摻入鎢酸鋯水泥砂漿的宏觀熱學(xué)性能的研究

楊 挺

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

1 概 述

針對(duì)研究?jī)?nèi)容“摻入鎢酸鋯水泥砂漿熱膨脹性能的研究”進(jìn)行水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)。具體采用應(yīng)變片法測(cè)量水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)[1]，對(duì)試驗(yàn)后獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，從而對(duì)不同摻量的鎢酸鋯水泥砂漿熱膨脹性能進(jìn)行研究。

2 熱膨脹系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

設(shè)某試件的一段初始長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，初始溫度為T0，當(dāng)對(duì)該試件進(jìn)行加熱或降溫一段時(shí)間后，試件的最終溫度變?yōu)門1，最終長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，則該試件在(T0，T1)溫度內(nèi)的平均線性熱膨脹系數(shù)為：

(1)

一般來說，對(duì)于粘貼在試件上的應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化為ΔT時(shí)，其輸出應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(2)

式中：εp為電阻應(yīng)變片的視應(yīng)變；φs為電阻應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)；αs為電阻應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)；Ks為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；α為試件材料的線膨脹系數(shù)。

上述系數(shù)中的φs、αs和Ks均與溫度有關(guān)，因此根據(jù)式(2)很難求出試件材料的線膨脹系數(shù)α。另外，影響輸出熱應(yīng)變值的因素還有連接應(yīng)變片的導(dǎo)線長(zhǎng)度以及應(yīng)變片與試件表面的膠層厚度[2]。為了消除由于溫度變化引起的熱輸出干擾因素的影響，可以采用橋路補(bǔ)償法。正確操作是在已知熱膨脹系數(shù)的參照材料上粘貼同樣的應(yīng)變片作為補(bǔ)償片。將補(bǔ)償片和工作片連接在單臂電橋相鄰臂，見圖1。

圖1 工作應(yīng)變片和補(bǔ)償片的單臂電橋接線圖

理論上，工作片和補(bǔ)償片除了兩者之間粘貼的材料不同之外，其他的因素全部都要相同。比如工作片和補(bǔ)償片必須處于同一溫度條件下；導(dǎo)線長(zhǎng)度相等并且環(huán)境溫度也相同。為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，特選擇將補(bǔ)償片粘貼在已知線性熱膨脹系數(shù)較低的石英玻璃片的表面上[3]。

設(shè)石英片的線性熱膨脹系數(shù)為αc，補(bǔ)償片的輸出視應(yīng)變?chǔ)與為：

(3)

當(dāng)按照?qǐng)D1將工作片和補(bǔ)償片聯(lián)接成半橋時(shí)，根據(jù)電橋原理，電橋輸出值ε即為εp和εc之差。由式(2)和式(3)相減可得：

ε=(α-αc)ΔT

(4)

根據(jù)式(4)不難發(fā)現(xiàn)，在已知αc的條件下，ε與ΔT是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，理論上就可以由電橋輸出值ε得到任意溫度區(qū)域內(nèi)被測(cè)材料的平均線性熱膨脹系數(shù)α。

2.2 試驗(yàn)器材

本試驗(yàn)所需的主要器材來源于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室和市場(chǎng)上采購(gòu)，且材料質(zhì)量有保證。

1) DH3818靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀。本儀器來源于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，購(gòu)置于江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司。適用應(yīng)變片電阻值為50～10 000 Ω；測(cè)量應(yīng)變范圍±19 999 με；最高分辨率為1 με，滿足試驗(yàn)精度要求。見圖2。

2) 烤箱。因應(yīng)變測(cè)量要保證絕對(duì)干燥，所以為保證試驗(yàn)?zāi)軌蛘＿M(jìn)行，決定采用烤箱作為加熱設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行加熱[4]。烤箱容積約30 L，加熱溫度可達(dá)100℃～200℃；溫控精度為1℃。

3) 數(shù)顯溫度計(jì)。本次試驗(yàn)選取電池型金屬線5 m無螺紋探頭數(shù)顯溫度計(jì)；可測(cè)量范圍-50℃～200℃；顯示精度0.1℃。

4) 應(yīng)變片。本次試驗(yàn)主要測(cè)量水泥砂漿試件一段長(zhǎng)度的平均線膨脹系數(shù)，故采用的應(yīng)變片長(zhǎng)度應(yīng)較長(zhǎng)，這樣才能更加精確地反映砂漿試件的線膨脹系數(shù)[5]。

