馮 濤,徐玲玲,石 鑫,韓 健

(南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

村鎮(zhèn)綠色民居是基于節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少污染的目標(biāo),結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)實(shí)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(jì)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(chǎng)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(chǎng)預(yù)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(dòng)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(diǎn),能夠有效解決因村鎮(zhèn)建筑工人缺乏對(duì)建筑材料配比的科學(xué)認(rèn)知而產(chǎn)生的部分問(wèn)題農(nóng)房的現(xiàn)狀。我國(guó)裝配式建筑始于20世紀(jì)50年代,相比于西方國(guó)家,建筑工業(yè)化程度不高,市場(chǎng)所占份額較低,雖然相關(guān)政策類(lèi)研究較多,但仍缺少相關(guān)技術(shù)類(lèi)研究[1]。近年來(lái),裝配式建筑在國(guó)家的大力推廣下,發(fā)展迅速,相關(guān)體系與標(biāo)準(zhǔn)已陸續(xù)建立。

在一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),村鎮(zhèn)住宅主要形式為獨(dú)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(hù)結(jié)構(gòu)中面積占比相對(duì)較大,為了滿(mǎn)足低能耗建筑設(shè)計(jì)的要求,需要考慮地面?zhèn)鳠岬脑O(shè)計(jì)。傳統(tǒng)村鎮(zhèn)民居地面材料從直接夯土壓實(shí)或鋪設(shè)黏土磚發(fā)展至澆筑混凝土,近幾年隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高,在混凝土基礎(chǔ)上鋪裝木地板和瓷磚也相對(duì)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(duì)于村鎮(zhèn)民居地面系統(tǒng),有待科研人員研發(fā)一種可進(jìn)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(fù)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(xué)作用的表面層,易產(chǎn)生開(kāi)裂、磨損等問(wèn)題,地面系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)水泥基材料硬化后的力學(xué)性能、耐磨性、耐久性提出了更高的要求,需要通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)以達(dá)到應(yīng)用要求,并能與其他層之間相互匹配,達(dá)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(shè)計(jì)要求

水泥基面層材料的配合比設(shè)計(jì)就是基于性能指標(biāo),將用于改善性能或達(dá)到規(guī)范參數(shù)的各組分原料進(jìn)行定量研究和相互匹配的過(guò)程,經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的理論配合比,通過(guò)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為滿(mǎn)足施工要求的基準(zhǔn)配合比,再因現(xiàn)場(chǎng)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(shè)計(jì)原則及方法

為了保證綠色復(fù)合板材地面系統(tǒng)在使用期限內(nèi)無(wú)空鼓、裂縫的產(chǎn)生,目前主流的方法是采用“硬底軟面”的設(shè)計(jì):即保證基層的剛度、強(qiáng)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(qiáng)度和保溫性能;通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度的水泥基材料增韌以達(dá)到分散面層應(yīng)力的作用。對(duì)于各層之間的相容性,可以通過(guò)有限元方法和彈性層狀體系理論來(lái)闡述,即假設(shè)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(dǎo)出滿(mǎn)足應(yīng)力軸對(duì)稱(chēng)分布基本微分方程式的應(yīng)力函數(shù),再通過(guò)5大基本假設(shè)設(shè)定相應(yīng)的邊界條件,即可計(jì)算內(nèi)部應(yīng)力和位移的表達(dá)式。

根據(jù)理論模型計(jì)算出來(lái)的參數(shù)作為材料配合比設(shè)計(jì)的指標(biāo),基于性能指標(biāo)選取原料并將各原料相互匹配以達(dá)到設(shè)計(jì)性能。目前關(guān)于配合比設(shè)計(jì)的方法包括基于緊密堆積理論的設(shè)計(jì)方法,這種方法由吳中偉院士在1955年進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)提出的:先確定水膠比、摻合料用量和減水劑用量,混合后測(cè)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(yīng)用在砂漿性能的研究上,采用Andrease方程計(jì)算顆粒級(jí)配作用,實(shí)現(xiàn)膠凝材料體系的最緊密堆積,提高基體密實(shí)度,從而增強(qiáng)力學(xué)性能。該方法的計(jì)算式見(jiàn)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?jǐn)?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(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相差較大,所以目前一般以文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo),通過(guò)系列實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最佳配合比。Xu等[5]采用正交試驗(yàn)的方法研究了配合比設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,通過(guò)正交試驗(yàn)的方法確定了最佳配合比,這具有很好的工程適用性。基于水灰比定則的配合比設(shè)計(jì)方法,能夠通過(guò)強(qiáng)度預(yù)測(cè)得出配合比設(shè)計(jì)方案。

