村鎮(zhèn)綠色民居用地面面層材料配合比及性能研究進展

馮 濤,徐玲玲,石 鑫,韓 健

(南京工業(yè)大學 材料科學與工程學院,江蘇 南京 211800)

村鎮(zhèn)綠色民居是基于節(jié)約資源、保護環(huán)境、減少污染的目標,結(jié)合當?shù)亟ㄔO實際情況,為村鎮(zhèn)居民提供健康、適用、高效的使用空間,具有顯著的生態(tài)和經(jīng)濟效益的高質(zhì)量建筑。村鎮(zhèn)綠色民居的主要建造方式由傳統(tǒng)的村鎮(zhèn)建筑工人現(xiàn)場澆筑向裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)展,裝配式結(jié)構(gòu)是指在工廠預制建筑部品及部件,在工地裝配而成的建筑結(jié)構(gòu),具有勞動生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、建造周期短、節(jié)約能源與資源等優(yōu)點,能夠有效解決因村鎮(zhèn)建筑工人缺乏對建筑材料配比的科學認知而產(chǎn)生的部分問題農(nóng)房的現(xiàn)狀。我國裝配式建筑始于20世紀50年代,相比于西方國家,建筑工業(yè)化程度不高,市場所占份額較低,雖然相關政策類研究較多,但仍缺少相關技術類研究[1]。近年來,裝配式建筑在國家的大力推廣下,發(fā)展迅速,相關體系與標準已陸續(xù)建立。

在一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),村鎮(zhèn)住宅主要形式為獨棟低層、聯(lián)排低層、多層,其中低層在以農(nóng)業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)的地區(qū)是最主要的住宅形式[2]。相比于城市住宅建筑,村鎮(zhèn)住宅的宅基地面積大,低層大面積建筑的地面在圍護結(jié)構(gòu)中面積占比相對較大,為了滿足低能耗建筑設計的要求,需要考慮地面?zhèn)鳠岬脑O計。傳統(tǒng)村鎮(zhèn)民居地面材料從直接夯土壓實或鋪設黏土磚發(fā)展至澆筑混凝土,近幾年隨著經(jīng)濟水平的提高,在混凝土基礎上鋪裝木地板和瓷磚也相對普遍,但這些材料都不符合綠色建材、較低建筑能耗的要求。對于村鎮(zhèn)民居地面系統(tǒng),有待科研人員研發(fā)一種可進行裝配式施工的水泥基地面材料,并具有保溫、裝飾等功能,形成一體化的綠色復合板材。這種系統(tǒng)構(gòu)造包括基層、保溫層、黏結(jié)層、面層,如圖1所示。本文主要介紹基于特色地面系統(tǒng)的水泥基面層材料的制備方法。面層材料作為直接承受民居環(huán)境中物理與化學作用的表面層,易產(chǎn)生開裂、磨損等問題,地面系統(tǒng)的應用對水泥基材料硬化后的力學性能、耐磨性、耐久性提出了更高的要求,需要通過合理的配合比設計以達到應用要求,并能與其他層之間相互匹配,達到良好的相容性。

圖1 多層地面系統(tǒng)構(gòu)造示意Fig.1 Schematic diagram of multi-layer floor system

1 水泥基面層材料配合比設計要求

水泥基面層材料的配合比設計就是基于性能指標,將用于改善性能或達到規(guī)范參數(shù)的各組分原料進行定量研究和相互匹配的過程,經(jīng)過計算得出的理論配合比,通過實驗轉(zhuǎn)化為滿足施工要求的基準配合比,再因現(xiàn)場施工要求不同及原料的差別,轉(zhuǎn)化為最終的生產(chǎn)配合比。