本次試驗(yàn)選擇的應(yīng)變片為BX120-100AA，已焊接好引線；基地尺寸108 mm×6 mm，絲柵尺寸100 mm×3 mm。

圖2 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀

5) 石英玻璃片。石英玻璃是一種比較常用的參照材料，這種材料線膨脹系數(shù)小，僅為5.4×10-7/℃，而且重現(xiàn)性好，幾乎不隨溫度變化[6]，因此本試驗(yàn)中選擇石英玻璃作為參考材料。作為參照的石英玻璃片尺寸為150 mm×15 mm×2 mm。

2.3 試件制作

本試驗(yàn)試件種類為7組摻入不同量鎢酸鋯水泥砂漿(設(shè)計(jì)齡期為28 d)，每組3個(gè)試件，試件尺寸為160 mm×40 mm×40 mm。試驗(yàn)前需要風(fēng)干砂漿試件，待其風(fēng)干后，利用砂紙將每組試件的長(zhǎng)度方向上的兩個(gè)表面中軸處打磨平整以便貼上應(yīng)變片[7]。

選取BX120-100AA型號(hào)應(yīng)變片，每組3個(gè)試件作為測(cè)量件，在其打磨平整后的位置使用環(huán)氧膠將測(cè)量應(yīng)變片粘貼在試件上，膠層要盡可能薄，以便消除膠粘劑熱敏性造成的影響。而且要將應(yīng)變片與膠層中間的氣泡趕出，使應(yīng)變片與試件充分接觸，測(cè)出值才能真實(shí)反映試件材料的應(yīng)變隨溫度的變化。另外選取長(zhǎng)150 mm、寬15 mm、厚2 mm的石英玻璃片作為參照材料，在其表面粘貼上與砂漿試件同規(guī)格的應(yīng)變片。待測(cè)量件和石英玻璃表面的應(yīng)變片固定后，在應(yīng)變片表面涂上一層薄的環(huán)氧膠，以達(dá)到防水的目的。最后焊接導(dǎo)線，為保證除了鎢酸鋯摻入量不同之外的其他因素都相同，所有應(yīng)變片的連接導(dǎo)線采取相同的長(zhǎng)度[8]。

2.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，焊接待測(cè)件和石英玻璃片表面上的應(yīng)變片所附帶的引用導(dǎo)線，并用導(dǎo)線聯(lián)接到靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀上的相應(yīng)通道。焊接具體操作為：先在砂漿試件上用502膠水粘貼一個(gè)接線端子(貼近應(yīng)變片的引用導(dǎo)線)，采取小型手工電焊對(duì)導(dǎo)線端頭進(jìn)行焊接，注意焊接時(shí)要形成一個(gè)回路。

試驗(yàn)中的加熱設(shè)備采用烤箱，見圖3。

圖3 烤箱加熱過程

由于烤箱無法顯示內(nèi)部準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，因此選取一種帶有探頭的數(shù)顯溫度計(jì)對(duì)烤箱內(nèi)部進(jìn)行測(cè)溫，即把探頭放到砂漿試件的表面上，隨著烤箱開關(guān)的啟動(dòng)，整個(gè)烤箱內(nèi)部溫度升高，數(shù)顯溫度計(jì)上就可以準(zhǔn)確顯示內(nèi)部的溫度[9]。試驗(yàn)前，將每組已經(jīng)制作好的試件全部或是單個(gè)放入到烤箱內(nèi)部，同時(shí)也將數(shù)顯溫度計(jì)上的探頭放到砂漿表面，并開啟溫度計(jì)上的開關(guān)。試驗(yàn)中，使用應(yīng)變儀(圖4)讀取數(shù)據(jù)。

圖4 應(yīng)變儀測(cè)量應(yīng)變過程

最后檢測(cè)所用通道，再將應(yīng)變儀在室溫狀態(tài)下調(diào)零，并記錄下整個(gè)試驗(yàn)的初始溫度。打開烤箱開關(guān)，加熱30 min，使烤箱內(nèi)部的溫度升高，在整個(gè)試驗(yàn)加熱過程中，記錄數(shù)顯溫度計(jì)上的溫度數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的應(yīng)變儀讀數(shù)，將其作為整個(gè)試件的溫度和在該溫度下的應(yīng)變值[10]。

3 熱膨脹系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

摻入不同量的鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱膨脹系數(shù)采用應(yīng)變片法測(cè)量，其數(shù)值等于砂漿試件的應(yīng)變值比上溫度增量，即α=ε/ΔT。圖5(a)～圖5(g)分別對(duì)應(yīng)為鎢酸鋯摻量是0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%的水泥砂漿應(yīng)變值隨溫度增量(以室內(nèi)溫度為初始溫度)的變化過程。需要說明的是按試驗(yàn)相關(guān)規(guī)程要求，超過平均值10%的測(cè)值屬于無效數(shù)據(jù)，不計(jì)入。故采用余下可計(jì)入的數(shù)據(jù)作為摻入不同量的鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 各摻量下鎢酸鋯水泥砂漿試件溫度-應(yīng)變過程線