1.2 配合比計(jì)算模型

為了實(shí)現(xiàn)勻質(zhì)高強(qiáng),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(yīng)用廣泛的鮑羅米公式,引入纖維、聚合物和摻合料對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù),相比于Andrease方程,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算較為接近,其計(jì)算式見(jiàn)式(2)。

(2)

式中:Fcu為砂漿配制強(qiáng)度,MPa;fce為膠凝材料強(qiáng)度的等級(jí)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(qiáng)度的擬合回歸系數(shù);α為聚丙烯纖維對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù);β為樹(shù)脂聚合物對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù);γ為摻合料對(duì)強(qiáng)度影響的系數(shù)。

在式(2)的基礎(chǔ)上,以拌合物的流動(dòng)性及稠度作為用水量的標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)有減水型外加劑時(shí),通過(guò)試驗(yàn)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(jì)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(shí)體積;Vb為摻合料的實(shí)體積;Vw為水的體積;Va為外加劑的實(shí)體積;Vp為樹(shù)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?jǐn)?shù))。

2 配合比設(shè)計(jì)影響參數(shù)

配合比設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)最重要的影響因素。既要滿(mǎn)足水泥水化反應(yīng)的需要,達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度,又要使?jié){體具有一定的流動(dòng)度,便于成型。李傳習(xí)等[6]研究了水膠比對(duì)摻有粉煤灰的高性能混凝土力學(xué)性能的影響,結(jié)果如圖2所示,隨著水膠比的增大,強(qiáng)度均出現(xiàn)大幅度的降低,可以看出水膠比是配合比設(shè)計(jì)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(qiáng)度出現(xiàn)下降的情況。Wille等[8]指出,只有在流動(dòng)性得到改善時(shí),降低水膠比才能提高強(qiáng)度。

圖2 水膠比對(duì)高性能混凝土力學(xué)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(lái)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(lái)達(dá)到固廢利用的目標(biāo)。摻入粉煤灰能夠降低整體水化產(chǎn)生的熱量,增強(qiáng)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(dòng)性和黏聚性,進(jìn)而提高水泥基材料的后期強(qiáng)度,增強(qiáng)基體密實(shí)度。摻入過(guò)多的粉煤灰對(duì)水泥基材料的早期強(qiáng)度不利,但隨著水泥外加劑尤其是高效減水劑應(yīng)用以及堿活化技術(shù)的發(fā)展,粉煤灰的摻量(質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)材料加到水泥基材料中,能夠解決水泥基材料在實(shí)際應(yīng)用中的很多問(wèn)題,如水泥在凝結(jié)硬化過(guò)程中的收縮開(kāi)裂,從而影響材料的耐久性,還有部分工程應(yīng)用中對(duì)抗拉強(qiáng)度、韌性、極限延伸率有相對(duì)較高要求,而這些性能正是普通水泥基材料欠缺的。纖維類(lèi)型的不同,起到的增強(qiáng)作用也不同,按材料的類(lèi)別將工程應(yīng)用涉及的纖維分為3類(lèi):金屬纖維、無(wú)機(jī)纖維、有機(jī)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(yīng)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(yīng)用廣泛,但其缺點(diǎn)也較為明顯,首先成本因素限制了鋼纖維的大量應(yīng)用,這里成本也包括金屬纖維對(duì)攪拌器械的磨損,其次金屬纖維的分散性較低,且對(duì)混凝土的和易性不利。

