（材料学专业论文）纤维增强水泥聚苯乙烯泡沫塑料复合屋面保温板的结构与性能研究.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 传统屋面中存在着屋面开裂、耐久性能及保温隔热效果差等问题，这些问题在很 大程度上影响了屋面的使用寿命及居住环境的舒适度，而且随着建筑节能政策逐渐深 入，传统屋面保温隔热效果差也越来越暴露出其不利的一面。本文通过对传统屋面中 普遍存在的问题进行分析，在此基础上设计出集防水、保温、隔热及结构功能于一体 的新型板式屋面材料：聚丙烯纤维增强聚合物砂浆聚苯乙烯泡沫塑料复合屋面保温 板。 复合屋面保温板面层为聚丙烯纤维增强聚合物水泥砂浆，保温层为聚苯乙烯泡沫 塑料，该板式屋面材料结构简洁、紧凑，适于机械化生产，不仅适用于新建筑物的屋 面工程，还适合现有建筑的屋面改造，产品具有强度高，抗裂、抗渗及抗冲击性能好， 保温、隔热等诸多优良性能。 通过实验分析，确定了面层砂浆的水灰比及聚丙烯纤维的掺加工艺，并通过正交 实验确定了面层材料各组分的最佳配比；实验表明，聚合物乳液和聚丙烯纤维二者对 面层材料性能的提高具有协同作用，可使面层材料的物理力学性能显著提高。 掺加适量聚丙烯纤维对控制砂浆塑性裂缝非常有效，掺加聚丙烯纤维1 5k g m 3 ， 砂浆的开裂率仅为7 。7 。本文针对水泥砂浆的塑性开裂进行了机理分车厅，聚丙烯纤 维的加入提高了砂浆中裂纹扩展的临界应力，在砂浆承受施加应力时无论是裂纹的扩 展使纤维断裂、裂纹扩展使纤维从基体中拔出、在应力的作用下纤维发生弹性变形聚 丙烯纤维都会起到阻裂的作用。 通过掺加聚合物乳液和聚丙烯纤维来提高水泥砂浆的抗冲击、抗渗和抗收缩等长 期性能。分析了聚合物和聚丙烯纤维对砂浆抗冲击性能、抗渗性能和抗收缩性能的影 响；利用扫描电镜( s e m ) 和能谱分析仪( e d s ) 对材料进行微观分析，探讨了聚合物 和聚丙烯纤维对水泥砂浆的改性机理。 砂浆与聚苯板的界面结合性能的好坏直接影响到屋面保温板的物理性能，本文探 讨了不同聚合物掺量，及掺加聚丙烯纤维前后，对砂浆与聚苯板界面结合性能的影响， 通过扫描电镜分析了砂浆与聚苯板结合界面的微观形貌。认为在本实验条件下，聚合 物砂浆与聚苯板界面之间形成了具有缓冲作用的柔性界面层，柔性界面层的存在是界 面性能得以提高的重要原因。 关键词：聚丙烯纤维增强聚合物砂浆；屋面保温板；抗裂性能：抗冲击性能；抗渗性 能；界面； a b s t r a c t m a n yd e f e c t ss u c ha sm o f i n gc r a c k ，i n f e r i o rd l l r a b i l i t ya n dh e a ti n s u l a t i o ne 舵c ta 1 1 d s oo ne x i s t si nt t l et r a d i t i o n a lm o f i n g ，t h e s ed e f c c t sh a v ca n c c t e dt h cs e r v i c el i f co f r o o f i n g a 1 1 dc o m f o ni ni n h a b i t a n c y ，m o r e o v e rp e n e t r a t i n gg r a d u a l l ya 1 0 n gw i t ht h ec o n s t r l l c t i o n e n e 唱yc o n s e r v a t i o np 0 1 i c y ，i n f e r i o rh e a ti n s u l a t i o ne a b c ti n 仃a d i t i o n a lr o o f i n ga l s om o r c a i l dm o r cc x p o s e si t s d i s a d v a n t a g e o u ss i d e t h r o u 曲t 1 1 ea n a l y s i s t ot h ed e f e c t si n t r a d i t i o n a lr o o f i n g ，i nt h i sa n i c l ew ed e s i g l lo u tan e wk i n do fl a l l l i n a ir o o f i n gi n t e g r a t e d w i t h 血ef l l l l c t i o no fw a t e r p m o f i n ga i l dh e a ti n s u l a t i o na 1 1 dt 1 1 es t n l c t u r e ，m a ti s ： p 0 1 y p r o p y l e n e 丘b e rr c i n f o r c e dp o l y m e rm o r t a r ，p o l y s t y r e n ef 0 锄c