3.2 結(jié)果分析

從圖5各圖的變化可知，對(duì)于一定摻量下的鎢酸鋯水泥砂漿試件，其熱應(yīng)變值總是隨著溫度增量的增加而上升，這當(dāng)然也符合熱膨脹系數(shù)的數(shù)學(xué)公式，但是比較圖5各圖的熱應(yīng)變可以觀察到，一般情況下，隨著ZrW2O8的比例增加，其熱應(yīng)變值逐漸從大約800×10-6降低至200×10-6。另外，從公式上來看，熱應(yīng)變隨著溫度發(fā)展的曲線應(yīng)該是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，但是在相對(duì)較低水平的溫度增量下，不超過80℃，鎢酸鋯水泥砂漿的熱應(yīng)變值保持穩(wěn)定上升。然而當(dāng)溫度適度上升至100℃或者更高時(shí)，所有鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱應(yīng)變值開始隨著ZrW2O8的摻入而迅速降低，并且摻入的比例越多，其熱應(yīng)變降低的響應(yīng)就越明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度不超過80℃的情況下，摻入到水泥砂漿中的ZrW2O8并沒有發(fā)揮代替砂來降低砂漿熱膨脹系數(shù)的效果，在影響水泥砂漿復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)時(shí)，ZrW2O8和砂扮演著相同的角色。在此之后，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，超過80℃，摻入到水泥砂漿的ZrW2O8開始發(fā)生負(fù)熱膨脹(NTE)的補(bǔ)償效應(yīng)，并且隨著鎢酸鋯摻量的不同，在同等溫度的增量下，其熱應(yīng)變也表現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)效果。因此，摻入鎢酸鋯的水泥基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)是一個(gè)關(guān)于環(huán)境溫度的函數(shù)，不是一個(gè)恒定常數(shù)。而在國(guó)內(nèi)土木工程實(shí)際應(yīng)用中，大壩、橋梁、建筑等大多數(shù)環(huán)境溫度或者熱負(fù)荷都低于80℃，這對(duì)于鎢酸鋯被應(yīng)用于土木工程中減少熱應(yīng)力或熱變形還存在較大的困難。

根據(jù)圖5各圖的數(shù)據(jù)，選擇摻量相同鎢酸鋯水泥砂漿試件所測(cè)得的熱膨脹系數(shù)的平均值作為本組試驗(yàn)的結(jié)果，見表1。

故標(biāo)準(zhǔn)水泥砂漿摻入不同量的鎢酸鋯后制備的鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果見圖6。

表1 28 d齡期下鎢酸鋯摻量對(duì)砂漿熱膨脹性能影響

圖6 28 d齡期下鎢酸鋯摻量對(duì)砂漿熱膨脹性能影響

由圖6可知，隨著添加相鎢酸鋯的顆粒含量的增加，鎢酸鋯水泥砂漿試件的熱膨脹系數(shù)逐漸減低，當(dāng)m(ZrW2O8)∶m(C)≥30∶100后，其熱膨脹系數(shù)曲線大致趨于平緩。

從表1和圖6可以看出，未摻入鎢酸鋯的水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)最大，為8.64×10-6/℃。當(dāng)摻入一定量的鎢酸鋯后，水泥砂漿材料的熱膨脹系數(shù)大大降低。故ZrW2O8與水泥按照質(zhì)量份比30∶100混合制備水泥砂漿時(shí)，水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)達(dá)到最佳。

摻鎢酸鋯的水泥復(fù)合材料砂漿試件熱膨脹系數(shù)的降低，主要有兩方面的原因：一是由于ZrW2O8粉體本身具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)，表現(xiàn)為負(fù)熱膨脹性。由于復(fù)合材料性能的相補(bǔ)效應(yīng)，復(fù)合體系的線膨脹降低。二是在制備摻入鎢酸鋯水泥砂漿試件的過程中，由于鎢酸鋯本身的顆粒體積較小，平均粒徑僅為4～7 μm[32]，比水泥砂漿中各組成的成分粒徑都要小，ZrW2O8粉體能夠充分分散于水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂及水化產(chǎn)物中，填充了水泥砂漿硬化過程中產(chǎn)生的孔隙，使得ZrW2O8粉體與水泥水化物結(jié)合緊密，從而有效阻止了水泥砂漿在受到外界熱荷載時(shí)的膨脹。