1.1 設計原則及方法

為了保證綠色復合板材地面系統(tǒng)在使用期限內(nèi)無空鼓、裂縫的產(chǎn)生,目前主流的方法是采用“硬底軟面”的設計:即保證基層的剛度、強度和穩(wěn)定性,工程中一般采用干硬性水泥砂漿鋪筑作為基層;保溫層采用石膏基材料,兼顧強度和保溫性能;通過對高強度的水泥基材料增韌以達到分散面層應力的作用。對于各層之間的相容性,可以通過有限元方法和彈性層狀體系理論來闡述,即假設各層都是連續(xù)的、均勻的、完全彈性的、各向同性的、小變形的材料,基于該理論代入各層的彈性模量(E)、泊松比(μ)、厚度(h)以及傳荷系數(shù),可導出滿足應力軸對稱分布基本微分方程式的應力函數(shù),再通過5大基本假設設定相應的邊界條件,即可計算內(nèi)部應力和位移的表達式。

根據(jù)理論模型計算出來的參數(shù)作為材料配合比設計的指標,基于性能指標選取原料并將各原料相互匹配以達到設計性能。目前關于配合比設計的方法包括基于緊密堆積理論的設計方法,這種方法由吳中偉院士在1955年進行混凝土配合比設計時提出的:先確定水膠比、摻合料用量和減水劑用量,混合后測得孔隙率,由孔隙率再確定配合比[3]。王霞等[4]將這種緊密堆積理論應用在砂漿性能的研究上,采用Andrease方程計算顆粒級配作用,實現(xiàn)膠凝材料體系的最緊密堆積,提高基體密實度,從而增強力學性能。該方法的計算式見式(1)。

U(D)=100(D/DL)n

(1)

式中:D為顆粒粒徑,μm;U(D)為顆粒粒徑為D的篩下量(質(zhì)量分數(shù)),%;DL為體系中最大顆粒粒徑,μm;n為分布模數(shù)。

這種方法工程適用性不高,往往實驗結(jié)果與理論計算相差較大,所以目前一般以文獻經(jīng)驗為指導,通過系列實驗來確定最佳配合比。Xu等[5]采用正交試驗的方法研究了配合比設計參數(shù)對復合材料力學性能的影響,通過正交試驗的方法確定了最佳配合比,這具有很好的工程適用性?；谒冶榷▌t的配合比設計方法,能夠通過強度預測得出配合比設計方案。

1.2 配合比計算模型

為了實現(xiàn)勻質(zhì)高強,面層水泥材料中不加入粗骨料,而含有纖維、聚合物和摻合料(如粉煤灰等),因此基于應用廣泛的鮑羅米公式,引入纖維、聚合物和摻合料對強度影響的系數(shù),相比于Andrease方程,實驗結(jié)果和理論計算較為接近,其計算式見式(2)。

(2)

式中:Fcu為砂漿配制強度,MPa;fce為膠凝材料強度的等級值,MPa;B/W為膠凝材料與水的質(zhì)量比;p和q為水膠比和強度的擬合回歸系數(shù);α為聚丙烯纖維對強度影響的系數(shù);β為樹脂聚合物對強度影響的系數(shù);γ為摻合料對強度影響的系數(shù)。

在式(2)的基礎上,以拌合物的流動性及稠度作為用水量的標準,當有減水型外加劑時,通過試驗得出外加劑的減水率,最后求出每立方米砂漿各種原料的用量,按式(3)計算每立方米砂漿的砂用量。

(3)

式中:ms為砂的質(zhì)量,kg;ρs為砂的表觀密度;Vc為水泥的實體積;Vb為摻合料的實體積;Vw為水的體積;Va為外加劑的實體積;Vp為樹脂聚合物的體積;Vf為纖維的體積;ζ為砂漿的含氣量(質(zhì)量分數(shù))。

2 配合比設計影響參數(shù)

配合比設計影響參數(shù)包括水膠比、摻合料摻量、纖維摻量、聚合物摻量,其中水膠比的影響最大。

2.1 水膠比

水膠比指總用水量和膠凝材料的質(zhì)量比,是配合比設計最重要的影響因素。既要滿足水泥水化反應的需要,達到相應的強度,又要使?jié){體具有一定的流動度,便于成型。李傳習等[6]研究了水膠比對摻有粉煤灰的高性能混凝土力學性能的影響,結(jié)果如圖2所示,隨著水膠比的增大,強度均出現(xiàn)大幅度的降低,可以看出水膠比是配合比設計中較為重要的參數(shù)。史才軍等[7]的研究表明水膠比在不同齡期影響規(guī)律不同,還可能隨著水膠比的降低,強度出現(xiàn)下降的情況。Wille等[8]指出,只有在流動性得到改善時,降低水膠比才能提高強度。

