基于响应面法的石灰-矿渣生土复合材料热湿综合性能-张磊.pdf
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1、复合材料学报第3 4卷 第5期 5月 2 0 1 7年ActaMateriaeCompositaeSinicaV o l . 3 4 N o . 5 M a y 2 0 1 7DOI: 1 0 . 1 3 8 0 1 / j . c n k i . f h c l x b . 2 0 1 6 0 7 1 5 . 0 0 2收稿日期:2 0 1 6 - 0 5 - 2 4 ;录用日期:2 0 1 6 - 0 7 - 1 1 ;网络出版日期:2 0 1 6 - 0 7 - 1 5 1 7 : 0 1网络出版地址:w w w . c n k i . n e t / k c m s / d e t a
2、 i l / 1 1 . 1 8 0 1 . T B . 2 0 1 6 0 7 1 5 . 1 7 0 1 . 0 0 4 . h t m l基金项目:国家杰出青年科学基金( 5 1 3 2 5 8 0 3 ) ;国家自然科学基金( 5 1 2 7 8 4 1 9 )通讯作者:杨柳,博士,教授,主要从事建筑气候学及建筑节能方向的研究 E - m a i l : y a n g l i u x a u a t . e d u . c n引用格式:张磊,杨柳,桑国臣,等.基于响应面法的石灰-矿渣/生土复合材料热湿综合性能 J .复合材料学报, 2 0 1 7 , 3 4 ( 5 ) : 1 0
3、9 5 - 1 1 0 2 .Z H A N G L , Y A N G L , S A N G G C , e t a l . H e a t&m o i s t u r e c o m p r e h e n s i v e p r o p e r t y f o r l i m e - s l a g / s o i l c o m p o s i t e s b a s e d o n r e s p o n s es u r f a c e m e t h o d o l o g y J . A c t a M a t e r i a e C o m p o s i t a e S
4、i n i c a , 2 0 1 7 , 3 4 ( 5 ) : 1 0 9 5 - 1 1 0 2 (i n C h i n e s e ) .基于响应面法的石灰-矿渣/生土复合材料热湿综合性能张磊1 ,杨柳* 1 ,桑国臣2 ,翟永超1( 1 .西安建筑科技大学建筑学院,西安7 1 0 0 5 5 ; 2 .西安理工大学土木建筑工程学院,西安7 1 0 0 4 8 )摘 要: 采用石灰和矿渣作为改性材料制备石灰-矿渣/生土复合材料,利用响应面法研究石灰掺量、矿渣掺量和含水率对石灰-矿渣/生土复合材料热湿综合性能的影响,对石灰-矿渣/生土复合材料的制备工艺进行优化。结果表明,石灰掺量、矿渣
5、掺量和含水率均对热湿综合性能产生影响;通过回归分析得到石灰-矿渣/生土复合材料的制备优化方案是石灰掺量(石灰与复合材料的质量比)为1 0 . 1 9 % 、矿渣掺量(矿渣与复合材料的质量比)为4 . 0 2 % 、含水率(水量与复合材料的质量比)为9 . 0 0 % ,且优化石灰-矿渣/生土复合材料平均平衡含湿量为1 2 . 7 2 5 % ,导热系数为0 . 7 9 8 W / ( m K ) ,具有良好的热湿综合性能;通过结构分析可知,在碱性激发和微集料作用下,优化石灰-矿渣/生土复合材料内部呈现出完整、密实的结构体系特点,兼顾材料的力学、耐久性和热湿性能。关键词:生土;石灰;矿渣;优化;
6、响应面法;热湿综合性能中图分类号: T U 3 3 2 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 0 - 3 8 5 1 ( 2 0 1 7 ) 0 5 - 1 0 9 5 - 0 8Heat&moisturecomprehensivepropertyforlime-slag/soilcompositesbasedonresponsesurfacemethodologyZ H A N G L e i 1 , Y A N G L i u * 1 , S A N G G u o c h e n 2 , Z H A I Y o n g c h a o 1( 1 . C o l l e g e o f
7、 A r c h i t e c t u r e , X i a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e&T e c h n o l o g y , X i a n 7 1 0 0 5 5 , C h i n a ;2 . S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e , X i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , X i a n 7 1 0 0 4 8 , C
8、h i n a )Abstract: L i m e a n d s l a g c o u l d b e u s e d t o p r e p a r e l i m e - s l a g / s o i l c o m p o s i t e s . T h e e f f e c t o f l i m e c o n t e n t , s l a g c o n -t e n t a n d m o i s t u r e c o n t e n t o n h e a t&m o i s t u r e c o m p r e h e n s i v e p r o p e