o m p o s i t ef 犯a d eb o a r d f o ri n s u l a t i n gh e a t t h es u r f a c em a t e r i a lo ft h ef a c a d eb o a r df o ri n s l l l a t i n gh e a ti sp o l y p r o p y l e n ef i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e rc e m e n tm o r t a ra n dh e a ti n s u l a t i n gm a t e r i a l i si m u m e s c i n gp o l y s t y r e n e f o a m t h ef a c a d eb o a r dw h i c hn o to n l yi ss u i t a b l ef o rt h en e w b u i l d i n gm o f l n gp r o j e c t ，b u t a l s os u i t s l cr o o f i n gt r a n s f b 肿a t i o ni ne x i s t i n gc o n s t r l l c t i o n ，i th a sm a i l ya d v a n t a g e s ，s u c h a sh i g hs t r e n 昏h ，g o o da n t i c r a c k i n gp m p e r t y ，s h o c kr e s i s t 柚c ea n di m p e r n l e a b i i i t y ，h e a t i n s u l a t i o na n de t c t l l r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，w a t c rr a t i oa n dp o l y p m p y l e n ef i b e rm i x i n gc r a ro ft h e s u a c em o n a rw a sf i x e d ，如r t h e rm o r e ，w ed e t e n n i n e dt h eb e s tp r o p o n i o no fa l lm w m a t e r i a l si nt h em o r t a rt l l r o u g ht h eo n h o g o n a le x p e r i m e n t ；1 1 1 ee x p e r i m e mi n d i c a t e dt h a t ， t h ep o l y m e re m u l s i o na n dt h ep o l y p r o p y l e n ef i b e rt w oh a v et h es y n e 唱i s mt ot h es u r f 犯e m a t e r i a lp e r f b m l a n c ee n h a n c e m e n t ，t h e ym a yc a u s et h em e c h a l l i c a lp m p e r t yo f t h es u r l a c e m a t 嘶a lt ob ei m p r o v e dr e m a r k a b l y e n f o r c i n gt h ec e m e n tm o r t a rw i mr i 曲t 锄o u n tp 0 1 y p r o p y l e n ef i b e ri sa ne 矗 e c t i v e m e t h o dt or e d u c eo ra v o i dt 1 1 ep l a s t i cc m c k s m i x e dw i t l lp o l y p r o p y l e n ef l b e r1 5 k g m ，血e m o r t a rc 豫c k i n gi n d e xi s o n l y7 7 n l ea d d i n go fp o l y p r o p y l e n e 胁e re 1 1 1 1 a n c e dt h e 州t i c a ls t r e s sw h i c ht h em o r t a rc r a c ke x p a i l 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c c te h b c to nt h ep e r f b n n a n c eo ft h ef a c a d eb o a r df o ri n s u l a t i n gh e a t ，a sa