圖2 水膠比對高性能混凝土力學性能的影響[6]Fig.2 Effects of water-binder ratio on mechanical properties of high-performance concrete[6]

2.2 摻合料摻量

使用摻合料部分代替水泥有利于減少資源消耗,目前來源最廣、使用最多的摻合料是粉煤灰,所以本文主要介紹采用粉煤灰來達到固廢利用的目標。摻入粉煤灰能夠降低整體水化產(chǎn)生的熱量,增強水泥基材料的抗裂性,在基本用水量不變的情況下,粉煤灰中的球狀顆粒能夠顯著改善漿體的流動性和黏聚性,進而提高水泥基材料的后期強度,增強基體密實度。摻入過多的粉煤灰對水泥基材料的早期強度不利,但隨著水泥外加劑尤其是高效減水劑應用以及堿活化技術的發(fā)展,粉煤灰的摻量(質(zhì)量分數(shù))能夠提高到50%以上[9]。也有研究表明15%摻量的粉煤灰能夠?qū)w泛堿程度有較大的改善作用[10]。因此,合適的粉煤灰摻量能夠?qū)λ嗷牧闲阅苡休^大的改善。

2.3 纖維摻量

纖維作為增強材料加到水泥基材料中,能夠解決水泥基材料在實際應用中的很多問題,如水泥在凝結(jié)硬化過程中的收縮開裂,從而影響材料的耐久性,還有部分工程應用中對抗拉強度、韌性、極限延伸率有相對較高要求,而這些性能正是普通水泥基材料欠缺的。纖維類型的不同,起到的增強作用也不同,按材料的類別將工程應用涉及的纖維分為3類:金屬纖維、無機纖維、有機纖維。表1 列舉了最常用的幾種纖維的性能參數(shù)[11]。

表1 工程應用中常用的幾種纖維的性能參數(shù)[11]

金屬纖維性能優(yōu)異,應用廣泛,但其缺點也較為明顯,首先成本因素限制了鋼纖維的大量應用,這里成本也包括金屬纖維對攪拌器械的磨損,其次金屬纖維的分散性較低,且對混凝土的和易性不利。

無機纖維中,玻璃纖維是主要的研究內(nèi)容,但其存在抗堿性不足的特點,影響了材料的耐久性,也有抗堿玻璃纖維應用到低堿水泥中的研究[11],但研究結(jié)果表明抗堿性仍然不足。碳纖維是無機纖維中各項性能都較為優(yōu)異的理想材料,但其脆性大對水泥基材料的增韌效果不佳,且價格高昂,所以在建材領域應用較少。

隨著合成工業(yè)的發(fā)展,有機纖維逐漸成為纖維增強材料的重點應用材料。高強度、高模量的有機纖維價格高昂;低強度、低模量的有機纖維,如聚丙烯纖維,價格低廉,但纖維表面疏水,導致與膠凝材料的黏結(jié)性較差,在水泥基體受載荷時,纖維易出現(xiàn)滑移軟化現(xiàn)象,可以通過加入摻合料和降低水膠比提高基體的密實度,進而增大黏結(jié)性能。此外,纖維表面接枝或采用異形纖維也能增大纖維與基體的黏結(jié)性。

2.4 聚合物摻量

聚合物是保證基體韌性和抗?jié)B性的重要組分,其摻量的增加明顯地增強了水泥基材料的韌性,但過高的摻量會阻礙水泥顆粒的水化,降低體系的強度。追求抗?jié)B性而加入過多的聚合物還會使砂漿層的水氣透過性降低,面層易出現(xiàn)起鼓現(xiàn)象,所以聚合物摻量必須適度,避免不好的作用。目前的聚合物在水泥基材料中的應用廣泛。聚合物種類包括聚丙烯酸酯類、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)類、橡膠類、環(huán)氧樹脂類[12]、聚乙烯醇類。在不同的應用領域,根據(jù)水泥基材料性能的側(cè)重點進行聚合物種類的選擇,如側(cè)重抗?jié)B性選擇氯偏乳液,側(cè)重柔韌性選擇丁苯膠乳,側(cè)重力學性能、耐腐性、黏結(jié)性選擇樹脂乳液。

