水泥基梯度功能保温材料的梯度结构设计与共挤制备

Reform of the wall materials and building energy saving is now the basic national policy of China and the development of novel insulation materials to meet the building energy-saving standards is becoming the mission of the materials scientists. The deficiency of mechanical properties and durability of the traditional insulation materials is the main bottleneck for the large-scale application of insulation materials. In this project, the design principle for the functionally gradient material will be applied to the design of thermal insulation materials. The foaming method, gas evolution method and impermeable crack technology will be applied to prepare the slurry with gradient structure; the composition of the gradient layer material will be determined by investigating the squeezing rheological properties of single-layer slurry and the properties of the single-layer extrusion products. The co-extrusion technology will be applied in the preparation of the functional gradient thermal insulation material. In order to reveal the constitutive relationship for the matching of rheological properties, and detrmine the co-extrusion process parameters and co-extrusion model,the rheological properties of the gradient layer will be annlysized and computer simulated. A functional relationship between the structural gradient and function will be established and the composition and structure of the insulation materials is designed according to the environmental needs by investigating the physical properties, mechanical properties, durability and microstructure of cement-based functionally gradient thermal insulation material, which has important theoretical and applied value.

墙体材料改革与建筑节能己成为我国的基本国策，研制满足国家建筑节能规范的新型保温材料，己成为材料科研工作者的使命。传统保温材料在应用中力学性能和耐久性能的不足，已成为保温材料大规模应用的主要瓶颈。本项目将梯度功能材料的设计原理应用到保温材料的设计中，采用发泡方法、发气方法以及防渗抗裂技术制备出由内到外逐渐致密的梯度结构浆体，通过对各层浆体的挤压流变性能和单层挤出制品的性能研究，确定保温材料各梯度层的材料组成；将整体成型制备方法-共挤出技术应用到梯度功能保温材料的制备中，通过对梯度层共挤出的流变性能研究和计算机模拟分析，揭示各梯度层浆体流变性能匹配的本构关系，建立共挤出工艺参数和共挤模型；通过对水泥基梯度功能保温材料的物理性能、力学性能、耐久性能和微观结构的研究，建立结构梯度与功能之间的关系模型，实现按环境需求的功能设计保温材料的组成与结构，具有重要的理论和应用价值。

传统保温材料在应用中力学性能和耐久性能的不足，已成为保温材料大规模应用的主要瓶颈。本研究将梯度功能材料的设计原理应用到保温材料的设计中，制备出具有由保温层、中间过渡层和外部保护层多层浆体构成的由内到外逐渐致密的梯度结构，改善了保温材料的界面结构，课题的研究工作及所取得的成果主要如下：.（1）研究了水泥基浆体可挤出性。浆体的可挤出性表现为新拌浆体状态稠度适中、挤出过程压力稳定以及挤出制品表观完整三个方面；水灰比是新拌水泥基浆体可挤出性最主要的影响因素，当水灰比为0.21时，新拌水泥基浆体的可挤出性较佳；掺入粉煤灰、甲基纤维素、纤维是改善水泥基浆体可挤出性的重要手段，掺入40%的I级粉煤灰、3.3%的甲基纤维素和2‰的PVA纤维的浆体的可挤出性较佳。.（2）研究了水泥基材料挤出过程的流变性能和共挤出流变性能的匹配原则。利用约束条件下Benbow非线性方程对浆体的挤出流变性能进行了定量分析，通过调节水灰比，以及粉煤灰、甲基纤维素、空心玻璃微珠掺量，设计出了具有不同表观密度和挤出流变性能的各功能层浆体，掌握了多层共挤出成型工艺的挤出流变性能匹配原则：在平推流动阶段，要求浆体各自的体积屈服应力大于壁面剪切应力，在变形流动阶段，要求各层浆体的挤出流变性能相互匹配以发生均匀变形，匹配的重点在于体积屈服应力方面；在双层共挤出试验中，外层与内层的体积屈服应力之比在1.6~2.8之间为宜；而在三层共挤出试验中，外层、中间层、内层体积屈服应力的最优匹配关系为1：a：(0.7a+1.37)，a∈(1.6，2.3)。.（3）研究了单层挤出制品和共挤制品的物理性能、力学性能、保温性能和微观结构。调整各单层的性能满足梯度结构的要求，制备出由外部保护层、中间过渡层和内部保温层的组成的三层共挤梯度功能保温材料，其表观密度1.42~1.47g/cm3，抗压强度31.3~33.7MPa，抗折强度7.1~9.0MPa，拉伸强度1.7~2.4MPa，导热系数为0.2062~2148W/mK，梯度功能材料在具备了良好的力学性能，同时保温性能明显增强，实现了自保护与自保温双重特性的结合；对多层之间的界面区域进行了微观形貌分析，界面之间结合情况较好，实现了组分的均匀过渡。.（4）进行了挤出过程的浆体流动情况的有限元模拟，通过得到的速度场、压力场和流线等模拟结果，对分析浆体各部分受力情况及流动情况提供了理论支持。.