硫磺-玻璃粉复合胶凝材料(SGCC)力学性能思考

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论文字数:38540 论文编号:sb2022022110284643691 日期:2022-02-24 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文采用不同长度(6mm、12mm)和不同掺量(1%、2%和 3%)玄武岩纤维为变量,展开对掺有玄武岩纤维的硫磺-玻璃粉复合胶凝材料力学性能研究。

第一章 绪论

1.1. 研究背景及目的
随着科技的进步,人类从未停止对未来世界的探索。基于“无水拌合混凝土”所谓月球混凝土(Lunar Concrete 或 Lunarcrete)模式,硫磺混凝土(Sulfur Concrete,简写SC)被认为是月球混凝土的一种不错选择[1]。然而,值得注意的是,若想大规模发展并运用硫磺混凝土,还存在一定的困难,目前面临的两大挑战:
①缺少可持续性骨料
自 2000 年以来,随着国家经济实力的提升,土木工程建设得到了相应地推动。由此引发的环境问题也越来越严重。砂子、石子等骨料本身就是一种不可再生资源,并且为了适应建设需求对其进行无休止开采的行径,已经引起了无法挽回的环境问题,即便如此,许多地方仍然出现砂石供不应求的现象[2]。寻找其他材料替代砂石制备混凝土,提高混凝土的可持续性显得十分必要[3]。
②硫磺混凝土的脆性破坏
在 SC 浇筑冷却成型的时候,硫磺(Sulfur,简写 S)由熔融液态冷却硬化时,首先单质硫形成单斜硫,单斜硫在很短时间内转化为斜方硫,即晶型转变为晶型的过程。这个过程中体积会发生较大的不均匀收缩,导致晶粒间内应力的发生,进而引起SC 内部微裂纹的产生。对于含有较多裂纹的 SC 来讲,在其后期承受荷载过程中会出现脆性破坏的现象[4]。因此,如果想要大规模开发并应用 SC,首当其冲的是增强韧性。
1、硫磺混凝土
将硫磺在 119℃下熔化,与在 170℃下预热的砂石骨料相拌合,最后浇筑冷却成型的特种混凝土,称为硫磺混凝土[5]。与普通混凝土相比,SC 的抗拉强度提高 2.8 倍,抗压强度提高 2 倍,弹性模量提高 1 倍以上。吸水率极低(抗渗性强)、抗 cl—渗透性能优异、凝结时间短、硬化后立即承载、破坏后可重铸反复利用等都是 SC 的显著优点[6-8]。S 的来源非常广泛,因其原料取之不尽,提炼技术操作简单,故而造价相对较低,适合大规模开发利用。
2、废弃玻璃
玻璃是很常见的一种建造、装潢材料,起源于公元前 3700 年前,具有悠久的历史。在 17 世纪 80 年代间实行规模化生产,直到今天已经广泛应用于交通工具、房屋、化学工业、景观等各个方面。然而在制造生产大量玻璃制品的同时,废弃玻璃的数量也日趋增多。对废弃玻璃进行填埋是大多数人选择的一种处理方式,这不但造成国家土地资源的浪费,也会由此引发一系列的环境问题。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 硫磺混凝土的研究现状
关于 S 在建筑材料方面的开发应用,来源于 20 世纪 20 年代美国 Bacon 和 Davis采用 60%的砂石和 40%的 S 制成的混合物,这个混合物具有较高的强度和抗酸侵蚀性,后来被人们称之为硫磺混凝土[4]。
虽然,SC 具有较高的强度,但脆性破坏一直是阻碍其发展的首要问题。1970 年,美国和加拿大等国家对 SC 的脆性破坏展开研究调查,并提出对 S 进行改性,减少晶型转变,保持晶型稳定的思维模式。由此,一系列改性 S 的化学试验相继进行。后来,试验结果显示:不饱和烃可以部分抑制硫磺冷却过程中的晶型转变,比如二聚环戊二烯(Dipolycyclopentadiene,简写 DCPD)、苯乙烯以及聚硫乙胶(分子式[CH3CH2Sx]n)等[12]。
1977 年,Currell[13]等人按照不同配比将 DCPD 和苯乙烯与 S 在 140℃下混合,以加热时间为变量,测试改性 S 的生成量,验证了改性 S 内部更加密实的观点。1982 年,McBee 和 Sullivan[14]首次将 DCPD 改性的 S 用于 SC 中,试验结果证明改性 SC 性能优于未改性 SC。
2009 年钱鹏[15]等人研究了用二硫化物改性硫磺的反应,研制改性硫磺用于沥青混合料,结果表明沥青混合料具有较高的路面强度和较强的水稳定性。
2011 年,M.M.Vlahovic[16]采用 DCPD 改性 S 制得 SC,在盐酸、硫酸和氯化钠溶液中测试了硫磺混凝土以及硅酸盐水泥混凝土的耐久性,结果表明:与硅酸盐水泥混凝土相比,硫磺混凝土拥有令人满意的力学强度和良好的耐腐蚀性。
2014 年 Fazli A.[17]等采用 DCPD 改性 S 制得 SC,研究并验证在酸性环境中改性SC 的抗压强度和抗拉强度优于未改性 SC 和 PCC。
2015 年 Mohamed A.M.等[18]选用 5-亚乙基二环或者沥青改性硫磺制得硫磺混凝土,研究并验证了在实地下水道环境中硫磺混凝土的性能优于普通硅酸盐水泥混凝土和抗硫酸盐混凝土。
最近,Gulzar M.A.等[19]研究了重铸 SC 后的力学性能和耐久性能,并比较了新拌和重铸 SC 与硅酸盐水泥混凝土(PCC)和抗硫酸盐水泥混凝土(SRC)的性能。结果表明:第一次重铸后,SC 的力学性能和耐久性能均有显著提高。新拌和第一次重铸 SC 的耐久性和力学性能明显高于 PCC 和 SRC。
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第二章 SGCC 试验设计