3 水泥基面層材料組成與性能研究現(xiàn)狀

作為綠色民居地面系統(tǒng)中的面層材料,要能抵抗日常使用中的磨損,具備一定的強度不至于在使用過程中出現(xiàn)開裂、脫離等問題,還要具備一定的隔潮功能。因此，將力學性能、耐磨性、耐久性作為主要的技術性能評價指標，進行材料組成與性能關系的闡述。

3.1 力學性能

粉煤灰對抗壓強度影響較大,對水泥基材料的作用表現(xiàn)在兩個方面,即物理填充效應和化學填充效應。物理填充是指粉煤灰顆粒填充于水泥基材料的空隙中,提高了材料的密實度,并且球形的玻璃珠顆粒在水泥顆粒間起到了滾珠作用,改善了拌合物的和易性,減少了單位體積的用水量,使硬化后的水泥基材料的收縮變小,從而提高抗裂性。化學填充是指粉煤灰的二次水化,由于粉煤灰的早期水化程度十分低,一般認為粉煤灰在水泥中的二次水化為活性SiO2、Al2O3和水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2(CH)反應,生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、水化鋁酸鈣及水化硫鋁酸鈣[13]?；瘜W填充同樣減少了材料內(nèi)部的空隙,提高了密實度[14]。豐曙霞等[15]利用背散射電子圖像分析技術對二次水化過程進行了定量研究,并修正了現(xiàn)有的反應模型,通過這種模型計算的CH吸收量及化學結(jié)合水量與實驗結(jié)果比較接近。施惠生等[16]在早期硬化水泥漿體的研究中發(fā)現(xiàn),粉煤灰的填充效應產(chǎn)生了2種影響:一是強度降低的影響,這是由于粉煤灰的加入破壞了水化產(chǎn)物的連續(xù)性;二是強度回升的影響,這是由于分散的粉煤灰顆粒表面成了新的水化產(chǎn)物沉析的平臺,并且粉煤灰摻量的增加,減少了大孔,增加了微孔,水化產(chǎn)物在這些平臺上生長并填充微孔,使強度得到回升。張文博等[17]的研究表明粉煤灰的摻量是決定這種強度降低幅度和回升幅度的關鍵。

纖維和聚合物是針對提升材料韌性而摻入的增強材料,其中聚丙烯纖維對韌性的增幅效果最為明顯。Hannant等[18-19]認為圓形截面的聚丙烯纖維與水泥基材料的黏結(jié)性差和纖維較大的泊松比,使得纖維在基材出現(xiàn)裂縫時,易被拔出,不可能使基材出現(xiàn)多縫開裂,這也解釋了聚丙烯纖維對水泥基材料抗折強度提升幅度不大的問題。聚丙烯纖維可作為脆性水泥材料的增強材料,有研究表明摻入體積分數(shù)為0.1%～0.5%的均勻分布于水泥基材料中的聚丙烯短纖維,可在塑性收縮與干燥收縮階段起到十分顯著的阻裂作用,并且纖維的彈性模量越小、密度越小、直徑越小,其阻裂效果越好[11, 20]。同時聚丙烯纖維較大的極限延伸率保證了水泥基材料即使裂縫已經(jīng)形成纖維仍未斷裂,提高了水泥基體的韌性和抗沖擊性。