無(wú)機(jī)纖維中,玻璃纖維是主要的研究?jī)?nèi)容,但其存在抗堿性不足的特點(diǎn),影響了材料的耐久性,也有抗堿玻璃纖維應(yīng)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(wú)機(jī)纖維中各項(xiàng)性能都較為優(yōu)異的理想材料,但其脆性大對(duì)水泥基材料的增韌效果不佳,且價(jià)格高昂,所以在建材領(lǐng)域應(yīng)用較少。

隨著合成工業(yè)的發(fā)展,有機(jī)纖維逐漸成為纖維增強(qiáng)材料的重點(diǎn)應(yīng)用材料。高強(qiáng)度、高模量的有機(jī)纖維價(jià)格高昂;低強(qiáng)度、低模量的有機(jī)纖維,如聚丙烯纖維,價(jià)格低廉,但纖維表面疏水,導(dǎo)致與膠凝材料的黏結(jié)性較差,在水泥基體受載荷時(shí),纖維易出現(xiàn)滑移軟化現(xiàn)象,可以通過(guò)加入摻合料和降低水膠比提高基體的密實(shí)度,進(jìn)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(qiáng)了水泥基材料的韌性,但過(guò)高的摻量會(huì)阻礙水泥顆粒的水化,降低體系的強(qiáng)度。追求抗?jié)B性而加入過(guò)多的聚合物還會(huì)使砂漿層的水氣透過(guò)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(yīng)用廣泛。聚合物種類(lèi)包括聚丙烯酸酯類(lèi)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)類(lèi)、橡膠類(lèi)、環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)[12]、聚乙烯醇類(lèi)。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域,根據(jù)水泥基材料性能的側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行聚合物種類(lèi)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(xué)性能、耐腐性、黏結(jié)性選擇樹(shù)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(qiáng)度不至于在使用過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂、脫離等問(wèn)題,還要具備一定的隔潮功能。因此，將力學(xué)性能、耐磨性、耐久性作為主要的技術(shù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行材料組成與性能關(guān)系的闡述。

3.1 力學(xué)性能

粉煤灰對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較大,對(duì)水泥基材料的作用表現(xiàn)在兩個(gè)方面,即物理填充效應(yīng)和化學(xué)填充效應(yīng)。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(shí)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?；瘜W(xué)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(rèn)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(yīng),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(xué)填充同樣減少了材料內(nèi)部的空隙,提高了密實(shí)度[14]。豐曙霞等[15]利用背散射電子圖像分析技術(shù)對(duì)二次水化過(guò)程進(jìn)行了定量研究,并修正了現(xiàn)有的反應(yīng)模型,通過(guò)這種模型計(jì)算的CH吸收量及化學(xué)結(jié)合水量與實(shí)驗(yàn)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(yīng)產(chǎn)生了2種影響:一是強(qiáng)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(qiáng)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(tái),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(tái)上生長(zhǎng)并填充微孔,使強(qiáng)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(qiáng)度降低幅度和回升幅度的關(guān)鍵。

纖維和聚合物是針對(duì)提升材料韌性而摻入的增強(qiáng)材料,其中聚丙烯纖維對(duì)韌性的增幅效果最為明顯。Hannant等[18-19]認(rèn)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(shí),易被拔出,不可能使基材出現(xiàn)多縫開(kāi)裂,這也解釋了聚丙烯纖維對(duì)水泥基材料抗折強(qiáng)度提升幅度不大的問(wèn)題。聚丙烯纖維可作為脆性水泥材料的增強(qiáng)材料,有研究表明摻入體積分?jǐn)?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(shí)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(duì)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?jǐn)?shù)在0.5%時(shí),EVA改性砂漿的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。祝玉亭[22]在混雜纖維混凝土板彎曲韌性實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，摻入體積分?jǐn)?shù)為0.7%～0.9%纖維時(shí),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(duì)環(huán)氧樹(shù)脂砂漿力學(xué)性能影響的過(guò)程中(以環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示),通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的摻量為0.8%時(shí),抗折、抗壓性能均達(dá)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(kāi)裂的研究中發(fā)現(xiàn)，在摻入體積分?jǐn)?shù)為0.6%～2.0%纖維時(shí),抗折韌性隨著摻量和纖維長(zhǎng)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(duì)水泥基材料抗折強(qiáng)度的影響,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,聚丙烯纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果較好,且在摻量為1%時(shí),比空白樣抗折強(qiáng)度增強(qiáng)了16%。Skouruph等[26]在利用聚乙烯醇纖維改善用于砌筑的砂漿實(shí)驗(yàn)中,得出纖維的應(yīng)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(duì)抗壓強(qiáng)度和外觀無(wú)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(huì)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(zhǎng)纖維、短纖維和微纖維3種類(lèi)型的鋼纖維對(duì)高性能混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明：微纖維優(yōu)勢(shì)在于提高活性粉末混凝土的極限抗拉強(qiáng)度,但對(duì)抗拉延性沒(méi)有影響,并且能降低混凝土的黏性；短纖維優(yōu)勢(shì)在于提高軸心抗拉強(qiáng)度；長(zhǎng)纖維由于重力效應(yīng)明顯,易成團(tuán)進(jìn)而阻礙了摻量的提升。

