EPS顆粒填充水泥基復(fù)合材料保溫性能的有限元分析及力學(xué)試驗(yàn)研究

侯 風(fēng)

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 451100)

1 簡(jiǎn)介

水泥材料具有良好的可塑性能、使用方便、價(jià)格低廉、易就地取材等特點(diǎn),是應(yīng)用很廣泛的一種材料。將發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)加入到水泥材料中,可以提高水泥材料的保溫隔熱性能。EPS導(dǎo)熱系數(shù)低,保溫隔熱效果好,密度低,是最近幾年才發(fā)展起來(lái)的填充材料。此外,但EPS顆粒具有兩大弱點(diǎn):第一,由于EPS表觀(guān)密度比較低,所以保溫材料在攪拌過(guò)程中易產(chǎn)生離析；第二,EPS表面為憎水性,與無(wú)機(jī)膠凝材料不潤(rùn)濕,造成了其與水泥漿體界面黏結(jié)力比較差。 通過(guò)對(duì)廢棄EPS的預(yù)處理,使其表面由憎水性改變?yōu)橛H水性,成功地解決了無(wú)機(jī)膠凝材料對(duì)EPS不潤(rùn)濕、混合料和易性差、黏結(jié)強(qiáng)度低的技術(shù)難題。因此,可以制備出隔熱性能好,質(zhì)量輕的EPS水泥基復(fù)合材料。EPS的抗壓強(qiáng)度并不像人們通常想象的那么低,其強(qiáng)度正適合外保溫系統(tǒng)的要求。更為重要的是,適中的抗壓強(qiáng)度使EPS能夠吸收不平整的基層墻面、熱脹冷縮及結(jié)構(gòu)微小位移所產(chǎn)生的應(yīng)力。因此,這是EPS系統(tǒng)能防止開(kāi)裂的原因。

本文研究了EPS水泥基復(fù)合材料,其最高強(qiáng)度達(dá)到16MPa,在試驗(yàn)中采用微硅粉提高 EPS在水泥漿體中的分散效果和界面粘結(jié)強(qiáng)度。同時(shí),也探討了不同體積分?jǐn)?shù)的EPS對(duì)混復(fù)合材料保溫性能的影響。至于水泥砂漿基材料,可以選擇最常用的工程水泥型號(hào)和水、ISO標(biāo)準(zhǔn)砂按照工程配比制備。在制備水泥砂漿復(fù)合材料過(guò)程中使用EPS等量取代ISO標(biāo)準(zhǔn)砂,取代比例為5%～30%,以研究其對(duì)水泥砂漿的保溫性能的影響。

導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料隔熱性能的重要參數(shù)之一。本文從四方面來(lái)研究：(1)EPS含量及導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)水泥材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響；(2)EPS導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)水泥材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響；(3)水泥本身的導(dǎo)熱系數(shù)的變化對(duì)玻璃微珠水泥基復(fù)合材料效導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

2 有限元分析模型

水泥是應(yīng)用最廣泛的建筑材料,EPS加入水泥中,形成了二元復(fù)合材料體系(水泥材料、EPS),二元復(fù)合材料的傳熱過(guò)程較為復(fù)雜。本文采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)該二元復(fù)合材料的傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析。假定條件為EPSK顆粒均勻的分布在水泥漿,通過(guò)簡(jiǎn)化抽象出一個(gè)單元傳熱的幾何模型。二元復(fù)合材料體系為水泥基相、EPS相。熱量自外傳入水泥基,當(dāng)遇到EPS顆粒的時(shí)候,由于其導(dǎo)熱系數(shù)非常小,小部分熱量通過(guò)EPS顆粒傳導(dǎo),而大部分熱量則繞過(guò)EPS顆粒傳遞。由于EPS顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)非常小,熱量在EPS水泥基復(fù)合材料中的傳熱路徑變長(zhǎng)并且復(fù)雜化,從而導(dǎo)致EPS水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能下降,增強(qiáng)了EPS水泥基復(fù)合材料的隔熱性能。熱量在EPS水泥基復(fù)合材料中的傳熱路徑。因此,可以看出熱量在EPS水泥基復(fù)合材料傳遞路徑主要有三種：(1)水泥基材料與EPS顆粒壁的熱傳導(dǎo);(2)EPS顆粒壁與惰性氣體的熱傳導(dǎo)；(3)熱量沿著微珠球壁表面的熱傳導(dǎo)。