顧超等[21]在對聚丙烯纖維和聚合物砂漿綜合性能的研究中發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維更有利于提升聚合物砂漿的抗折、抗拉、黏結(jié)性能,并且纖維體積分數(shù)在0.5%時,EVA改性砂漿的抗拉強度達到最大值。祝玉亭[22]在混雜纖維混凝土板彎曲韌性實驗中發(fā)現(xiàn)，摻入體積分數(shù)為0.7%～0.9%纖維時,混凝土梁的斷裂韌性是空白組的18～24倍,初裂荷載是空白組的1.37倍。謝新穎等[23]在研究聚丙烯纖維對環(huán)氧樹脂砂漿力學性能影響的過程中(以環(huán)氧樹脂質(zhì)量分數(shù)表示),通過實驗發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的摻量為0.8%時,抗折、抗壓性能均達到最高,而在0.5%的摻量下,纖維的分散度最高。Najm等[24]在纖維減少塑性收縮和干燥收縮開裂的研究中發(fā)現(xiàn)，在摻入體積分數(shù)為0.6%～2.0%纖維時,抗折韌性隨著摻量和纖維長徑比的增大而增大。肖雪軍等[25]研究了聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維對水泥基材料抗折強度的影響,實驗數(shù)據(jù)表明,聚丙烯纖維對抗折強度的增強效果較好,且在摻量為1%時,比空白樣抗折強度增強了16%。Skouruph等[26]在利用聚乙烯醇纖維改善用于砌筑的砂漿實驗中,得出纖維的應用有提高水泥基材料的韌性、延展性和吸收斷裂能的作用,并且對抗壓強度和外觀無較大的影響。

杜志芹等[27]研究發(fā)現(xiàn),在混凝土中加入聚氯乙烯(PVC)纖維和聚丙烯纖維,聚丙烯纖維會降低混凝土的抗?jié)B性,但是PVC纖維可以提高混凝土的抗?jié)B性。

宋焱[28]研究了長纖維、短纖維和微纖維3種類型的鋼纖維對高性能混凝土劈裂抗拉強度和軸心抗拉強度的影響,結(jié)果表明：微纖維優(yōu)勢在于提高活性粉末混凝土的極限抗拉強度,但對抗拉延性沒有影響,并且能降低混凝土的黏性；短纖維優(yōu)勢在于提高軸心抗拉強度；長纖維由于重力效應明顯,易成團進而阻礙了摻量的提升。

纖維在水泥基材料中的作用機制目前主要有2種理論,一是Romualdi和Batson提出的纖維間距理論[29],二是基于復合材料基礎之上的復合力學理論。

纖維間距理論認為在水泥基材料的內(nèi)部存在原生的缺陷,如微裂紋、微孔洞等,這些原生的缺陷在外力載荷的作用下產(chǎn)生的應力集中是導致水泥基材料開裂以及破壞的主要原因[30]。當纖維均勻地分布在水泥基材料中時,這些缺陷被包圍在纖維之間,這時候在外部載荷的作用下,原先應力集中的點(裂紋尖端)就形成了擴展應力場,而在靠近缺陷的纖維界面處將產(chǎn)生與裂紋尖端擴展應力反向的應力場,從而降低了裂紋尖端的應力集中系數(shù),限制裂紋的發(fā)展,增強了水泥基材料的強度。在纖維的直徑和長度一定時,增強效果與纖維的平均間距有關。

復合力學理論在纖維增強水泥基材料上的應用是基于4個假設:①纖維與水泥基材料均呈彈性變形;②纖維沿著應力作用方向連續(xù)排列;③纖維與基體發(fā)生相同的應變值;④纖維與水泥基材料黏結(jié)性好,不發(fā)生滑動。在外部載荷作用下,當水泥基材料的應變達到開裂應變時,基體開始出現(xiàn)微裂縫,當裂縫尖端擴展到纖維附近時,纖維這時候就如墻一樣阻止了裂紋的繼續(xù)前進,使得基體未立即破壞。隨著外部載荷的增大,裂縫寬度發(fā)展到一定程度,裂紋尖端跨越纖維,纖維被拔出或拉斷,整個基體發(fā)生裂縫失穩(wěn)擴展而破壞。

