混凝土拥有很好的抗折性能。采用纤维改良方案，使用纤维更长的报纸替代木屑，测定其力学性能并分析数据，分别为表2、表3。图3 是本发明实施例中冰冻报纸的抗压强度曲线图。图4 是本发明实施例中冰冻报纸的抗折强度曲线图。图5 是本发明实施例中报纸、派克瑞特和混凝土的力学性质比较图。

表2 冰冻报纸的力学数据的测定

表3 报纸、派克瑞特和混凝土的性质比较

以上数据说明：纤维更长的报纸其结构难以在重压之下遭受破坏，其抗压和抗折强度较派克瑞特而言大幅提高。报纸在低温状态下韧性高而不至于冻裂，是一种更为理想的低温建筑材料，符合可持续发展的要求。

然而，纸张中纤维之间的羟基以氢键结合，这种结合不仅键能比较低，而且很容易被水分子破坏。因此，我们向报纸中加入凝胶，增强纸纤维结合力，完善这种复合材料。

    (4c)凝胶改良方案：

凝胶改性混凝土是一种正在研发和完善的新方案，能够有效提高混凝土的强度；同时，凝胶在造纸工业中的用途更为广泛。本课题进行了凝胶的专项研究，数据详实丰富。

选取了以下四种凝胶进行研究：羧甲基纤维素钠(CMC)：在水溶液中主要以阴离子的形式存在，粘度可达2000。聚丙烯酰胺(PAM)：在水溶液中主要以阳离子的形式存在，常用作絮凝剂。明胶：能和CMC形成共聚物，易凝冻，具有生物可降解性，无毒无污染。琼脂：广泛应用的凝固剂，增稠剂，易凝冻。

分别使用磁力加热搅拌器在60~80℃下配置四种凝胶，溶解完全后冷却至室温，观察现象。将数据记录于表4中。

表4 凝胶性质的实验研究

将计算量的凝胶与报纸充分混合，在低温环境下凝结塑形，通过测试其力学强度，选择最合适的材料配比，数据记录于表5中。图6 是本发明实施例中凝胶改性派克瑞特抗压强度增加值图。图7 是本发明实施例中凝胶改性派克瑞特抗折强度增加值图。图8 是本发明实施例中凝胶改性报纸抗压强度增加值图。图9 是本发明实施例中凝胶改性报纸抗折强度增加值图。

表5 不同种类的凝胶对派克瑞特、报纸强度的影响

根据以上数据发现，CMC对纤维结合力的增强最为显著，原因是CMC在水中电离后产生的羧基与纤维上的羟基发生化学水合作用增强了纤维间的结合力。明胶对纸纤维结合力的提高也很显著，原因是明胶能与纤维以离子键或共价键，这些键的形成使得纸纤维间的结合力增大，键能升高，从而使纸张的物理强度得以提高。

根据以上性质，配置了明胶和CMC的混合凝胶，并引进少量PAM(2%~5%)，从而使CMC在水中更好溶解。经过多次实验，得到表6中的数据。图10 是本发明实施例中CMC占凝胶质量比对报纸力学性能的影响图。

表6 CMC占凝胶质量比对报纸强度的影响

根据以上数据，推导了CMC占凝胶质量比(x∈[0,0.6])对报纸力学性能影响的拟合公式：

   f_cug=-0.028x²+0.2631x+0.811   R₁²=0.9491          (1)

  f_fg=-0.027x²+0.2756x+0.941  R₂²=0.9829             (2)

σ_cug/fg=-0.0044x³+0.0445x²-0.1325x+0.99   R₃²=0.932          (3)

研究了上述拟合公式，在抗压和抗折强度最优值附近的区间范围之内进行了反复实验，得出凝胶的最佳配比为明胶(50%~60%) : CMC (38%~45%): PAM (2%~5%)。在该配比下的冰冻报纸试样中，抗压强度平均值可达34~36MPa，已基本可以满足一般的低温建筑的需求；同时，试样的抗折强度约为混凝土试样的1.8倍，韧性较高，可优化特殊环境下的建筑技术。图11 是本发明实施例中新型低温建筑材料的最佳配比图。

(4d)循环冻融实验：

混凝土在低温循环冻融实验中强度大大降低，本发明实施例也对比进行了低温循环冻融测试，冻融循环温度为-40℃~0℃；分别测定其抗压强度和抗折强度，与原试件进行数据比对，分别计算比值，发现派克瑞特和报纸在测试中强度变化不大，可以循环使用，符合可持续发展的要求。

表7低温循环冻融实验对材料力学性能的影响

(4e)非标准试样换算系数：

GB/T50107-2010中规定，标准测试试件大小为150mm×150mm×150mm，在非标准状态下可以利用换算系数乘以该状态的抗压强度来计算C60以下混凝土强度。100mm×100mm×100mm的试样的换算系数为0.95；200mm×200mm×200mm的试样的换算系数为1.05。为了便于计算，本实施例也分别取以上两种非标准试样测定了换算系数，反应了该种材料强度的尺寸效应，列表如下；

表8  非标准试样抗压强度换算系数

(5)分析与结论：

①派克瑞特的抗压强度约为12.25MPa，抗折强度约为5.06MPa，压折比约为2.43。

②冰冻报纸的抗压强度约为21.70MPa，抗折强度约为8.04MPa，压折比约为2.71。

③纤维重叠可以显著增强材料强度，纤维的长度和纤维间结合力影响了材料性能。

④CMC对纸纤维结合力的增强显著，原因是CMC在水中电离后产生的羧基与纤维上的羟基发生化学水合作用增强了纤维间的结合力。

⑤明胶对纸纤维结合力的提高也很显著，原因是明胶能与纤维以离子键或共价键结合，这些键的形成使得纸纤维间的结合力增大，键能升高，从而使纸张的物理强度得以提高。

⑥在-40℃~0℃低温冻融循环10次后，混凝土抗压强度下降了约11.8%，抗折强度下降了约41.2%，而派克瑞特和报纸几乎无影响，说明这种新型低温建筑材料能够耐冻融循环，符合可持续发展的目的。

⑦得出的新型低温建筑材料的最佳配比区间范围是：明胶(50%~60%): CMC (38%~45%): PAM (2%~5%)。在该配比下的冰冻报纸试样中，抗压强度平均值可达34.00~36.00MPa，已基本可以满足一般的低温建筑的需求；同时，试样的抗折强度约为混凝土试样的1.8倍，韧性较高，可优化特殊环境下的建筑技术。

    以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。