9、r t y o f l i m e - s l a g / s o i l c o m p o s i t e s w a s s t u d i e d b yr e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d o l o g y a n d t h e p r e p a r a t i o n t e c h n o l o g y f o r l i m e - s l a g / s o i l c o m p o s i t e s w a s o p t i m i z e d . T h e r e -s u l t s s h o w t h
10、a t h e a t&m o i s t u r e c o m p r e h e n s i v e p r o p e r t y i s i n f l u e n c e d b y l i m e c o n t e n t , s l a g c o n t e n t a n d m o i s t u r ec o n t e n t . O p t i m a l p r o g r a m i s o b t a i n e d b y r e g r e s s i o n a n a l y s i s t h a t l i m e c o n t e n t (
11、 m a s s r a t i o b e t w e e n l i m e a n d c o m p o -s i t e ) i s 1 0 . 1 9 % , s l a g c o n t e n t ( m a s s r a t i o b e t w e e n s l a g a n d c o m p o s i t e ) i s 4 . 0 2 % , a n d m o i s t u r e c o n t e n t ( m a s s r a t i ob e t w e e n w a t e r a n d c o m p o s i t e ) i s
12、 9 . 0 0 % . A v e r a g e e q u i l i b r i u m m o i s t u r e c o n t e n t o f o p t i m a l l i m e - s l a g / s o i l c o m p o s i t e si s 1 2 . 7 2 5 % , t h e r m a l c o n d u c t i v i t y i s 0 . 7 9 8 W / ( m K ) , o p t i m a l l i m e - s l a g / s o i l c o m p o s i t e s h a v e
13、f a v o r a b l e h e a t&m o i s t u r e c o m p r e h e n s i v e p r o p e r t y . U n d e r t h e e f f e c t o f a l k a l i n e e x c i t a t i o n a n d m i c r o a g g r e g a t e , o p t i m a l l i m e - s l a g / s o i lc o m p o s i t e s h a v e t h e w h o l e a n d c o m p a c t c o n
14、 s t r u c t i o n t h r o u g h s t r u c t u r a l a n a l y s i s , a n d r e a s o n a b l e m e c h a n i c a l p e r -f o r m a n c e a n d h e a t&m o i s t u r e c o m p r e h e n s i v e p r o p e r t y .Keywords: s o i l ; l i m e ; s l a g ; o p t i m i z a t i o n ; r e s p o n s e s u r
15、 f a c e m e t h o d o l o g y ; h e a t&m o i s t u r e c o m p r e h e n s i v e p r o p e r t y万方数据 生土材料是一种传统的建筑材料,具有环境友好、成本低廉、制备工艺简单和便于就地取材的优点 1 - 2 。此外,生土建筑具有冬暖夏凉的特点,良好的蓄热性决定了其能够通过储存和释放热量来调节室内热环境,从而提升室内的热舒适水平 3 - 4 。为弥补生土材料在强度和耐久性方面的缺陷,国内外研究人员通过掺入改性材料来提升其强度和耐久性,并取得大量的研究成果 5 - 1 6 。随着全社会对建筑节能问题的
16、逐渐关注,改性生土材料的热湿性能开始被研究人员所重视。通过对现有研究结果进行整理,发现改性生土材料的热湿性能与生土材料的矿物组成、改性材料的掺量以及含水率有密切的关系 1 7 - 2 1 。现有研究大多只是针对单一影响因素下改性生土材料的热性能或湿性能进行分析,缺少多因素综合影响下改性生土材料热湿综合性能的研究,无法获得各因素对热湿综合性能影响的显著性,对改性生土材料的制备优化依然停留在对单一变量的对比分析,制约了生土材料在建筑领域的发展。表1 生土材料物理性质Table1 PhysicalpropertiesofsoilR e l a t i v e d e n s i t y / ( g