r e s u l t ， w ea d d e dp o i y m e ri nd i 仃b r e n tq u a n t i t i e si n t ot 1 1 ec e m e n tm o n a rb e f o r ea 1 1 da n e ra d d i n g 也e p 0 1 y p m p y l e n ef i b e r ，a 1 1 dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo nt h ei m e r f a c i a lp r o p e n ) 0 血r t h e em o r c ，i n o r d e rt of i n do u tt h em i c r o s t r u c t u r eo ft 1 1 ei n t e r f h c eb e “v e e nt 1 1 ep o j y p r o p y l c n e 矗b e r r e i n f b r c e d p o l y m e rc e m e n tm o r t a r 柚di n t l l m e s c e n tp o l y s t y r e n ef o a m ， l l l l d e rt 1 1 i s e x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，b yu s i n gs e mw e1 ( 1 1 e wt h ep l i a i l c yi n t e r f a c ef o m e df r o mt 】l e m t h a th a sa ne f f 色c to f b u 丘打p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt l l ei n t e r f a c i a lp r o p e r t y k e y w o r d s ：p o l y p r o p y l e n e 硒e rr e i n f o r c e dp o l y m e rc e m e n tm o n a r ； f a c a d eb o a r df o ri n s u l a t i n 2h e a t a n t i c r a c k i n gp r o p e r t y ； s h o c kr e s i s t a n c e ： i m d e r m e a b i l i t v ： i n t e r f a c e ： i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于毕业论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用毕业论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅或借阅；本人授权济南大学可以将本毕业论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本毕业论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 础 ，晔 第一章绪论 1 1 课题背景，7 】 我国近几年特别强调要大力发展节能、节地、利废、保温、隔热等新型轻质墙体 材料和屋面材料，尤其是伴随建筑结构大空间、大柱网、大开间灵活隔断及坡屋顶的 出现，屋面材料的发展趋势将是块状制品向板状制品发展，单一材料形式向复合材料 形式发展，重型材料向轻型材料发展。因此，新型轻质板材越来越受到社会的青睐。 发达国家新型建筑轻质板材用于墙体材料和屋面材料已占有相当的份额。随着我国墙 体材料和屋面材料的改革和建筑节能工作的实施，传统的粘土瓦面临淘汰，这为新型 轻质屋面板材的发展提供了广阔的空间。 屋面作为建筑物的重要部位之一，传热耗热量大，能耗损失约占建筑外围结构总 能耗损失的1 0 ，是建筑节能需要考虑的重点部位。同时，屋面结构处理的好坏直接 影响到建筑物顶层的防水、保温、隔热功能【i 。】，好的屋面材料对提高建筑物的使用 性能和舒适程度会起到很大的作用。目前，屋面保温隔热技术的发展与屋面防水技术 的发展没有很好的结合，往往是一些技术只考虑屋面的保温隔热性能，另一些技术只 考虑屋面的防水性能。能兼顾屋面防水与保温隔热性能的新材料、新工艺还很少。其 主要原因是对屋面防水性能较为重视，对屋面保温隔热在节约能源、提高热工效能方 面认识不够。此外，屋面保温隔热层还是确定砌体房屋伸缩缝最大间距的重要依据， 是防止屋面板与结构接缝开裂的关键因素之一。因此，屋面保温隔热层的设计与施工 会直接对建筑物的节能效果及墙体裂缝产生影响。同时，屋面的保温隔热技术不仅对 建筑节能，而且对屋面的防水性能也影响很大，大量工程实践表明，保温隔热做得好 的屋面，屋面结构所承受的温度应力小，屋面材料出现空鼓、裂缝及由此而引起的屋 面渗漏现象也少。