關于聚合物對水泥基材料力學性能的作用,目前改性機制的研究已經(jīng)比較完善,結(jié)構(gòu)模型主要為Ohama模型[31]。Ohama模型將聚合物在水泥水化中的作用分為3個階段,分別是攪拌成型階段、逐步水化階段、聚合物顆粒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成階段。基于這3個階段,根據(jù)國內(nèi)外研究將聚合物的改性機制歸納成5點[32]:①均勻分散在水泥凝膠中的聚合物,在一些復雜的應用場景中能夠減少水分的流失,使得水化完全。②聚合物在硬化的水泥漿體中交聯(lián)形成的網(wǎng)狀膠膜填充孔隙,并且聚合物因具有減水作用而降低體系的水灰比,兩者都能大大降低結(jié)構(gòu)中的孔隙率,使得體系強度增大。③聚合物形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與纖維的作用類似,在有應力的時候起到架橋作用,分散并轉(zhuǎn)移應力能量從而抑制裂紋的發(fā)展。④在水泥-聚合物-骨料這一體系中,水泥和聚合物都有膠黏劑的作用,而聚合物膜的黏結(jié)強度遠大于水泥的拉伸強度[33],能提高系統(tǒng)的拉伸強度。同時也改善了膠凝材料與骨料的界面狀況,增大了黏結(jié)力,對抗壓、抗彎強度做出貢獻。⑤有研究表明聚合物上的一些官能團如羥基、羧基、酯基能夠與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學反應[34],這些鍵合的大分子體系[35]相互交織成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)的密實性。

同時也有眾多研究表明聚合物對水泥水化有延遲效應[36],聚合物形成的膜結(jié)構(gòu)影響了水泥漿體中液相離子的分布,延緩了水泥的水化進程,這也是聚合物使得硬化漿體強度下降的原因之一。

3.2 耐磨性

在民居環(huán)境下,常見的磨損形式可分為滑移磨損、疲勞磨損、磨粒磨損[37]?；颇p是接觸物體在法向作用力下,接觸面的摩擦磨損;疲勞磨損是指材料表面因循環(huán)作用力使表面產(chǎn)生裂紋,裂紋的擴展引起的材料表面的磨耗;磨粒磨損是指材料因前2種磨損脫落的骨料與粉末,以及生活中掉落的硬質(zhì)顆粒的作用,從而加速的磨損。

在3種磨損情況下,影響水泥基地面材料耐磨性的因素可分為材料表面構(gòu)造的孔隙特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度以及膠凝材料與骨料的黏結(jié)力3種。對于耐磨性提升的研究,一部分內(nèi)容與抗壓強度相同,這也是大多數(shù)研究聚焦于力學強度的原因,不同的是,抗壓強度的提升一般是整體的,而耐磨性可以只對材料表面處理。如目前應用較為廣泛的環(huán)氧地坪等,但對于多層地面結(jié)構(gòu),因工廠預制一體化成型,則整體耐磨性的提升更為適用。Karahan等[38]認為聚丙烯纖維摻量在0.20%以下,在28 d齡期對抗壓強度的降低影響較小,而粉煤灰摻量的變化對抗壓強度才會產(chǎn)生非常大的影響。Horszczaruk[39]認為聚合物增加了混凝土的耐化學性,而對耐磨性影響較小。綜合比較表明，纖維與聚合物對耐磨性及抗壓強度有一定的作用,主要是阻礙疲勞磨損中裂紋的擴展,而粉煤灰摻合料的影響更加顯著。

在單摻粉煤灰對水泥基材料的力學性能影響方面,Naik等[40]用粉煤灰15%、30%、40%、50%、70%水泥替代比例(質(zhì)量分數(shù)),研究了混凝土耐磨性的變化,結(jié)果表明30%替代比例的混凝土耐磨性與參比樣相當,粉煤灰替代比例超過30%,耐磨性就會下降,抗壓強度是影響耐磨性的重要因素。Siddique等[41]研究了粉煤灰在30%、40%、50%水泥替代比例的情況,也得出了替代比例30%的混凝土與普通混凝土耐磨性相當?shù)慕Y(jié)論,實驗數(shù)據(jù)表明，耐磨性與抗壓強度密切相關,耐磨性的提高可以通過摻入纖維來解決,此時纖維的阻裂作用能夠有效降低外力作用下的磨損量。Yazici等[42]研究了抗壓強度在65～85 MPa間的混凝土抗壓強度與耐磨度的變化,應用多元回歸分析得到壓縮強度、劈裂抗拉強度和磨損損失值之間的等式,這個等式為預估耐磨度提供了參考。Alaka等[43]研究了高摻量粉煤灰混凝土的力學性能,認為在高摻量下,隨著粉煤灰摻量的增加,抗壓強度的提高并不能相應地提高耐磨度。Rashad等[44]通過分析已有的研究成果得到大摻量粉煤灰(摻量≥45%)會導致混凝土耐磨性下降。