17、c m - 3 ) L i q u i d l i m i t / % P l a s t i c l i m i t / % P l a s t i c i n d e x / % T y p e o f s o i l2 . 6 8 2 3 . 7 1 8 . 2 5 . 5 S i l t表2 矿渣化学组分Table2 ChemicalcompositionofslagS i O 2 C a O F e 2 O 3 A l 2 O 3 M g O S O 3 M n O T i O 2 I g n i t i o n l o s sC o n t e n t / % 3 4 . 1 1
18、4 0 . 2 0 1 . 6 5 1 0 . 5 0 4 . 3 6 5 . 1 3 4 . 3 6 0 . 4 8 1 . 3 6本研究以石灰-矿渣/生土复合材料为研究对象,以响应面法作为实验设计方法,对石灰掺量(石灰占复合材料的质量分数) 、矿渣掺量(矿渣占复合材料的质量分数)以及含水率(水量占复合材料的质量分数) 3个因素对石灰-矿渣/生土复合材料热湿综合性能的影响进行研究,总结出各因素对石灰-矿渣/生土复合材料热湿综合性能影响的显著程度,并获得关于上述3个因素的优化制备方法。研究结果对于优化制备改性生土材料,推广改性生土材料在建筑领域的应用具有重要理论价值和现实意义。1 实验材料及方
19、法1.1 实验材料生土材料取自新疆吐鲁番地区,物理性质如表1所示,矿物组分主要是菱镁矿和蛭石,如图1所图1 生土材料X R D分析F i g . 1 X - r a y d i f f r a c t i o n o f s o i l示;石灰( S )选用惠民县宇阳建材有限公司的石灰粉,活性为7 8 % ;矿渣( S L )选用西安德龙粉体工程材料有限公司生产的超细矿渣粉,化学组分如表2所示。1.2实验方法石灰-矿渣/生土复合材料的制备:将石灰、矿渣与生土材料按质量比混合并搅拌5 m i n直至均匀,以含水率为指标计算掺入混合材料中的水量,充分搅拌混合材料5 m i n直至材料充分润湿且干湿
20、均匀,将混合材料倒入3 0 0 m m 3 0 0 m m 3 0 m m的自制模具中并采用无锡建筑材料仪器机械厂生产的N Y L - 6 0型压力试验机压制成型,得到石灰-矿渣/生土复合材料。1.3响应面法设计响应面法( R e s p o n s e S u r f a c e M e t h o d o l o g y ,R S M )能够在影响因素与响应值之间建立一个函数关系,以实现同时考虑多个影响因素来探寻最优影响值 2 2 。此外,响应面法还可考察不同影响因素之间的相互作用规律,进而实现对各影响因素水平的优化与评价。本研究以石灰掺量(石灰与复合材料的质量比)A、矿渣掺量(矿渣与复合
21、材料的质量比)B以及含水率(水量与复合材料的质量比)C为6901复合材料学报万方数据影响因素,以石灰-矿渣/生土复合材料热湿综合性能作为目标函数Y,即响应值,根据现有的相关研究成果,确定3个影响因素的水平值,如表3所示。采用三因素三水平的B o x - B e h n k e n方法对石灰-矿渣/生土复合材料的制备方案进行设计。表3 制备石灰-矿渣/生土复合材料的因素及水平Table3 Factorsandlevelsofthepreparationoflime-slag/soilcompositesF a c t o r S y m b o l L e v e l 1 L e v e l 2
22、 L e v e l 3L i m e a m o u n t / %A6 8 1 0S l a g a m o u n t / %B5 1 0 1 5M o i s t u r e c o n t e n t / %C1 0 1 3 1 61.4 石灰-矿渣/生土复合材料性能测试及表征表4 制备石灰-矿渣/生土复合材料的响应面设计方案及测试结果Table4 Designingschemesandresultsofresponsesurfaceexperimentsofthepreparationoflime-slag/soilcompositesN o .ABCA v e r a g e e
23、 q u i l i b r i u m m o i s t u r ec o n t e n t i n 5 2 . 8 9 % R H / %Y1 T h e r m a l c o n d u c t i v i t y /( W ( m K ) - 1 )Y2Y1 1 0 1 0 1 6 1 1 . 7 7 5 0 . 9 3 6 4 0 . 8 7 8 0 . 9 4 8 2 0 . 9 8 8 22 8 5 1 6 1 2 . 4 7 5 0 . 9 9 2 0 0 . 8 0 7 0 . 8 7 1 5 1 . 1 2 0 53 1 0 1 5 1 3 1 0 . 1 7 5 0
24、 . 8 0 9 1 0 . 9 2 6 1 . 0 0 0 0 0 . 8 0 9 14 6 1 0 1 0 1 1 . 3 0 0 0 . 8 9 8 6 0 . 8 7 2 0 . 9 4 1 7 0 . 9 5 6 95 6 1 0 1 6 1 1 . 8 1 5 0 . 9 3 9 6 0 . 8 6 1 0 . 9 2 9 8 1 . 0 0 9 86 1 0 1 0 1 0 1 1 . 1 2 5 0 . 8 8 4 7 0 . 8 9 9 0 . 9 7 0 8 0 . 9 1 3 97 8 1 0 1 3 1 1 . 2 3 0 0 . 8 9 3 0 0 . 8 6 6 0
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