目前普遍使用的屋面防水材料以防水卷材为主，在使用过程中普遍 存在着老化、受热防水卷材流淌等问题。经过多年探索和改进，出现了屋面防水板材， 其虽然克服了传统屋面材料的易老化等缺点，但也逐渐暴露出一些新的问题，如经济 性、施工工艺性、耐久| 生、耐腐蚀性、抗开裂性、保温性等。所以屋面材料只作防水 方面的改进是不够的，还应作屋面形式上的改进，在防水的基础上应兼顾其保温隔热 性、耐久性、耐腐蚀性、抗开裂性、结构性能等。 纤维增强水泥聚苯乙烯泡沫塑料复台屋面保温板的结构与性能研究 如何制作出防水性能好、保温隔热效果佳、价格低、施工安装方便、适合于现行 屋面的防水保温材料，来适应人们对现代建筑屋面的要求，适应国家墙材革新与建筑 节能的需要，已成为重要的研究课题。 1 2 国内外屋面材料发展动剁7 。1 2 】 屋面工程是房屋建筑的重要组成部分，在不断改进建筑外墙、外窗的保温性能的 同时，提高屋面的保温性能也是建筑节能的重要方面，屋面保温隔热的效果好坏，与 屋面的设计、施工和材料有着密切的关系。一般在改进屋面结构的同时，应将屋面防 水与保温隔热同时考虑。对现代建筑而言，屋面的建筑功能，在保证不渗不漏的前提 下，还应满足房屋冬季保温、夏季隔热的需求，以及做好对屋面的保护和延长使用年 限等工作。近年来国内外屋面保温、防水材料的研究与开发也取得了较快的进展。目 前常用的屋面材料有。 ( 1 ) 硬质发泡聚氨酯 硬质发泡聚氨酯用于屋面工程中，既可起到防水也可起到保温的作用。我国屋面 工程使用聚氨酯泡沫，最早的已有十几年的历史。 采用硬质发泡聚氨酯作为屋面材料有现场喷射发泡法与复合预制板法2 种方法。 喷射发泡法是利用2 种组分在喷射时汇合在一起，反应生成发泡聚氨酯，这种方法可 以应用于现场发泡。在不适合现场发泡的情况下，可采用预制复合板法，这种方法的 板与板之间缝隙可用发泡枪注射填充，使聚氨酯泡沫塑料连成整体。采用硬质发泡聚 氨酯作为屋面材料，其保温隔热性能和防水效果都较好，但其成本较高，而且硬质发 泡聚氨酯因其不耐紫外线辐射，其上部必须设置保护层，因此限制了其应用的范围。 ( 2 ) 双向拉伸聚氯乙烯( p v c ) 板 双向拉伸是指在特定的高温下，p v c 片材在互相垂直的两个方向进行等比例伸 拉，使p v c 板材分子链得到重新有序的排列，从而使其分子的内聚力大增，可明显 地提高板材的多种物理及机械性能。此种工艺在拉伸之前，先将防紫外线层与p v c 层共挤，再进行双向拉伸工艺处理，这样可以保证防紫外线层均匀、密实地覆盖于板 材的表层，又与p v c 层完全融合。此工艺生产的p v c 板材在强度及耐久性方面明显 优于普通方法生产的p v c 板材，成为高档p v c 板材，这种板材具有良好的保温隔热 济南大学硕士学位论文 性能和优异的防水性能。双向拉伸聚氯乙烯板成本较高，不适合普通建筑的大量应用。 ( 3 ) 共挤夹芯发泡聚氯乙烯( p v c ) 板瓦 共挤夹芯发泡p v c 板瓦的生产、使用在国内刚刚开始。p v c 板瓦价格适当，外 型美观，防水，绝缘，保温，但其耐久性不是很好，在紫外线的作用下聚氯乙烯( p v c ) 板很容易降解老化，此外，在使用共挤夹芯发泡聚氯乙烯( p v c ) 板瓦用做屋面材料时， 板瓦间的缝隙不易处理，虽然单块共挤夹芯发泡聚氯乙烯( p v c ) 板瓦的保温性能很好， 但将它们拼接在一起时，由于板瓦间存在缝隙而形成大量热桥，其保温效果并不理想。 ( 4 ) 金属压型复合板 金属压型复合板是由彩色涂层钢板( 板厚0 6 l ，o m m ) 做上下表层，自熄型聚苯乙 烯泡沫塑料做芯材，通过自动化连续层压机，将彩色涂层钢板与聚苯乙烯泡沫塑料加 压加热固化制成夹芯复合板。较厚的芯材对表层钢板起着稳定和防止受压变形的作 用，同时芯材具有良好的保温隔热性能。金属压型复合板较厚的芯材，使夹芯复合板 具有较高的弯曲刚度，可以减少屋面的支撑杆件，是一种新型的结构构件，又是很好 的屋面防水部件。金属压型复合板是一种多功能的新型建筑材料，具有防水、保温、 隔热、质轻、装饰、承重等性能，但由于金属材料容易发生锈蚀破坏，耐久性能不好， 因此，金属压型复合板主要应用于大型厂房等建筑，不适合于永久性建筑使用。 ( 5 ) 彩色金属薄壁拱型屋顶 该屋顶是近4 5 年在国内发展起来的一种新型建筑屋顶结构，是在施工现场用机 械( 直板机、弯板机及锁缝机) 将成卷的彩色涂层钢板( 板厚o 扣1 5 m m 之间) 经直板机 冷扎成为u 型槽体，根据所需长度切断，然后送入弯板机折皱冷扎成弧型槽体，再 在地面用锁缝机将几个槽体( 一般为5 个) 咬口连接为一组，再依次吊装到基础或墙体 上，用锁缝机将各组弧型槽体连接成为整体屋顶。可以用于商业建筑、工厂厂房、展 览大厅、集贸市场、体育馆、仓库、军队用房、救灾临建、野外l 临建、码头港口储运 用房等，由于金属材料耐久性能不好，不适用于永久性建筑。 ( 6 ) 聚碳酸酯f p c ) 板 p c 板由机械自动化挤出生产，是一种很好的建筑装饰及屋面防水材料。近些年 来在国内许多大型公共建筑及公共设施中得到了采用，国内目前已有生产线生产。p c 板可用于建筑物的屋顶，车、船、飞机、码头等候亭及顶棚，园林旅游场所装饰及休 息廊亭，墙壁、隔板、幕墙等工程的内外装修，园林、农用温室及室内养殖大棚，公 纤维增强水泥聚苯乙烯泡沫塑料复台屋面保温板的结构与性能研咒 用电话亭、广告路牌、灯箱广告及展示展览布置等设施，但聚碳酸酯在紫外线的长期 照射下，其分子结构会发生变化、降解。必须在材料朝阳面均匀地涂覆上一层具有足 够厚度的紫外线吸收剂，才可以降低太阳光紫外线对聚碳酸酯板材的损伤。而抗紫外 线吸收剂价格昂贵，比板材材料高出若干倍，因此，聚碳酸酯板材的成本往往较高， 不适合普通建筑物大规模的应用。 ( 7 ) 玻璃纤维增强塑料( g r p ) 板瓦 玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢，玻璃钢的用途广泛，我国主要应用于建筑及船、 艇、汽车、飞机叶片、管道等。目前我国玻璃钢产品有2 0 0 0 多种。玻璃钢小波板瓦 的使用始于7 0 年代，均为手工糊制，主要用于比较简易的车间、亭、棚等。现在开 发的玻璃钢板式拱形构件用纤维缠绕的方法生产。每榀g r p 拱板宽度为1 m 以上， 厚度3 5 m m ，跨度可达3 0 m 。g r p 拱板屋面构造简单，不需梁架、檩条，每榀之间 阴阳槽搭接，附以螺钉锚固，加强的部位可用密封胶嵌缝。此玻璃钢拱板构件在屋面 工程中使用，具有现场施工速度快、文明，质量保证度高，防水效果也不错，造价较 低，通常不需维修，抗震性能好，适于厂房、仓库、亭廊等建筑，但由于玻璃钢制品 的耐久性问题不适用于永久性建筑，其不具备保温功能，应用范围只局限于对保温要 求不高的建筑上。 ( 8 ) 彩色水泥瓦 彩色水泥瓦是用水泥加砂子、少量颜料按一定的比例拌制，用机械挤压成型法， 配以多道工艺生产出来的。此瓦不需烧结，但装饰效果、强度、寿命均优于粘土瓦， 生产效率高( 每班产量可高达5 0 0 0 m 2 ) 。主要用于建筑的坡屋面。琉璃瓦以前主要用于 古建筑的维修以及仿古建筑的屋面，近些年来，在许多公共建筑上也得到了采用，主 要是起到装饰与周围环境协调的作用。琉璃瓦分为有光型的和亚光型的，琉璃瓦的建 筑给人以古朴端庄、气势恢弘的感觉。彩色水泥瓦拼装缝隙较多，防水效果受施工质 量等因素的影响较大，另外彩色水泥瓦不具备保温隔热功能，因此其使用范围和用量 不大。 ( 9 ) 玻璃防水板 随着玻璃幕墙工程的发展，玻璃屋面板的使用也越来越多，此外，有些建筑物的 功能需要，也采用了玻璃作为屋面防水。玻璃采用强化处理，有很好的抗冲击性能。 玻璃板镶嵌于金属龙骨或檩条上，玻璃板与板之间用硅酮密封胶嵌缝。主要用于高档 济南大学硕士学位论文 大型建筑的屋面工程，以及有特殊装饰及采光功能要求的建筑物( 如坡屋面的天窗 等) 。此屋面造价高，一般工程不会采用。 ( 1 0 ) 膨胀珍珠岩保温材料 在我国建筑工程上使用膨胀珍珠岩做屋面保温，开始时是在屋面上散铺膨胀珍珠 岩保温层，然后再做找平层和防水层。但是，在屋面上散铺，施工中珍珠岩容易被风 吹走，难以保证设计的保温层厚度。在屋面保温施工中若遇下雨，膨胀珍珠岩就会吸 收大量雨水，在短时间内不可能干燥。若在膨胀珍珠岩尚未干燥时做防水层，就会出 现保温工程事故。为克服散铺的缺陷，后又普遍改为抹水泥膨胀珍珠岩保温砂浆作屋 面保温层，这样虽较易实现设计保温厚度的要求，但由于湿作业施工，大量水分被膨 胀珍珠岩吸收，需要很长的干燥时间，从而使保温施工周期拖得很长。若在保温层未 干燥之前就做防水处理，则屋面防水层夏天易起鼓，冬天易破裂，造成雨水渗漏。屋 面保温材料也将因大量吸水而失去保温性能。憎水型膨胀珍珠岩保温块的出现解决了 面保温材料因吸水而出现的问题，但在同时，块状憎水型膨胀珍珠岩易碎性，导致其 旌工的难度，并且珠岩保温块的块与块之间的缝隙不好处理，容易造成屋面的漏水。 这些缺点限制了珠岩保温材料的使用范围。 ( 1 1 ) f s g 防水保温板 f s g 防水保温板是以膨胀珍珠岩散料为骨料，加入防水剂、环氧树脂粘结剂，经 配制、筛选、加压成型、烘干等工艺制成的防水隔热保温构件。f s g 防水保温板的密 度小，热导率低，强度高，憎水性好，含水率低，具有稳定性好、施工方便等特点。 但是由于造价不低，也影响了它的推广使用。 ( 1 2 ) 其他屋面防水保温材料 比如粉煤灰屋面保温隔热砖、炉渣砖造价低，具有一定的保温隔热功能，但防水 功能差。具有防水功能的硫化型橡塑防水卷材、改性沥青防水卷材等，这些产品对建 筑屋面的防水起到了较好的效果，但由于光氧老化或者增塑剂迁移等原因，耐久性较 差，而且也不具备保温隔热功能，不能适应当今建筑节能的要求。并且当这些屋面材 料与其它保温材料混合使用时，往往两者之间不能形成良好的界面结合，容易出现施 工质量问题，从而降低了这些材料在屋面上使用的性能和使用寿命。 