2.1 原材料
2.1.1 硫磺
(1)制备原料及设备
工业硫磺:试验采用的硫磺原料为从吉林长春化工原料批发市场进购的工业硫磺固体颗粒,为纯单质硫。硫磺由固态变为液态后,颜色也由黄色变为褐色,熔点为119℃,外观形貌如图 2-1(a)所示。
改性剂:硫磺由熔融液态冷却硬化时,单质硫首先形成单斜硫,单斜硫在很短时间内转化为斜方硫,即晶型转变为晶型的过程。这个过程中体积会发生较大的不均匀收缩,导致晶粒间内应力的发生,进而引起 S 内部微裂纹的产生,后期承受荷载破坏时呈现脆性破坏特征,因此需要采取措施改善硫磺脆性弱点。试验采用的改性剂(如图 2-1(b)所示)为二聚环戊二烯(DCPD),透明状胶体,有毒,使用时需要佩戴专用手套进行操作。
改性硫磺:纯单质硫与二聚环戊二烯发生反应后,生成聚合多硫化物(如图 2-1(c)所示),称为改性硫磺。其内部结构发生改变,不会出现肉眼可见的缺陷。
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2.2 试验方案
试验依照《钢丝网水泥用砂浆力学性能试验方法(GB/T7897-2008)》[42],故试件的型状选择的是 40mm40mm160mm 的棱柱体规格。主要研究短切玄武岩纤维在不同长度以及不同体积掺量的情况下,对硫磺-玻璃粉复合胶凝材料力学性能的影响。因此,试验的两个变量分别为纤维长度和纤维体积掺量。综合已经出版的研究成果及市场常用规格,选用长度为 6mm 和 12mm 的两种纤维,体积掺量分别为 1%、2%和3%。
(1)纤维长度
当短切玄武岩纤维的体积掺量一定时,研究玄武岩纤维长度的不同,对硫磺-玻璃粉复合胶凝材料的力学性能的影响。通过硫磺-玻璃粉复合胶凝材料的力学强度指标,分析 SGCC 力学性能随纤维长度的变化规律。每组平行试件为 3 个,试件制作完毕后,等待 2h 即可拆模。在拆模后,养护 48h 测定基本力学性能。
(2)纤维掺量
当短切玄武岩纤维长度一定时,研究玄武岩纤维体积掺量的不同,对硫磺-玻璃粉复合胶凝材料的力学性能的影响。通过硫磺-玻璃粉复合胶凝材料的力学强度指标,分析 SGCC 力学性能随纤维掺量的变化规律。每组平行试件为 3 个,试件制作完毕后,等待 2h 即可拆模。在拆模后,养护 48h 测定基本力学性能。
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第三章 SGCC 力学性能试验研究........................15
3.1 抗折强度试验...................................... 15
3.1.1 试验方法...............................................15
3.1.2 试件破坏形态分析...................................15
第四章 SGCC 力学性能相关性分析..................................35
4.1 抗折强度与抗压强度相关性分析................................. 35
4.1.1 抗压强度预测模型分析.......................................35
4.1.2 抗折强度预测模型分析...................................37
第五章 基于微观结构的 SGCC 力学性能分析..........................................49
5.1 基于气孔结构参数的力学性能分析........................49
5.1.1 试验方法............................................49
5.1.2 试验结果分析..............................50