周萬良等[45]研究了粉煤灰的摻量對礦渣-水泥膠砂強度和耐磨性的影響,通過線性擬合磨損率和強度關系可知，在一定的水膠比和齡期條件下,磨損率和強度之間存在著明顯的線性負相關,與其他學者的正相關結(jié)論相悖的原因可能是未考慮體系中礦渣的含量,導致實際替代水泥比例過高。黃壽良等[46]研究了長齡期粉煤灰混凝土抗壓強度的變化規(guī)律,不摻粉煤灰的混凝土的強度在1年后趨于平緩增長,而摻粉煤灰后,強度增長期在10年以上,并且隨著摻量的提高,強度增長系數(shù)增大。孫家國[47]基于中心質(zhì)假說理論,研究了粉煤灰替代比例高于50%時,可以通過降低水膠比大大提升抗壓強度。

對于單摻粉煤灰的硬化漿體,其早期較低強度會產(chǎn)生不利影響,降低長期耐久性,Medina等[48]建議復合摻入纖維和礦物摻合料,從而降低這種不利影響。

3.3 耐久性

作為建筑材料,高性能水泥基地面材料的耐久性至關重要。纖維、粉煤灰和聚合物對抗凍融性的作用方式是不同的,粉煤灰的密實效應改善了基體內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),并且對Ca(OH)2進行了消耗, 導致混凝土不易因冰凍產(chǎn)生裂隙。纖維的隨機分布抑制了混凝土凍結(jié)時的膨脹。Karahan等[38]在對研究的混凝土進行50次凍融循環(huán),循環(huán)后的抗壓強度與參比樣的比較發(fā)現(xiàn),粉煤灰和聚丙烯纖維的摻入能夠明顯提升材料的抗凍融性能,且隨著摻量的提高，抗凍融性增大,摻入粉煤灰對抗凍融性的提升效果優(yōu)于聚丙烯纖維。文獻[49]表明纖維沒有對抗凍融性產(chǎn)生顯著改變。梁會忠等[50]研究了聚合物對韌性混凝土的抗凍耐久性的影響,將水性環(huán)氧樹脂與水泥復合,快速凍融實驗結(jié)果表明,抗凍性顯著提高,且在乳液摻量為5%時,改性效果最好,X線衍射光譜表明水性環(huán)氧樹脂的摻入能夠阻礙結(jié)晶相Ca(OH)2的生成,使硬化的水泥基材料以凝膠相結(jié)構(gòu)為主,且固化后的聚合物顆粒填充了孔隙,延緩了水泥基材料因內(nèi)部水分結(jié)冰造成的凍融破壞。