综上所述，屋面材料应重点发展能够集保温隔热、防水、结构等多项功能于一体 的多功能屋面材料；屋面材料的结构形式应该由块状向板状方向发展，减少屋面构件 纤维增强水泥聚苯乙烯泡沫塑料复合屋面保温板的结构与性能研咒 缝隙，减少现场施工环节，降低施工现场人工操作的技术难度及劳动强度，提高现场 机械自动化施工水平，提高施工安装的可靠性，并有利于坡屋面的应用，保证屋面工 程质量；在屋面材料的生产上，应能够实现机械( 自动) 化生产，提高工厂机械化、自 动化生产的水平，提高生产效率。将是今后屋面材料发展的主流方向。 1 3 纤维增强水泥的国内外动态 1 7 - 2 8 ，3 0 。3 1 ，3 5 】 用于增强水泥基复合材料的纤维品种很多。9 1 ，主要有钢纤维、石棉纤维、天然纤 维和合成纤维、玻璃纤维。科学家和工程师对这些纤维增强水泥基材料进行了广泛的 研究，取得了许多有意义的研究结果并且其中某些品种已经应用于工程建设中。 ( 1 ) 钢纤维增强水泥基材料 钢纤维增强水泥基材料是纤维增强水泥基材料理论研究最早的一种。与其它增强 纤维相比钢纤维增强水泥基材料研究得最广泛最深入。目前，钢纤维增强水泥基材料 在工程建设中应用最广，钢纤维的消耗量仅次于石棉纤维。 钢纤维加入到水泥基材料中后，改变了材料的破坏方式，提高了材料的强度( 包 括热压强度、抗拉强度和抗弯强度，特别是大幅度提高了材料的韧性。另外，复合材 料的耐磨性、耐疲劳性、抗冲击性和冻融性等也有不同程度的改善。钢纤维增强水泥 基材料的用途广泛，主要应用于公路、飞机跑道、工厂地板、堤坝桥墩、以及河流水 库、隧道的内衬等。 ( 2 ) 岩棉纤维增强水泥基材料【2 3 ，2 7 ，5 2 】 岩棉纤维增强水泥基材料是现代最早应用的纤维增强水泥基材料，也是用量较大 的纤维增强水泥基材料之一。目前，世界每年用于增强水泥材料的岩棉纤维大约为 2 0 0 万吨。岩棉纤维来源丰富价格低廉，具有很高的强度和模量，且纤维与水泥基体 相互作用良好，是一种传统的水泥制品增强纤维。近年来的研究发现，岩棉纤维对人 体具有较大的危害，许多发达国家已经逐步禁止岩棉纤维增强水泥制品的使用。 ( 3 ) 天然纤维增强水泥基材料旧2 4 ，3 0 t 3 5 天然纤维主要是指自然界中生长的植物形成的一类纤维，其纤维品种和数量非常 巨大，取之不尽，用之不竭。天然纤维增强水泥基材料的研究与开发，具有重要的意 义和广阔的前景。可用于增强水泥基材料的天然纤维很多，主要有棉秸、玉米秸、黄 济南大学硕士学位论文 麻、亚麻、剑麻、椰子壳、甘蔗渣、木纤维等。许多科学家从事了天然纤维增强水泥 基材料的研究，并已发表了大量的研究论文和综述评论。天然纤维加入到水泥基材料 中后，复合材料的强度和韧性都有明显的提高。与玻璃纤维相似，在碱性环境中，天 然纤维会发生分子降解而失去力学性能。因此，其增强水泥基材料同样存在长久使用 性问题。某些科学家采用天然纤维涂覆疏水保护剂或采用低碱性基体的方法，来解决 天然纤维增强水泥基材料的耐久性问题，但最终结果仍不十分理想。因此，如何提高 天然纤维的耐碱性，提高天然纤维增强水泥基材料的耐久性需要进一步深入研究。 ( 4 ) 合成纤维增强水泥基材料1 8 2 2 】 迄今为止，在国际上用于增强水泥基材料的合成纤维主要有维纶( 聚乙烯醇纤 维) 、脂纶( 聚丙烯脂纤维) 、丙纶( 聚丙烯纤维) 与乙纶( 聚乙烯纤维) 。采用合成纤维增 强水泥基复合材料应重点考虑其与水泥材料的弹性模量匹配问题、耐久性问题及纤维 与基体的界面结合问题。 根据对用维纶制造的水泥板耐久性研究结果，认为此种制品即使长期暴露于大气 中仍具有较高的强度，但其韧性随时间推移而有所下降。主要是由于纤维与水泥基体 界面的粘结强度不高所致。目前，英国、德国、瑞士、比利时、意大利等国均在用维 纶替代石棉纤维生产水泥板。为充分发挥聚丙烯纤维对水泥基体的增强作用，英国萨 里大学用经高倍拉伸制得的纤化聚丙烯纤维，以较高的体积率掺加于水泥基体中，在 实验室内制成抗拉强度与变形能力均较高的薄壁纤维水泥板。意大利f f 6 ，d 疗打公司根 据英国此项技术的专利进行了商业性开发，设计并制作了专门生产纤化聚丙烯增强水 泥板的装备，产品的商品名称为“肫，c p ”。根据l o 年大气暴露的试验结果， 塘f c p 波板的耐久性是令人满意的，但尚需积累更长期的试验资料。英、美等国还研究了将 编织聚丙烯纤维网格布以较高的体积率掺加于水泥基体中，也得到了较好的试验结 果。 ( 5 ) 玻璃纤维增强水泥基材料【2 5 2 6 ，2 9 ，3 7 j 玻璃纤维具有很高的强度和模量，并且来源丰富制造成本较低，是复合材料增强 纤维的主要品种之一。最早进行玻璃纤维增强水泥基材料研究的，当属前苏联科学家 肋v “幻v 七 等人，我国科学家也曾参与了早期研究工作。 普通玻璃纤维的耐碱性较差，在水泥基体这样的碱性环境中极易失去其强度和刚 性。六十年代以前，玻璃纤维的耐久性问题一直没有得到解决，因此玻璃纤维增强水 纤维增强水泥聚苯乙烯泡沫塑料复合屋面保温板的结构与性能研究 泥制品一直未被大范围推广应用。