第五章 基于微观结构的 SGCC 力学性能分析

5.1 基于气孔结构参数的力学性能分析
5.1.1 试验方法
RapidAir 类型气孔研究仪最开始是 Concrete Experts International 研制推出的,其使用显微镜(人工)直线导线法当作基础,结合自动扫描高倍摄像头体系,并自动计算孔结构参数的全自动仪器[55]。测得 SGCC 样品的孔径分布、比表面积、含气数量、孔隙数、气孔间距等诸多内容。待测样品的处理需要格外小心,否则会严重影响试验效果。
按照表 2-4 配比制样,本节首先制成 40mm×40mm×160mm 的试件,采用切割机(如图 5-1 所示)将试件切成 40mm×40mm×20mm 的切片样貌,总计 7 组试件,平行试件为 3 个。为保证试件表面的平整度,采用(如图 5-2 所示)的抛光机对样品进行研磨,抛光。抛光过程中碳化硅溶液的目数为 grit320,600,800,1200 目,时间间隔为 3min30s,总计 30min。等到抛光完成后立即放入清水中,采用软毛刷清洗,并用流水冲刷干净,防止碳化硅等杂质堵塞孔隙。试样放于室内晾干后,采用黑色记号笔涂黑整个抛光面,放于 55℃的烘箱中进行烘干。同时将白凡士林置于烘箱融化,加入质量比为 2:3 的白色氧化锌。采用手指或者橡胶抹刀将氧化锌均匀地涂抹于试样表面(如图 5-3 所示),然后置于 5℃的冰箱中 10min 后取出,最后采用直尺以很小地角度刮去多余地氧化锌。
使用上海企业的 RapidAir 457(劳瑞)气孔结构分析仪(如图 5-4 所示)对样品进行测试,安装试样(如图 5-5 所示)。试件截面为 40mm×40mm 正方形,扫描区域为 20mm×20mm,启动仪器,并计算孔结构参数。
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第六章 结论与展望

6.1 结论
采用废弃玻璃全部替代硫磺混凝土中的天然砂石,制成硫磺-玻璃粉复合胶凝材料,研究了长度为 6mm 和 12mm 的玄武岩纤维在 1%、2%和 3%的体积掺量下 SGCC的力学性能,并进行力学性能的相关性分析,及微观结构分析,所得到的结论如下:
(1)对试件进行了力学性能试验研究,对比纤维变量对 SGCC 力学性能的影响,分析试件的破坏形态。结果表明:纤维掺入后,SGCC 的力学性能发生了显著的变化。纤维长度为 12mm,体积掺量为 3%时,SGCC 抗折强度最大,为 18.6MPa,与未加纤维试件相比,提高率为 101.19%;纤维长度为 12mm,体积掺量为 1%时,SGCC抗压强度性能最优,为 53.4MPa;纤维长度为 12mm,体积掺量为 3%时,SGCC 劈裂抗拉强度最大,为 10.9MPa,与未加纤维试件相比,提高率为 140.20%;纤维长度为 6mm,体积掺量为 3%时,SGCC 轴心抗压强度最小,为 29.2MPa;纤维长度为 12mm,体积掺量为 2%时,SGCC 弹性模量最小,为 32.6GPa;同一纤维长度下,泊松比随掺量增加呈现先增大后减小的趋势。综合以上六个力学性能可以得出,玄武岩纤维掺入后,抗折强度增大,劈裂抗拉强度得到提升,抗压强度得到小幅度提升,轴心抗压强度出现下降,在特定掺量下,弹性模量达到性能最优。
(2)通过对 SGCC 进行力学性能相关性分析,建立了力学性能与玄武岩纤维变量的响应面模型。模型中,预测值与试验值的相关性系数均大于 0.95,信噪比 AP 均大于 4,说明回归预测模型具有良好的吻合性,可以利用此模型进行数据的预测。SGCC 的其他力学强度与抗压强度比值(折压比、拉压比和轴压强度之比)分析中,与未加纤维试件相比,折压比最大提高 101.19%,拉压比最大提高 128.00%,轴压强度之比最大下降 38.58%。故从折压比、拉压比和轴压强度之比三个方面来讲,玄武岩纤维的加入,能够对基体材料的脆性改善起一定作用。
(3)通过 RapidAri457 气孔测定仪、SEM 扫描电镜和 NMR 技术对 SGCC 进行微观结构研究。RapidAri457 气孔测定仪结果表明,玄武岩纤维掺入后,孔隙数增多,含气量增大,平均弦长增大,间距系数增大,比表面积减小,孔径分布的峰值往大孔径方向偏移,孔结构变化规律与宏观轴心抗压强度相一致。
参考文献(略)

QQ 1429724474 电话 18964107217