纖維在水泥基材料中的作用機(jī)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(fù)合材料基礎(chǔ)之上的復(fù)合力學(xué)理論。

纖維間距理論認(rèn)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(yīng)力集中是導(dǎo)致水泥基材料開(kāi)裂以及破壞的主要原因[30]。當(dāng)纖維均勻地分布在水泥基材料中時(shí),這些缺陷被包圍在纖維之間,這時(shí)候在外部載荷的作用下,原先應(yīng)力集中的點(diǎn)(裂紋尖端)就形成了擴(kuò)展應(yīng)力場(chǎng),而在靠近缺陷的纖維界面處將產(chǎn)生與裂紋尖端擴(kuò)展應(yīng)力反向的應(yīng)力場(chǎng),從而降低了裂紋尖端的應(yīng)力集中系數(shù),限制裂紋的發(fā)展,增強(qiáng)了水泥基材料的強(qiáng)度。在纖維的直徑和長(zhǎng)度一定時(shí),增強(qiáng)效果與纖維的平均間距有關(guān)。

復(fù)合力學(xué)理論在纖維增強(qiáng)水泥基材料上的應(yīng)用是基于4個(gè)假設(shè):①纖維與水泥基材料均呈彈性變形;②纖維沿著應(yīng)力作用方向連續(xù)排列;③纖維與基體發(fā)生相同的應(yīng)變值;④纖維與水泥基材料黏結(jié)性好,不發(fā)生滑動(dòng)。在外部載荷作用下,當(dāng)水泥基材料的應(yīng)變達(dá)到開(kāi)裂應(yīng)變時(shí),基體開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫,當(dāng)裂縫尖端擴(kuò)展到纖維附近時(shí),纖維這時(shí)候就如墻一樣阻止了裂紋的繼續(xù)前進(jìn),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(gè)基體發(fā)生裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展而破壞。

關(guān)于聚合物對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的作用,目前改性機(jī)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(gè)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(gè)階段,根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究將聚合物的改性機(jī)制歸納成5點(diǎn)[32]:①均勻分散在水泥凝膠中的聚合物,在一些復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)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(qiáng)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(lèi)似,在有應(yīng)力的時(shí)候起到架橋作用,分散并轉(zhuǎn)移應(yīng)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(qiáng)度遠(yuǎn)大于水泥的拉伸強(qiáng)度[33],能提高系統(tǒng)的拉伸強(qiáng)度。同時(shí)也改善了膠凝材料與骨料的界面狀況,增大了黏結(jié)力,對(duì)抗壓、抗彎強(qiáng)度做出貢獻(xiàn)。⑤有研究表明聚合物上的一些官能團(tuán)如羥基、羧基、酯基能夠與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[34],這些鍵合的大分子體系[35]相互交織成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。

同時(shí)也有眾多研究表明聚合物對(duì)水泥水化有延遲效應(yīng)[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(jìn)程,這也是聚合物使得硬化漿體強(qiáng)度下降的原因之一。