直到七十年代初期，英国建筑研究院向普通玻璃纤 维中加入二氧化锆，研制成功了耐碱玻璃纤维后，玻璃纤维增强水泥制品才由英国的 p 腑馏f d n 肌砌椰公司大量生产推广应用。 ( 6 ) 混杂纤维增强水泥板1 3 l 】 混杂纤维增强水泥板是采用两种或两种以上不同材质、不同性能的纤维作为增强 材料制成的。由于这些纤维相互取长补短，因而有可能使制品获得较优异的性能。例 如意大利m ，d ”f ，公司在9 0 年代采取了用纤化聚丙烯薄膜、抗碱玻璃纤维无捻粗纱 与抗碱玻璃纤维短切原丝混杂增强的措施，开发了商品名称为月e f j v e r 的纤维水泥复 合材料，其力学行为既优于纤化聚丙烯薄膜增强水泥，优于玻璃纤维增强水泥。又如 德国用螭 f ，公司在抄取法制造压蒸无石棉纤维水泥平板时，同时掺加木浆纤维与聚 丙烯纤维，日本松下电工公司在挤出法制造压蒸无石棉纤维水泥多孔条板时，也同时 掺加纸纤维与聚丙烯纤维。混杂纤维增强水泥板将是今后的一个研究热点。 1 4 纤维增强水泥的理论研究现状陋5 2 】 纤维对基体的增强作用表现在当材料受到外力作用时，应力使材料变形，这种应 力将从基体传到纤维，纤维和基体共同承受外来应力，纤维起到了增强作用。如果应 力使基体开裂，应力将全部转移到纤维上，直至纤维被破坏。这种损坏机理上的变化， 使复合材料的下述性能得到改善：柔韧性、坚固性、抗冲击性、受拉性、抗挠强度、 疲劳寿命、抗磨损、收缩性、耐久性等。 关于纤维增强水泥材料的增强机理主要有两种观点1 38 1 。一种是美国学者尺m “甜d ，f 提出的纤维间距机理f 4 2 】，根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束 作用。该理论认为在水泥材料内部原来就存在缺陷，欲提高这种材料的强度，必须尽 可能地减少缺陷的程度提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。理论分析与实 验证明，当纤维的平均中心间距小于7 6 m m 时，纤维增强水泥材料的抗拉弯初裂强 度均得以提高；另一种是英国的乳 即f 等人提出复合材料机理口9 】，理论出发点是复 合材料构成的混合原理，将纤维增强水泥材料看作是纤维强化体系，并应用混合原理 来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度，提出了纤维增强水泥材料强度与纤维的掺入 量、方向、长径比以及粘结力之间的关系。 1 5 本论文的主要研究内容 本课题的主要内容是设计一种屋面保温板，可用于新建屋面，也可用于既有建筑 屋面的改造。由于是从外侧保温，其构造必须能满抗渗性能的要求，还要求满足在四 季变化的条件下，不至于产生裂缝，并能抵抗外界可能产生的碰撞作用的要求。该屋 面保温板的结构由防护部分和保温部分组成，即纤维增强水泥砂浆防护层和聚苯乙烯 泡沫塑料保温层，通过复合制作成屋面保温板，并对该屋面保温板基本性能和纤维增 强水泥基复合材料的结构与性能进行系统的研究，具体包括以下六个方面： ( 1 ) 各种原材料成分的测试与分析； ( 2 ) 纤维增强水泥屋面保温板的结构设计的确定； ( 3 ) 屋面保温板面层材料最佳配比的确定： ( 4 ) 聚丙烯纤维聚合物砂浆抗裂性能的研究； ( 5 ) 聚丙烯纤维聚合物砂浆长期性能研究； ( 6 ) 聚丙烯纤维聚合物砂浆聚苯板界面结合性能的研究。 2 1 原材料及分析 第二章原材料分析与实验条件 2 1 1 胶结材料 选用淄博水泥厂生产的4 2 5 r 快硬硫铝酸盐水泥( r s a c ) 为复合屋面保温板的面 层胶结材料，因为水泥材料来源广、耐水性好、耐久性好，另外硫铝酸盐水泥与传统 硅酸盐水泥相比，其主要水化产物州3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ( 钙矾石) 和 a 1 2 0 3 3 h 2 0 与c a 0 s i 0 2 一h 2 0 和c a ( o h ) 2 相比，含有大量结晶水，因此在相同水灰比 情况下，钙矾石不仅使硫铝酸盐水泥石总孔隙率大大降低，而且为集料与硬化水泥浆 体之间的界面区造成相对干燥的环境，且其水化液相的p h 值较低，因此可以推断硫 铝酸盐水泥具有较好的抵抗碱集料反应性能。所选水泥需要符合g b 1 7 2 标准要求。 其主要化学成分为c a o 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 、f e 2 0 3 和s 0 3 。各氧化物的含量见表2 一l 。 表2 1 快硬硫铝酸盐水泥化学成分 通过x 射线衍射分析进一步确定快硬硫铝酸盐水泥的主要化学成分，衍射图如 图2 1 。 品 葛 ；j 一臻一i 图2 1 快硬硫铝酸盐水泥的x 射线衍射图 2 1 2 保温隔热材料 建筑中使用的保温隔热材料品种繁多，其中使用的最为普遍的保温隔热材料，无 1 0 济南大学硕士学位论文 机材料有膨胀珍珠岩，加气混凝土，岩棉、玻璃棉等，有机材料有聚苯乙烯泡沫塑料、 聚氨酯泡沫塑料等，这些材料保温隔热效能的优势，主要由材料热传导性能的高低所 决定，综合性能各不相同。 ( 1 ) 膨胀珍珠岩是用珍珠岩颗粒经焙烧膨胀制成，在我国因原料来源丰富，生 产工艺较简单，产量很大，价格较廉。此产品呈颗粒状，质轻，松散密度为每立方米 5 0 1 5 0 公斤左右，但易吸水，受潮后绝热效果大大降低。 ( 2 ) 岩棉，一种由玄武岩、安山岩等矿物熔化后用喷吹法或离心法制成纤维， 再加入胶粘赉j 制作成板状，毡带状、管壳状的制品，容重为每立方米约8 0 一2 0 0 公斤， 耐热性能好，一般使用温度达3 5 0 ，特别适用于窑炉及管道保温。在受荷重情况下， 空重增加，保温性能有所降低。 ( 3 ) 玻璃棉，是以硅沙、石灰石、石英石等原料熔化，用焰法、离心法或喷吹 法制成。纤维直径较细者为优，质量较佳的是平均直径为7 微米的1 号玻璃棉，但渣 球必须少，它亦可制成板、带、毡、管、壳等制品使用。其质轻，容重只有每立方米 1 5 3 0 公斤左右。钠、挂或粘贴较方便，用于斜屋顶天棚保温较好，不要在露天存放， 避免吸水。 ( 4 ) 聚氨酯泡沫塑料，按原料不同有聚型和聚酯型两种，经发泡反应制成；有 软质和硬质之分。软质聚氨酯轻，弹性好、撕力强、防震性好。硬质强度高，不吸水， 不易变形，而从我国在这方面的发展来看，与国外相比，技术水平较低，主要原料依 赖进口，价格不断升高，严重阻碍了聚氨酯在建筑工业中的大规模应用。 ( 5 ) 聚苯乙烯泡沫塑料，有膨胀型及挤出型两种。两种板材热阻力都大于 o 6 5 m 2 “w ，目前膨胀型板( e p s ) 板由于轻巧方便，使用的十分普遍。此种材料容 量轻，每立方米重1 5 5 0 公斤，易切割，吸水率低，抗压强度较高，耐一8 0 低温， 加入阻燃剂后有自熄性，化学性能稳定，能抵抗酸、碱、盐的侵蚀。挤塑型聚苯乙烯 泡沫板( x p s ) 具有微细蜂窝状结构，抗湿性能优越。 由于两种聚苯乙烯材料的使用温度范围较广，热阻较大，保温效果较好，因此本 实验初步设想从膨胀型聚苯乙烯泡沫塑料板和挤塑型聚苯乙烯泡沫塑料板中选用一 种作为屋面保温板的保温隔热材料。事实上，从吸水性考虑，作为倒置保温面层的保 温材料，目前最理想的材料应是挤塑型聚苯板。但是由于x p s 板价格较高，为了降 低成本，便于推广，本实验主要选用膨胀型聚苯乙烯泡沫塑料板( 阻下简称聚苯板) 作为保温材料来进行研究。对聚苯板的主要性能指标要求见表2 - 2 。 表2 2 聚苯板的主要性能指标 各项物理性能名称单位指标 密度 蚝m 3 三1 8 0 导热系数kpa 郢0 4 1 抗压强度 k p a兰6 9 抗拉强度kpa 三1 0 3 抗弯强度 k p a三1 7 2 剪切模量 k p a三2 7 5 8 水蒸气渗透系数 k g m h p a 茎1 0 3 x 1 0 1 体积吸水率 盟5 尺寸稳定性 金0 氧指数 兰3 0 o 火焰扩散指数 里5 烟密度指数 曼4 5 0 板长+ 宽 m m 9 2 0 0 6 0 0 2 1 _ 3 增强材料 在复合材料中，凡是能提高基体材料机械性能( 包括抗弯曲性能、抗冲击韧性、 抗裂性能、抗压强度、抗收缩性能等) 、弹性模量等力学性能的材料都称为增强材料。 复合材料是一种多相体系，其中基体材料作为分散介质，增强材料作为分散相，两者 互不混容，通过增强材料与基体材料的界面而构成一个具有统一结构的材料整体。增 强材料不仅改变复合材料的机械性能，而且能够降低收缩率。由于屋面保温板的面层 一聚合物砂浆要直接与外界自然环境接触，长期经受风吹日晒、雨雪浇淋，因而需要 具备一定的强度和抗裂性。 采用玻璃纤维增强的水泥砂浆虽然在强度方面比普通砂浆和混凝土有了较大提 高，但是玻璃纤维对碱性物质的抗侵蚀性差，导致产品耐久性差，影响了其大范围的 推广应用：碳纤维增强水泥砂浆力学强度高、耐久性能好，但是价格较高，影响了其 应用范围，不太适合我国的国情：聚丙烯纤维作为水泥砂浆抗裂增韧纤维，其耐久性 能好，与水泥的相适性好，价格适中，因此聚丙烯纤维的这种功能使其很适用于屋面 工程，对提高屋面板的整体抗裂性、改善使用功能非常有利。 本实验中采用四川华神化学建材有限责任公司生产的聚丙纤维作为增强材料，横 截面为三叶型，由于纤维表面经过改性，使其与水泥基体的亲和力得到显著提高，其 性能指标见表l 。 表l 聚丙烯纤维性能指标 序号项目名称技术指标 1 密度k g ，m 3 9 0 0 - 1 0 0 0 2 熔点 1 5 5 1 6 5 3 燃点 兰5 5 0 4 导热系数w i ( m 郢5 5 体积电阻系数q c m 三6 1 0 2 6 抗酸碱系数 o 9 9 - 1 们 7 抗拉强度m p a 三5 0 0 8 杨氏弹性模量m p a 3 5 0 0 9 断裂伸长率 1 0 - 2 0 1 0 横截面( 图2 1 ) 三叶型 2 1 4 中细砂 采用河砂，细度模数2 8 ，含泥量 3 ( 权值3 )3 9 翌( 权值2 ) 2