低溫環(huán)境下新型建筑材料的研究方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種低溫環(huán)境下新型建筑材料的研究方法，具體如下：(1)試件制作方法；(2)測(cè)定數(shù)據(jù)；(3)具體過(guò)程為：(3a)進(jìn)行派克瑞特的力學(xué)性能測(cè)試；(3b)進(jìn)行纖維改良方案；(3c)凝膠改良方案；(3d)循環(huán)凍融實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明技術(shù)方法，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式等方法，深入探究了建筑材料的性質(zhì)，得出了新型低溫建筑材料的最佳配比區(qū)間范圍明膠(50%~60%):CMC(38%~45%):PAM(2%~5%)。在該配比下的冰凍報(bào)紙?jiān)嚇又?，抗壓?qiáng)度平均值可達(dá)34~36MPa，基本可以滿(mǎn)足一般的低溫建筑的需求；同時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度約為混凝土試樣的1.8倍，韌性較高，可優(yōu)化特殊環(huán)境下的建筑技術(shù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】低溫環(huán)境下新型建筑材料的研究方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及低溫環(huán)境下新型建筑材料的研究方法，屬于建筑材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著時(shí)代的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，低溫深冷環(huán)境下的土木工程建設(shè)正在興起?；炷潦且环N常用的建筑材料，但在低溫環(huán)境下易受凍融剝蝕，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)損傷；高強(qiáng)度鋼材在低溫環(huán)境下塑性和韌性也顯著變差。因此，一種新型符合可持續(xù)發(fā)展要求的低溫建筑材料需要被開(kāi)發(fā)和利用。
[0003]派克瑞特(Pykrete)是一種新型復(fù)合材料，由14%的木屑和86%的水(質(zhì)量比)構(gòu)成。有文獻(xiàn)報(bào)道，低溫冷凍處理后的派克瑞特有兩大特性:一是有較高的強(qiáng)度，甚至可以防彈；二是因其導(dǎo)熱率較低，致融化速度極慢。本課題通過(guò)改進(jìn)材料的配方，使用報(bào)紙代替木屑并進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，成功制成了一種具有強(qiáng)度高、韌性好、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、成本低廉等特點(diǎn)的復(fù)合材料。該復(fù)合材料可用于低溫建筑領(lǐng)域，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種低溫環(huán)境下新型建筑材料的研究方法，以便建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式等方法，深入探究了建筑材料的性質(zhì)，并得出最佳配比。
[0005]為了實(shí) 現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0006]一種低溫環(huán)境下新型建筑材料的研究方法，具體如下:
(I)試件制作方法:稱(chēng)取計(jì)算量的木屑或報(bào)紙于容器中，注入蒸餾水，使材料與水充分接觸并排出氣泡；待其吸水完全后再緩緩轉(zhuǎn)移至模具中；送入低溫冷凍室并調(diào)節(jié)合適的溫度；冷凍48小時(shí)后即可取出試件。
[0007](2)測(cè)定數(shù)據(jù):按GB/T 50107-2010、GB/T 50081-2002等規(guī)定測(cè)定復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和壓折比。
[0008](3)具體過(guò)程為:
(3a)進(jìn)行派克瑞特的力學(xué)性能測(cè)試；
(3b)進(jìn)行纖維改良方案:采用纖維改良方案，使用纖維更長(zhǎng)的報(bào)紙?zhí)娲拘迹瑴y(cè)定其力學(xué)性能并分析數(shù)據(jù)。纖維更長(zhǎng)的報(bào)紙其結(jié)構(gòu)難以在重壓之下遭受破壞，其抗壓和抗折強(qiáng)度較派克瑞特而言大幅提高。報(bào)紙?jiān)诘蜏貭顟B(tài)下韌性高而不至于凍裂，是一種更為理想的低溫建筑材料，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。然而，紙張中纖維之間的羥基以氫鍵結(jié)合，這種結(jié)合不僅鍵能比較低，而且很容易被水分子破壞。因此，我們向報(bào)紙中加入凝膠，增強(qiáng)紙纖維結(jié)合力，完善這種復(fù)合材料；
(3c)凝膠改良方案:選取以下四種凝膠進(jìn)行研究:羧甲基纖維素鈉(CMC):在水溶液中主要以陰離子的形式存在，粘度可達(dá)2000。聚丙烯酰胺(PAM):在水溶液中主要以陽(yáng)離子的形式存在，常用作絮凝劑。明膠:能和CMC形成共聚物，易凝凍，具有生物可降解性，無(wú)毒無(wú)污染。瓊脂:廣泛應(yīng)用的凝固劑，增稠劑，易凝凍。分別使用磁力加熱攪拌器在6(T80°C下配置四種凝膠，溶解完全后冷卻至室溫，觀察現(xiàn)象。將計(jì)算量的凝膠與報(bào)紙充分混合，在低溫環(huán)境下凝結(jié)塑形，通過(guò)測(cè)試其力學(xué)強(qiáng)度，選擇最合適的材料配比.配置了明膠和CMC的混合凝膠，并引進(jìn)少量ΡΑΜ(2%~5%)，從而使CMC在水中更好溶解。推導(dǎo)出CMC占凝膠質(zhì)量比(χ e [O, 0.6])對(duì)報(bào)紙力學(xué)性能影響的擬合公式:
fcug=-0.028x2+0.2631x+0.811 R^=0.9491(I)
ffg=-0.027x2+0.2756x+0.941 R22=0.9829(2)
σ cug/fg=-0.0044x3+0.0445x2_0.1325x+0.99 R32=0.932(3)
在抗壓和抗折強(qiáng)度最優(yōu)值附近的區(qū)間范圍之內(nèi)進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出凝膠的最佳配比為明膠(50°/T60%): CMC (38%~45%): PAM (2%~5%)。在該配比下的冰凍報(bào)紙?jiān)嚇又?，抗壓?qiáng)度平均值可達(dá)34~36MPa，滿(mǎn)足一般的低溫建筑的需求；同時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度約為混凝土試樣的1.8倍，韌性較高，可優(yōu)化特殊環(huán)境下的建筑技術(shù)。
[0009](3d)循環(huán)凍融實(shí)驗(yàn):
混凝土在低溫循環(huán)凍融實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)度大大降低，本發(fā)明實(shí)施例也對(duì)比進(jìn)行了低溫循環(huán)凍融測(cè)試，凍融循環(huán)溫度為-40°C;分別測(cè)定其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，與原試件進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，分別計(jì)算比值，發(fā)現(xiàn)派克瑞特和報(bào)紙?jiān)跍y(cè)試中強(qiáng)度變化不大，可以循環(huán)使用，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
[0010]該發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明技術(shù)方法，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式等方法，深入探究了建筑材料的性質(zhì)，具有以下效果:(1)纖維重疊可以顯著增強(qiáng)材料強(qiáng)度，纖維的長(zhǎng)度和纖維間結(jié)合力影響了材料性能。(2)CMC對(duì)紙纖維結(jié)合力的增強(qiáng)顯著，原因是CMC在水中電離后產(chǎn)生的羧基與纖維上的羥基發(fā)生化學(xué)水合作用增強(qiáng)了纖維間的結(jié)合力。
(3)明膠對(duì)紙纖維結(jié)合力的提高也很顯著，原因是明膠能與纖維以離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合，這些鍵的形成使得紙纖維間的結(jié)合力增大，鍵能升高，從而使紙張的物理強(qiáng)度得以提高。(4)在-40°C低溫凍融循環(huán)10次后，混凝土抗壓強(qiáng)度下降了約11.8%，抗折強(qiáng)度下降了約41.2%，而派克瑞特和報(bào)紙幾乎無(wú)影響，說(shuō)明這種新型低溫建筑材料能夠耐凍融循環(huán)，符合可持續(xù)發(fā)展的目的。(5)得出了新型低溫建筑材料的最佳配比區(qū)間范圍明膠(50%飛0%):CMC (38%~45%): PAM (2%~5%)。在該配比下的冰凍報(bào)紙?jiān)嚇又?，抗壓?qiáng)度平均值可達(dá)34^36MPa,已基本可以滿(mǎn)足一般的低溫建筑的需求；同時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度約為混凝土試樣的1.8倍，韌性較高，可優(yōu)化特殊環(huán)境下的建筑技術(shù)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中派克瑞特的抗壓強(qiáng)度曲線圖。
[0012]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中派克瑞特的抗折強(qiáng)度曲線圖。
[0013]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中冰凍報(bào)紙的抗壓強(qiáng)度曲線圖。 [0014]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中冰凍報(bào)紙的抗折強(qiáng)度曲線圖。
[0015]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中報(bào)紙、派克瑞特和混凝土的力學(xué)性質(zhì)比較圖。
[0016]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中凝膠改性派克瑞特抗壓強(qiáng)度增加值圖。
[0017]圖7是本發(fā)明實(shí)施例中凝膠改性派克瑞特抗折強(qiáng)度增加值圖。
[0018]圖8是本發(fā)明實(shí)施例中凝膠改性報(bào)紙抗壓強(qiáng)度增加值圖。
[0019]圖9是本發(fā)明實(shí)施例中凝膠改性報(bào)紙抗折強(qiáng)度增加值圖。[0020]圖10是本發(fā)明實(shí)施例中0^占凝膠質(zhì)量比對(duì)報(bào)紙力學(xué)性能的影響圖。
[0021]圖11是本發(fā)明實(shí)施例中新型低溫建筑材料的最佳配比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便更好的理解本發(fā)明。
實(shí)施例
[0023]低溫環(huán)境下新型建筑材料的研究方法，具體如下:
(1)主要試劑和儀器:聚丙烯酰胺冊(cè)^)]。，天津福晨化學(xué)試劑廠；羧甲基纖維素鈉^0(?⑶0他，天津致遠(yuǎn) 化學(xué)試劑廠；食用明膠；天津博迪化工公司；瓊脂沁鞏80丄；上海國(guó)藥集團(tuán)。以上試劑均為分析純。萬(wàn)能材料試驗(yàn)儀(10001^)；低溫冷凍室；磁力加熱攪拌器。
[0024](2)試件制作方法:稱(chēng)取計(jì)算量的木屑或報(bào)紙于容器中，注入蒸餾水，使材料與水充分接觸并排出氣泡；待其吸水完全后再緩緩轉(zhuǎn)移至模具中；送入低溫冷凍室并調(diào)節(jié)合適的溫度；冷凍48小時(shí)后即可取出試件。
[0025](3)測(cè)定數(shù)據(jù):按⑶/1 50107-2010、68/1 50081-2002等規(guī)定測(cè)定復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和壓折比。
[0026](3?)材料抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法:
試件規(guī)格1 50111111 X 150111111 ；
抗壓強(qiáng)度計(jì)算式:
0/八(1-1)；
式中:4/一試件抗壓強(qiáng)度(11?)；
^一試件抗壓荷載(吣；
乂一試件承壓面積(臟2)；
(3?)材料抗折強(qiáng)度的計(jì)算方法:
試件規(guī)格550111111 ；
抗折強(qiáng)度計(jì)算式:
仁=(^1)/(?2)(1-2)
式中:4一試件抗折強(qiáng)度#一試件破壞荷載(吣；
1一支座間跨度(―)；力一試件截面高度(―)由一試件截面寬度(―)；
(30)材料壓折比的計(jì)算方法:
壓折比計(jì)算式:
0 一=4/4(1-3)
式中:0㈨々一試件壓折比；
(4)具體過(guò)程為:
(4?)派克瑞特的力學(xué)性能測(cè)試:
制作派克瑞特試件，使用儀器測(cè)定其力學(xué)性能，并記錄數(shù)據(jù)于表1中。圖1是本發(fā)明實(shí)施例中派克瑞特的抗壓強(qiáng)度曲線圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中派克瑞特的抗折強(qiáng)度曲線圖。[0027]表1派克瑞特力學(xué)數(shù)據(jù)的測(cè)定
【權(quán)利要求】
1.一種低溫環(huán)境下新型建筑材料的研究方法，其特征在于:具體如下: (1)試件制作:稱(chēng)取計(jì)算量的木屑或報(bào)紙于容器中，注入蒸餾水，使材料與水充分接觸并排出氣泡；待其吸水完全后再緩緩轉(zhuǎn)移至模具中；送入低溫冷凍室并調(diào)節(jié)合適的溫度；冷凍48小時(shí)后即可取出試件； (2)測(cè)定數(shù)據(jù):按⑶/150107-2010, 68/1 50081-2002等規(guī)定測(cè)定復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和壓折比； (3)具體研究過(guò)程為: (3a)進(jìn)行派克瑞特的力學(xué)性能測(cè)試； (3a)進(jìn)行纖維改良方案:采用纖維改良方案，使用纖維更長(zhǎng)的報(bào)紙?zhí)娲拘?，測(cè)定其力學(xué)性能并分析數(shù)據(jù)； (3c)凝膠改良方案:選取以下四種凝膠進(jìn)行研究:羧甲基纖維素鈉(00、聚丙烯酰胺八的、明膠、瓊脂，分別使用磁力加熱攪拌器在60-80℃下配置四種凝膠，溶解完全后冷卻至室溫，觀察現(xiàn)象；將計(jì)算量的凝膠與報(bào)紙充分混合，在低溫環(huán)境下凝結(jié)塑形，通過(guò)測(cè)試其力學(xué)強(qiáng)度，選擇材料配比；配置了明膠和的混合凝膠，并引進(jìn)少量941(29^5%)，從而使0^在水中更好溶解；并推導(dǎo)出0^占凝膠質(zhì)量比“X∈[0,0.6])對(duì)報(bào)紙力學(xué)性能影響的擬合公式: Fcug=-0.028^^+0.263^+0.811 ^=0.9491(1) ffg=-0.027^^+0.2756^+0.941 1^/=0.9829(2) σcug/fg=-0.0044^^+0.0445叉2-0’ 1325^+0.99 ^=0.932(3) 在抗壓和抗折強(qiáng)度最優(yōu)值附近的區(qū)間范圍之內(nèi)進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出凝膠的配比為明膠(509(^60%): 010 (389^4596): ？艦(2%^%)；在該配比下的冰凍報(bào)紙?jiān)嚇又?，抗壓?qiáng)度平均值達(dá)34~36腿^，滿(mǎn)足一般的低溫建筑的需求；同時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度約為混凝土試樣的1.8倍，韌性較高，能優(yōu)化特殊環(huán)境下的建筑技術(shù)； (3(1)循環(huán)凍融實(shí)驗(yàn):混凝土在低溫循環(huán)凍融實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)度大大降低，對(duì)比進(jìn)行了低溫循環(huán)凍融測(cè)試，凍融循環(huán)溫度為-401 ^000 ；分別測(cè)定其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，與原試件進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，分別計(jì)算比值，發(fā)現(xiàn)派克瑞特和報(bào)紙?jiān)跍y(cè)試中強(qiáng)度變化不大，能循環(huán)使用，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
【文檔編號(hào)】D21J1/00GK103835189SQ201310742849
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】李嘉暉 申請(qǐng)人:李嘉暉