使用ABAQUS軟件進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值模擬。采用的球形EPS顆粒粒徑為3.0 mm,表觀(guān)密度為20.0kg/m3；假定EPS顆粒在水泥基材料中均勻分布,且處于一個(gè)傳熱單元的中心,則可建立復(fù)合材料中一個(gè)傳熱單元的幾何模型。該幾何模型是正方形。把正方形作為水泥基,以圓心位于正方形中心的圓作為EPS顆粒。對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱,一般只需要定義各材料的導(dǎo)熱系數(shù)。輸入相關(guān)的熱學(xué)參數(shù),材料一為水泥基體,導(dǎo)熱系數(shù)為0.1465W.(M.℃)-1；材料二為EPS顆粒,導(dǎo)熱系為0.033～0.044W/(m·℃)。我們采用該式計(jì)算：πR2/b2=Ψ,其中R為EPS顆粒的直徑,b為正方形的邊長(zhǎng),Ψ為EPS顆粒填充水泥基的體積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)玻璃微珠填充水泥基的體積分?jǐn)?shù),πR2/b2=Ψ推算出單元的邊長(zhǎng),由幾何模型的尺寸數(shù)據(jù),輸入到ABAQUS創(chuàng)建幾何模型。熱量自左而右的傳遞。左面施加邊界條件,施加溫度荷載40℃,右面施加邊界條件,施加溫度荷載30℃,上下兩邊界設(shè)為絕熱邊界條件。采用自由劃分網(wǎng)格技術(shù),網(wǎng)格的單元形狀為三角形。

3 數(shù)值分析

3.1 溫度場(chǎng)

使用abaqus進(jìn)行求解,然后進(jìn)入后處理器,繪制幾何模型傳熱單元的溫度云圖。溫度云圖更加形象、客觀(guān)的說(shuō)明了幾何模型單元的溫度場(chǎng)的分布?？梢钥闯鰜?lái)EPS顆粒內(nèi)的溫度變化比微珠外快。為了真實(shí)的反映模型單元中熱量流動(dòng)的方向和大小,用有限元軟件繪制出研究單元的熱流矢量圖。黃色箭頭的指示的方向表示熱量傳導(dǎo)的方向,箭頭的長(zhǎng)短表示熱流量的強(qiáng)弱。通過(guò)分析可知,在單元體中傳導(dǎo)的熱量遇到了EPS顆粒后被分散了,很大一部分熱量沿著EPS顆粒球壁表面?zhèn)鲗?dǎo),小部分進(jìn)入了EPS顆粒內(nèi)部進(jìn)行傳導(dǎo)。

3.2 填充體積分?jǐn)?shù)

EPS顆粒的體積分?jǐn)?shù)分別為5%,10%,15%,20%,25%,30%時(shí),采用有限元軟件ABAQUS建出幾何模型,設(shè)定相關(guān)參數(shù)和相關(guān)的邊界條件,劃分三角形網(wǎng)格并采用求解器求解,通過(guò)有限元分析出不同的EPS顆粒體積分?jǐn)?shù)下的導(dǎo)熱系數(shù)。通過(guò)ABAQUS求解分析可以得出：導(dǎo)熱系數(shù)隨著EPS顆粒的體積分?jǐn)?shù)的增大而減小。這說(shuō)明EPS顆粒較小的導(dǎo)熱系數(shù),用于填充水泥基材料能夠有效增強(qiáng)EPS顆粒水泥基復(fù)合材料的隔熱性能。

3.3 水泥基導(dǎo)熱系數(shù)的變化對(duì)復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的影響

