超高分子量聚乙烯纤维增强水泥基轻质墙体保温材料的试验研究.pdf

文章编号:1007~-046X(2015)02-0035-03
生态建材
超高分子量聚乙烯纤维增强水泥基轻质墙体保温材料的试验研究
Experimental Study of Ultra- High Molecular Weight Polyethylene Fiber-reinforced Cement-based
Lightweight Thermal Insulating Material
李静,李国忠,李小龙
济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022
摘要:以聚苯乙媂颗粒为轻质集料,水泥和粉煤灰为胶疑材料,辅以多种外加剂,经化学发泡工艺制备水泥
基墙体保温材料。通过掺加不同掺量的超高分子量聚乙烯纤维,研究了超高分子量聚乙烯纤维对水泥基墙
体保溫材料性能的影响,并采用扫描电子显微镜对试样的断口形貌进行分析,对超高分子量聚乙斾纤维的
相关作用机理进行分析。研究结果表明:超高分子量聚乙媂纤维的最佳掺量为0.4%,此时水泥基轻质墙体
保温材料的抗折强度、抗压强度、抗折软化系数分别为0.47MPa、0.58MPa、0.56,较空白试样分別提高了
76.0%、61.1%、3.3%,在此条件下试样的密度和子热系数分别为218kg/m3、0.056W/(mK)。
关键词:超高分子量聚乙烯纤维;轻质墙体保温材料;性能影响;作用机理;强度
中图分类号:TU528.58文献标志码:A
0前言
试验
近年来,世界各国凸显出日益严重的能源紧缺、资源1.1试验原材料
浪费、环境污染等问题,因此,对有限的能源和资源进
水泥:普通42.5R硅酸盐水泥,山水水泥厂生产
行合理有效的利用是解决上述问题的重中之重以。众所周超高分子量聚乙烯纤维:又称 Trevo纤维,山东爱地高分
知,材料行业在社会发展和人类文明的进步中起着举足子材料有限公司生产,密度为970kg/m3,长度为6m
轻重的作用,由材料行业所引导的建筑行业更是与能耗直径28μm,拉伸强度2.8CPa,弹性模量102CPa,断
利用、环境保护密切相关。建筑行业一直是能耗最大的裂伸长率为3.1%;轻质集料:聚苯乙烯颗粒(EPS),购自
行业之ー,如果不降低生产能耗,对我国一直提倡的节山东某建材有限公司,常温导热系数0.035W/(m-K),雄
能减排政策的实施不利四。目前,采用性能优异的墙体保积密度为18kg/m3,粒度2~5mm;粉煤灰:山东某电
温材料实现隔热保温、降低建筑能耗已经成为人们常用厂生产的Ⅰ级灰发泡剂:试验室自制高效发泡稳泡剂
的手段。随着技术进步和时代发展,人们对墙体保温材试验室自制复合稳泡剂;试验中还用到早强剂、减水剂
料的性能要求越来越高,人们期望能进一步提高培体保防水剂、粉煤灰复合激发剂等试剂。
温材料的力学性能、保温隔热性能以及耐水性能等,以
用于对材料性能要求更高的建筑中去。超高分子量聚乙1.2试验仪器
烯纤维( UHMWPE,又称 Itrevo纤维),具有高强、轻质、
JM-1001电子天平,余姚纪铭称重校验设备有限公
高模量、耐腐蚀等优异品质,被广泛地应用到于绳缆、司;SHBY-40B水泥标准养护箱,北京三思行测控技术
渔网、手套和防弹装甲/背心等产品的生产中,而其短有限公司;CMT5504微机控制电子万能试验机,美特斯
切纤维在水泥基轻质墙体保温材料中的研究和应用较少。工业系统有限公司;40mx40mx160mm不锈钢模具;
本文通过在水泥基轻质墙体保温材料中掺加短切超高分搅拌锅、烧杯、玻璃棒、量筒等。
子量聚乙烯纤维,研究其对墙体保温材料性能的影响。
2/2015粉煤灰