另外，隨著負(fù)熱膨脹材料ZrW2O8比例的增加，其填充體積增大，水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)降低。當(dāng)m(ZrW2O8)∶m(C)=30∶100時(shí)，摻入鎢酸鋯水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)由原來的8.64×10-6/℃降低至3.73×10-6/℃，與未摻入鎢酸鋯的水泥砂漿相比，水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)降低了56.83%，相當(dāng)于增加了30%的鎢酸鋯摻入量。同時(shí)考慮到使用鎢酸鋯的成本價(jià)格，選擇ZrW2O8與水泥按照質(zhì)量份比30∶100混合制備水泥砂漿，能夠有效降低其熱膨脹系數(shù)達(dá)57%左右。綜上所述，可以得出如下結(jié)論：

1) 只有當(dāng)環(huán)境溫度大于80℃時(shí)，ZrW2O8的負(fù)熱膨脹特性對(duì)水泥基復(fù)合材料中的正熱膨脹的補(bǔ)償作用才是有效的，否則ZrW2O8在熱響應(yīng)中可以被看作是砂。

2) 通過改變添加ZrW2O8摻入量的比例，可以使水泥基復(fù)合材料具有可調(diào)的、極低的熱膨脹系數(shù)，從8.64×10-6/℃到2.48×10-6/℃。試驗(yàn)研究表明，摻鎢酸鋯水泥復(fù)合材料砂漿試件熱膨脹系數(shù)降低的程度隨鎢酸鋯摻入比例的增加而逐漸降低，直至趨于穩(wěn)定。

當(dāng)然，僅僅考慮降低水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)這個(gè)熱學(xué)參數(shù)是不夠的，需要結(jié)合摻入鎢酸鋯水泥砂漿的力學(xué)性能(抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度)來綜合考慮，選擇既能夠最大限度地降低水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)，又能最低限度地影響水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的添加量[11]。

4 復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)理論預(yù)測(cè)

對(duì)于摻入鎢酸鋯水泥砂漿試件，已經(jīng)通過應(yīng)變片法測(cè)量水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)。但僅從實(shí)驗(yàn)方面獲取水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的數(shù)值，并不能完全解決試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠的疑問。所以本文根據(jù)混合律，從水泥基復(fù)合材料的組成成分出發(fā)，在理論上求出摻入鎢酸鋯水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的理論值，進(jìn)而與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，側(cè)面證明實(shí)驗(yàn)值的準(zhǔn)確性和可靠性。

根據(jù)混合律，鎢酸鋯水泥砂漿的熱膨脹系數(shù)可近似用水泥石、砂和鎢酸鋯的熱膨脹系數(shù)的加權(quán)平均值表示：

(5)

1=Vp+Vs+Vg

(6)

式中：αp、αs、αg分別為水泥石、砂和鎢酸鋯的熱膨脹系數(shù)；Ep、Es、Eg分別為水泥石、砂和鎢酸鋯的彈性模量；Vp、Vs、Vg分別為水泥石、砂和鎢酸鋯的體積率。

由式(5)和式(6)可以推算出鎢酸鋯水泥砂漿熱膨脹系數(shù)的理論預(yù)測(cè)值。通過查找相關(guān)文獻(xiàn)及資料發(fā)現(xiàn)，硬化水泥石的熱膨脹系數(shù)約在(15～20)×10-6/℃之間[12]，砂的熱膨脹系數(shù)為(11～12)×10-6/℃[13-14]，鎢酸鋯在本文第一章已介紹其熱膨脹系數(shù)為-8.7×10-6/℃。

當(dāng)未摻入鎢酸鋯時(shí)，將水泥砂漿復(fù)合材料中各成分熱膨脹系數(shù)的常規(guī)數(shù)值代入上述公式，計(jì)算出其值為8.93×10-6/℃，當(dāng)m(ZrW2O8)∶m(C)=30∶100時(shí)，其值為4.08×10-6/℃。研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)測(cè)量值與理論預(yù)測(cè)值雖然存在一點(diǎn)偏差，但大致接近，可以證明試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。偏差大致產(chǎn)生的原因包括以下幾點(diǎn)：

1) 應(yīng)變片法本身就有允許誤差。因?yàn)閼?yīng)變片測(cè)量的變形僅僅代表試件表面所粘貼長(zhǎng)度的平均線應(yīng)變，不能代替整個(gè)試件由于加熱所產(chǎn)生的熱應(yīng)變。

2) 由于本試驗(yàn)采取石英玻璃片作為補(bǔ)償材料，熱膨脹系數(shù)極小，與被測(cè)材料的熱膨脹系數(shù)之差越大，測(cè)量的結(jié)果將會(huì)越接近真實(shí)值。

3) 應(yīng)變片的粘貼效果也能夠很好地反映材料的熱應(yīng)變值，膠粘劑的熱敏性亦會(huì)引起誤差，本文采取的膠粘劑適用于高精度應(yīng)變測(cè)量。但其本身會(huì)隨溫度變化產(chǎn)生一定的應(yīng)變，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。