3.2 耐磨性

在民居環(huán)境下,常見(jiàn)的磨損形式可分為滑移磨損、疲勞磨損、磨粒磨損[37]。滑移磨損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(kuò)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(shí)度以及膠凝材料與骨料的黏結(jié)力3種。對(duì)于耐磨性提升的研究,一部分內(nèi)容與抗壓強(qiáng)度相同,這也是大多數(shù)研究聚焦于力學(xué)強(qiáng)度的原因,不同的是,抗壓強(qiáng)度的提升一般是整體的,而耐磨性可以只對(duì)材料表面處理。如目前應(yīng)用較為廣泛的環(huán)氧地坪等,但對(duì)于多層地面結(jié)構(gòu),因工廠(chǎng)預(yù)制一體化成型,則整體耐磨性的提升更為適用。Karahan等[38]認(rèn)為聚丙烯纖維摻量在0.20%以下,在28 d齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度的降低影響較小,而粉煤灰摻量的變化對(duì)抗壓強(qiáng)度才會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。Horszczaruk[39]認(rèn)為聚合物增加了混凝土的耐化學(xué)性,而對(duì)耐磨性影響較小。綜合比較表明，纖維與聚合物對(duì)耐磨性及抗壓強(qiáng)度有一定的作用,主要是阻礙疲勞磨損中裂紋的擴(kuò)展,而粉煤灰摻合料的影響更加顯著。

在單摻粉煤灰對(duì)水泥基材料的力學(xué)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?jǐn)?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(dāng),粉煤灰替代比例超過(guò)30%,耐磨性就會(huì)下降,抗壓強(qiáng)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(dāng)?shù)慕Y(jié)論,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，耐磨性與抗壓強(qiáng)度密切相關(guān),耐磨性的提高可以通過(guò)摻入纖維來(lái)解決,此時(shí)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(qiáng)度在65～85 MPa間的混凝土抗壓強(qiáng)度與耐磨度的變化,應(yīng)用多元回歸分析得到壓縮強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和磨損損失值之間的等式,這個(gè)等式為預(yù)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(xué)性能,認(rèn)為在高摻量下,隨著粉煤灰摻量的增加,抗壓強(qiáng)度的提高并不能相應(yīng)地提高耐磨度。Rashad等[44]通過(guò)分析已有的研究成果得到大摻量粉煤灰(摻量≥45%)會(huì)導(dǎo)致混凝土耐磨性下降。