1.3试验方法
为0.47MPa、0.58MPa,较空白试样分别提高了76.0%、
在试验前期,首先确定了早强剂、稳泡剂、发泡剂、611%,当纤维掺量超过0.4%后,试样的强度不再提高,
减水剂和防水剂的掺量分别为胶凝材料质量的2%、6%、反而降低。这是由于当具有高抗拉强度和弹性模量的超
7%、3%和5%,粉煤灰复合激发剂为粉煤灰质量的7%,高分子量聚乙烯纤维的掺量増大时,在水泥基轻质墙体
水灰比为胶凝材料的0.64,其中胶凝材料包括水泥和粉材料中分散的纤维增多,可有效提高试样强度,但由于
煤灰(质量比为4:1)。本试验中,超高分子量聚乙烯纤纤维掺量过多时,纤维易缠绕、结团、分散不均匀,容
维的掺量分别取0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%。易在试样内部造成有害的孔洞、反而不利于试样强度的
准确称量各物料,先将水泥、粉煤灰、早强剂、减水剂、提高。
粉煤灰活性激发剂置于容器中混合均匀,将水、稳泡剂
对不同纤维掺量下试样的其他性能进行测试,测试
防水剂置于烧杯中搅匀成为混合液,然后将混合液倒人结果如表1所示。由表1中抗折软化系数的数据可以看出,
干物料中搅拌均匀制成料浆,倒人发泡剂并搅匀,静置试样抗折软化系数随着超高分子量聚乙烯纤维掺量的増
发泡1.5-2.0min后,迅速倒入适量的聚苯乙烯颗粒搅匀,大逐步提高,并在纤维掺量为0.4%时取得峰值为0.5
最后将搅好的物料注入模具中振动成型(超声分散问题)。较空白试样提高了33.3%,当纤维掺量超过0.4%后,试
试样脱模后,置于温度20℃、相对湿度95%的条件样的抗折软化系数呈现下降趋势。由表1中试样的密度
下养护3d,再将试样放人60℃烘箱烘至恒重。依照CBT值和导热系数值可以看出,试样的密度和导热系数随着
5486-2008《无机硬质绝热制品试验方法》和CB/T超高分子量聚乙烯纤维掺量的变化无太明显的数值波动
10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护可见,纤维掺量对试样密度和导热系数无影响。
热板法》,将试样加工成相应尺寸,分别测试水泥基轻质
墙体保温材料的抗折强度、抗压强度、密度、抗折软化
表1试样的性能测试结果
系数和导热系数。
o.纤维掺量%密度kgm3抗折软化系数导热系数AW(mK)
0.42
0.056
0.056
2试验结果与讨论
0.2
219
0.055
0.53
0.058
2.1超高分子量聚乙烯纤维掺量对水泥基轻质墙体
218
0.56
0.056
保温材料性能的影响
0.5
224
0.05
不同掺量的超高分子量聚乙烯纤维的试样的强度结
果如图1所示。
综上所述,根据纤维掺量对试样抗折、抗压强度和
抗折软化系数的影响以及生产成本等问题,试验最终确
一抗折强度
定超高分子量聚乙烯纤维的最佳掺量为0.4%。此时水泥
一抗压强度
基轻质墙体保温材料的抗折强度、抗压强度、抗折软化
系数、密度和导热系数分别为0.47MPa、0.58MPa、0.56
218kg/m2、0.056W/(m-K)。
2.2超高分子量聚乙烯纤维的作用机理分析
图2为掺加超高分子量聚乙烯纤维试样的断口微观
UHMWPES纤维掺量
形貌图。由图2(a)可见,试样中的超高分子量聚乙烯纤
维以互相交叉的形式均布在试样内部,形成了三维网络
图1纤维掺量对试样强度的影响
空间结构;图2(b)为纤维拔出处的SEM图,可以看出拔
由图1可以看出,随着纤维掺量的不断增大,试样出纤维表面附着大量的水泥水化产物,纤维与水泥水化
的抗折、抗压强度均呈先增长后减小的变化趋势,并在产物间无明显缝隙,说明纤维与水泥基体结合良