[发明专利]低温环境下新型建筑材料的研究方法

说明书

技术领域

本发明涉及低温环境下新型建筑材料的研究方法，属于建筑材料技术领域。

背景技术

随着时代的进步和科学技术的逐步发展，低温深冷环境下的土木工程建设正在兴起。混凝土是一种常用的建筑材料，但在低温环境下易受冻融剥蚀，导致其结构损伤；高强度钢材在低温环境下塑性和韧性也显著变差。因此，一种新型符合可持续发展要求的低温建筑材料需要被开发和利用。

派克瑞特(Pykrete)是一种新型复合材料，由14%的木屑和86%的水(质量比)构成。有文献报道，低温冷冻处理后的派克瑞特有两大特性：一是有较高的强度，甚至可以防弹；二是因其导热率较低，致融化速度极慢。本课题通过改进材料的配方，使用报纸代替木屑并进行对比实验，成功制成了一种具有强度高、韧性好、养护时间短、成本低廉等特点的复合材料。该复合材料可用于低温建筑领域，符合可持续发展的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温环境下新型建筑材料的研究方法，以便建立数学模型，推导数学公式等方法，深入探究了建筑材料的性质，并得出最佳配比。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。 

一种低温环境下新型建筑材料的研究方法，具体如下：

    (1)试件制作方法：称取计算量的木屑或报纸于容器中，注入蒸馏水，使材料与水充分接触并排出气泡；待其吸水完全后再缓缓转移至模具中；送入低温冷冻室并调节合适的温度；冷冻48小时后即可取出试件。

(2)测定数据：按GB/T 50107-2010、GB/T 50081-2002等规定测定复合材料的抗压强度、抗折强度和压折比。

(3)具体过程为：

(3a)进行派克瑞特的力学性能测试； 

(3b)进行纤维改良方案：采用纤维改良方案，使用纤维更长的报纸替代木屑，测定其力学性能并分析数据。纤维更长的报纸其结构难以在重压之下遭受破坏，其抗压和抗折强度较派克瑞特而言大幅提高。报纸在低温状态下韧性高而不至于冻裂，是一种更为理想的低温建筑材料，符合可持续发展的要求。然而，纸张中纤维之间的羟基以氢键结合，这种结合不仅键能比较低，而且很容易被水分子破坏。因此，我们向报纸中加入凝胶，增强纸纤维结合力，完善这种复合材料；

 (3c)凝胶改良方案：选取以下四种凝胶进行研究：羧甲基纤维素钠(CMC)：在水溶液中主要以阴离子的形式存在，粘度可达2000。聚丙烯酰胺(PAM)：在水溶液中主要以阳离子的形式存在，常用作絮凝剂。明胶：能和CMC形成共聚物，易凝冻，具有生物可降解性，无毒无污染。琼脂：广泛应用的凝固剂，增稠剂，易凝冻。分别使用磁力加热搅拌器在60~80℃下配置四种凝胶，溶解完全后冷却至室温，观察现象。将计算量的凝胶与报纸充分混合，在低温环境下凝结塑形，通过测试其力学强度，选择最合适的材料配比.配置了明胶和CMC的混合凝胶，并引进少量PAM(2%~5%)，从而使CMC在水中更好溶解。推导出CMC占凝胶质量比(x∈[0,0.6])对报纸力学性能影响的拟合公式：

    f_cug=-0.028x²+0.2631x+0.811   R₁²=0.9491          (1)

  f_fg=-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)

在抗压和抗折强度最优值附近的区间范围之内进行了反复实验，得出凝胶的最佳配比为明胶(50%~60%) : CMC (38%~45%): PAM (2%~5%)。在该配比下的冰冻报纸试样中，抗压强度平均值可达34~36MPa，满足一般的低温建筑的需求；同时，试样的抗折强度约为混凝土试样的1.8倍，韧性较高，可优化特殊环境下的建筑技术。

(3d)循环冻融实验：