抗?jié)B性是混凝土耐久性的重要指標之一,無論是凍融破壞還是化學侵蝕都與其相關。在一些特殊應用中,如民居地面混凝土,對抗?jié)B性提出了較高的要求,在多層保溫結(jié)構(gòu)中,因外界溫度和濕度的改變,引起面層和基層的變形,普通水泥基面層材料易出現(xiàn)細微裂縫甚至空鼓開裂,失去隔潮抗?jié)B的效果。具有較好相容性的無機保溫層材料一般分為水泥基和石膏基。采用聚苯顆粒、膨脹珍珠巖、玻化微珠等輕質(zhì)骨料或?qū)闹苯影l(fā)泡處理,材料吸水率大,力學強度和隔潮性能遠不如普通混凝土,因此一旦面層出現(xiàn)損壞,內(nèi)部保溫層保溫效果便會大大下降,從而導致耐久性的不足。He等[51]通過實驗得出聚丙烯纖維摻量在0.6 kg/m3時,機制砂混凝土性能達到最優(yōu),相比于沒有聚丙烯纖維的機制砂混凝土,抗?jié)B系數(shù)降低45%以上,表明了纖維對抗?jié)B性具有積極的作用。Kakooei等[52]在聚丙烯纖維對混凝土結(jié)構(gòu)影響的研究中指出,纖維對抗?jié)B的積極作用是通過減少混凝土的收縮或膨脹來實現(xiàn)的。硅灰、粉煤灰等摻合料和聚丙烯纖維對混凝土抗水性的增強作用已得到許多研究的驗證[53-55]。姚樹義[56]在對5%、10%、15%、20%摻量的聚合物對抗?jié)B性的研究中發(fā)現(xiàn),復摻聚合物、纖維、粉煤灰,在獲得強度提升的同時,能顯著增強基體抗水性,拓寬了應用范圍。張二芹[57]利用5%、10%、15%、20%的環(huán)氧樹脂改性混凝土,結(jié)果表明環(huán)氧樹脂乳液的加入對抗壓強度的損失不大,但能明顯提高抗折性能,且抗?jié)B性隨著環(huán)氧樹脂含量的增大而增大。陸春奇等[58]研究了改性聚脲、硅烷、環(huán)氧樹脂、水性滲透結(jié)晶型防水材料4種混凝土涂料對混凝土抗?jié)B耐久性的影響,結(jié)果表明表面涂層法的防水抗?jié)B效果十分顯著,并且施工工藝較為便利。以上對抗?jié)B性的提升研究,可以總結(jié)為3種方法：①提高材料的韌性,減少因外界作用產(chǎn)生的裂紋及缺陷。②提高材料的密實度,使用聚合物或摻合料填充內(nèi)部孔隙,填充內(nèi)部毛細水通道。③利用致密抗水的表面涂層來彌補水泥基材料多孔隙的不足。利用聚合物改性水泥基材料是①和②兩種方法的結(jié)合,如水性環(huán)氧樹脂,水性的特點很好地解決了樹脂在水泥基材料中的分散性問題。但也有研究人員表示水性環(huán)氧樹脂改性水泥基材料的綜合性能與理論相悖,因為多數(shù)研究者主要聚焦于聚灰比和聚合物種類的影響,沒有考慮養(yǎng)護的問題,濕養(yǎng)護有利于水泥的水化,干養(yǎng)護有利于樹脂的固化,筆者曾將水性環(huán)氧樹脂用水分散并置于密封容器中固化,6個月后雖然樹脂固化,但結(jié)構(gòu)十分疏松。所以干濕交替養(yǎng)護[50,59]是比較好的養(yǎng)護措施。

4 結(jié)語

村鎮(zhèn)住宅總量大,應用綠色技術產(chǎn)生的社會經(jīng)濟效益巨大。針對目前的村鎮(zhèn)建筑圍護結(jié)構(gòu),大部分研究集中在墻體保溫方面,本文提出采用裝配式的建造方式,以多層地面構(gòu)造達到地面隔潮、保溫、裝飾的作用。本文聚焦于水泥基面層材料的配合比設計,介紹了配合比設計的一般原則及方法,在鮑羅米公式的基礎上,引入了纖維和聚合物的影響,提出了配合比計算模型,概括了設計過程中的4個影響參數(shù)的種類及基本影響規(guī)律。目前水泥基材料的力學性能、耐磨性、耐久性的研究表明增加綠色環(huán)保建材的使用率;提高材料成型時的和易性;降低水化成型時的變形性;提高水泥基材料的密實度;減少或封堵水泥基材料的內(nèi)部孔隙;抑制水泥基材料的內(nèi)部微裂紋的擴展;提高水泥骨料之間的黏結(jié)性是當前研究的主流方向。同時,內(nèi)部保溫材料分為有機與無機類,通常有機類保溫材料保溫效果及隔潮性優(yōu)于無機材料,但與水泥基材料間界面相容性不如無機材料,如何選擇以解決面層與保溫層之間的相容性問題,以及各層間的線膨脹系數(shù)控制技術是今后研究人員需要完成的任務。通過配合比研究制備出的適用于面層材料的高性能水泥基復合材料可擴展在機場跑道、路面以及對地面強度有較高要求的倉庫等領域的應用。材料應用的深度發(fā)展離不開理論的支撐,在配合比的組成優(yōu)化、綜合性能的提高、制備工藝技術3個方面仍有研究的必要性。