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

對(duì)于單摻粉煤灰的硬化漿體,其早期較低強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不利影響,降低長(zhǎng)期耐久性,Medina等[48]建議復(fù)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(guān)重要。纖維、粉煤灰和聚合物對(duì)抗凍融性的作用方式是不同的,粉煤灰的密實(shí)效應(yīng)改善了基體內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),并且對(duì)Ca(OH)2進(jìn)行了消耗, 導(dǎo)致混凝土不易因冰凍產(chǎn)生裂隙。纖維的隨機(jī)分布抑制了混凝土凍結(jié)時(shí)的膨脹。Karahan等[38]在對(duì)研究的混凝土進(jìn)行50次凍融循環(huán),循環(huán)后的抗壓強(qiáng)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(duì)抗凍融性的提升效果優(yōu)于聚丙烯纖維。文獻(xiàn)[49]表明纖維沒(méi)有對(duì)抗凍融性產(chǎn)生顯著改變。梁會(huì)忠等[50]研究了聚合物對(duì)韌性混凝土的抗凍耐久性的影響,將水性環(huán)氧樹(shù)脂與水泥復(fù)合,快速凍融實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,抗凍性顯著提高,且在乳液摻量為5%時(shí),改性效果最好,X線(xiàn)衍射光譜表明水性環(huán)氧樹(shù)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(biāo)之一,無(wú)論是凍融破壞還是化學(xué)侵蝕都與其相關(guān)。在一些特殊應(yīng)用中,如民居地面混凝土,對(duì)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(xì)微裂縫甚至空鼓開(kāi)裂,失去隔潮抗?jié)B的效果。具有較好相容性的無(wú)機(jī)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、?；⒅榈容p質(zhì)骨料或?qū)闹苯影l(fā)泡處理,材料吸水率大,力學(xué)強(qiáng)度和隔潮性能遠(yuǎn)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(huì)大大下降,從而導(dǎo)致耐久性的不足。He等[51]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出聚丙烯纖維摻量在0.6 kg/m3時(shí),機(jī)制砂混凝土性能達(dá)到最優(yōu),相比于沒(méi)有聚丙烯纖維的機(jī)制砂混凝土,抗?jié)B系數(shù)降低45%以上,表明了纖維對(duì)抗?jié)B性具有積極的作用。Kakooei等[52]在聚丙烯纖維對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)影響的研究中指出,纖維對(duì)抗?jié)B的積極作用是通過(guò)減少混凝土的收縮或膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn)的。硅灰、粉煤灰等摻合料和聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗水性的增強(qiáng)作用已得到許多研究的驗(yàn)證[53-55]。姚樹(shù)義[56]在對(duì)5%、10%、15%、20%摻量的聚合物對(duì)抗?jié)B性的研究中發(fā)現(xiàn),復(fù)摻聚合物、纖維、粉煤灰,在獲得強(qiáng)度提升的同時(shí),能顯著增強(qiáng)基體抗水性,拓寬了應(yīng)用范圍。張二芹[57]利用5%、10%、15%、20%的環(huán)氧樹(shù)脂改性混凝土,結(jié)果表明環(huán)氧樹(shù)脂乳液的加入對(duì)抗壓強(qiáng)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(shù)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(shù)脂、水性滲透結(jié)晶型防水材料4種混凝土涂料對(duì)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(duì)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(shí)度,使用聚合物或摻合料填充內(nèi)部孔隙,填充內(nèi)部毛細(xì)水通道。③利用致密抗水的表面涂層來(lái)彌補(bǔ)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(shù)脂,水性的特點(diǎn)很好地解決了樹(shù)脂在水泥基材料中的分散性問(wèn)題。但也有研究人員表示水性環(huán)氧樹(shù)脂改性水泥基材料的綜合性能與理論相悖,因?yàn)槎鄶?shù)研究者主要聚焦于聚灰比和聚合物種類(lèi)的影響,沒(méi)有考慮養(yǎng)護(hù)的問(wèn)題,濕養(yǎng)護(hù)有利于水泥的水化,干養(yǎng)護(hù)有利于樹(shù)脂的固化,筆者曾將水性環(huán)氧樹(shù)脂用水分散并置于密封容器中固化,6個(gè)月后雖然樹(shù)脂固化,但結(jié)構(gòu)十分疏松。所以干濕交替養(yǎng)護(hù)[50,59]是比較好的養(yǎng)護(hù)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

村鎮(zhèn)住宅總量大,應(yīng)用綠色技術(shù)產(chǎn)生的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益巨大。針對(duì)目前的村鎮(zhèn)建筑圍護(hù)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(dá)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(shè)計(jì),介紹了配合比設(shè)計(jì)的一般原則及方法,在鮑羅米公式的基礎(chǔ)上,引入了纖維和聚合物的影響,提出了配合比計(jì)算模型,概括了設(shè)計(jì)過(guò)程中的4個(gè)影響參數(shù)的種類(lèi)及基本影響規(guī)律。目前水泥基材料的力學(xué)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(shí)的和易性;降低水化成型時(shí)的變形性;提高水泥基材料的密實(shí)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(kuò)展;提高水泥骨料之間的黏結(jié)性是當(dāng)前研究的主流方向。同時(shí),內(nèi)部保溫材料分為有機(jī)與無(wú)機(jī)類(lèi),通常有機(jī)類(lèi)保溫材料保溫效果及隔潮性?xún)?yōu)于無(wú)機(jī)材料,但與水泥基材料間界面相容性不如無(wú)機(jī)材料,如何選擇以解決面層與保溫層之間的相容性問(wèn)題,以及各層間的線(xiàn)膨脹系數(shù)控制技術(shù)是今后研究人員需要完成的任務(wù)。通過(guò)配合比研究制備出的適用于面層材料的高性能水泥基復(fù)合材料可擴(kuò)展在機(jī)場(chǎng)跑道、路面以及對(duì)地面強(qiáng)度有較高要求的倉(cāng)庫(kù)等領(lǐng)域的應(yīng)用。材料應(yīng)用的深度發(fā)展離不開(kāi)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(shù)3個(gè)方面仍有研究的必要性。