在填充體積分?jǐn)?shù)為30%不變的情況下,EPS顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)和邊界條件同上述的一致的條件下,水泥基體的導(dǎo)熱系數(shù)分別設(shè)為0.1165,0.1265,0.1365,0.1465,0.1565,0.1665,運(yùn)用同樣的方法創(chuàng)建出幾何模型并求解,計(jì)算出相應(yīng)的等效導(dǎo)熱系數(shù)。我們可以看出：EPS顆粒填充水泥基復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)隨著水泥基導(dǎo)熱系數(shù)的增大0.033～0.044而增大。為了達(dá)到增強(qiáng)EPS顆粒水泥基復(fù)合材料的隔熱性能,提高水泥的導(dǎo)熱系數(shù)也是一個(gè)有效的途徑。

3.4 EPS顆粒導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的影響

在填充體積分?jǐn)?shù)為30%不變的情況下,EPS顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)和邊界條件同上述的一致的條件下,EPS顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)分別設(shè)為0.033,0.035,0.037,0.039,0.041,0.043,運(yùn)用同樣的方法創(chuàng)建出幾何模型并求解,計(jì)算出相應(yīng)的等效導(dǎo)熱系數(shù)。我們可以得出的結(jié)論：復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)隨著EPS顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增大。開(kāi)發(fā)出導(dǎo)熱系數(shù)比較小的EPS顆粒,也是提高復(fù)合材料等效導(dǎo)熱系數(shù)的一種方法。

4 強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1 EPS顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)EPS水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響

通過(guò)試驗(yàn)可知：EPS水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨其表觀(guān)密度近似線(xiàn)性增大,隨EPS顆粒摻量線(xiàn)性減小,EPS水泥基復(fù)合材料在受壓下的破壞模式與普通混凝土的脆性破壞不一樣,在加壓過(guò)程中,EPS水泥基復(fù)合材料試件變形較大,即使在試件發(fā)生破壞時(shí),其破壞過(guò)程也是逐漸變化的,顯示出良好的韌性,這表明EPS水泥基復(fù)合材料具有優(yōu)異的吸能功能,因此,可以將EPS水泥基復(fù)合材料用于減振結(jié)構(gòu)。

4.2 微硅粉、對(duì)EPS水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度影響

在相同EPS體積摻量下,微硅粉能顯著提高EPS水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度,最大可提高約16.5%但隨著EPS摻量的增大,其抗壓強(qiáng)度提高的幅度降低,當(dāng)EPS摻量為58%時(shí),其抗壓強(qiáng)度僅提高了約9%可見(jiàn),微硅粉的摻入能改善EPS與水泥漿體的界面性能,可以用合適的摻量取代某些特殊界面粘結(jié)劑來(lái)改善 EPS水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度,同時(shí)微硅粉還能起到很好的分散作用.在未摻微硅粉的EPS水泥基復(fù)合材料中,鋼纖維使其抗壓強(qiáng)度略有降低,而摻有微硅粉的EPS水泥基復(fù)合材料,鋼纖維使其抗壓強(qiáng)度略有提高.可見(jiàn),微硅粉具有較強(qiáng)的增強(qiáng)作用,可用于EPS水泥基復(fù)合材料增強(qiáng)．

5 結(jié)論

(1)當(dāng)水泥基體導(dǎo)熱系數(shù)、EPS導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)。EPS填充水泥基復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)Keff隨著EPS的體積分?jǐn)?shù)的增大而減小。

(2)當(dāng)EPS的體積分?jǐn)?shù)、EPS導(dǎo)熱系數(shù)一定時(shí)。EPS水泥基復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)Keff隨著水泥基導(dǎo)熱系數(shù)的增大而呈線(xiàn)性的增大。

(3)當(dāng)水泥基體導(dǎo)熱系數(shù)、EPS的體積分?jǐn)?shù)一定時(shí),EPS水泥基復(fù)合材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)Keff隨著EPS導(dǎo)熱系數(shù)的增大而呈線(xiàn)性的增大。

(4)EPS水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨EPS顆粒摻量線(xiàn)性減小。

(5)微硅粉能顯著提高EPS水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度。