烧结性能（精选八篇）
烧结性能 篇1
1 试验与研究
1.1 原料准备
以某炼钢厂现行原料及原料结构为例, 确定烧结试验的配矿标准。中和配矿以赤铁矿为主, 配比为85%.其中, 纯赤铁矿配比为65%, 包括多种进口粉矿, 比如巴西粉矿、加拿大粉矿等, 粉矿的粒度越均匀, 烧结性能越好;国产赤铁矿的配比为20%, 含有10%~20%的硫酸渣。磁铁矿的配比为15%, 包括23%的智利粉矿和16%的伊朗粉矿。
1.2 试验
在300 mm口径的烧结杯中进行相应的烧结试验, 料层厚为600 mm。在测定所烧成的烧结矿的落下指数、转鼓指数、粒度组成等时, 一般采用抽风烧结方式, 同时结合相应的化学成分分析, 得出烧结矿的各种冶金性能数据, 比如还原度、熔滴性能、低温还原粉化率等。为了确保试验的有效性, 得到可靠的数据, 在确保原料结构和碱度R中心值相对稳定的基础上, 通过调整轻烧白云石和生石灰配比, 实现对烧结矿中Mg O含量的控制, 然后再对Mg O含量不同的烧结矿的理化性能和冶金性能进行分析。Mg O含量试验方案如表1 所示。
2 分析与讨论
从转鼓强度方面分析, 如果Mg O含量较高, 则在烧结过程中, 液相的生成会变得更加困难。之所以会出现这种情况, 是因为Mg O在烧结矿中形成的钙镁橄榄石体系的熔点相对于硅酸钙体系要高, 在一定程度上阻碍了液相的生成, 也就不利于烧结矿冷态物理强度的提高。因此, 当Mg O含量由1.14%增加到2.58%时, 烧结矿的转鼓强度会随之提高, 所对应的烧结过程及烧结矿的物理指标也会呈现出相同的变化趋势。从烧结矿的化学成分方面分析, 随着Mg O含量的增加, 烧结过程对熔剂的需求量也有所增加, 最终导致烧结矿TFe的含量随Mg O含量的增加而减少, Fe O、Si O2的含量也随之减少。调整烧结矿中Mg O的含量并不会对其中的Al2O3造成很大的影响, 因此, 在烧结矿中, 镁铝比会随着Mg O含量的增加而增大。为了保证高炉冶炼过程中炉渣的流动性, 需要将炉渣中的镁铝比控制在0.6 以上。为此, 需将烧结矿中Mg O的含量控制在2.12%~2.58%之间。
对Mg O含量不同的烧结矿滴落温度进行分析, 可以看出, Mg O的含量为4.05%时, 烧结矿的滴落温度为1 515 ℃, 所对应的软熔区间为169 ℃;Mg O的含量在4.05%以下时, 烧结矿在1 530 ℃的温度下仍无法滴落。由此可以推断, 当烧结矿中Mg O的含量在4.05%以下时, 其软熔区间为180~250 ℃, 高于Mg O含量为4.05%时的软熔区间。
在试验过程中, 当烧结矿开始软化时, 随着Mg O含量的增加, 初始温度随之上升。这主要是因为Mg O含量的增加会导致烧结矿中难熔物质的增加, 液相熔点相应提高。在高炉冶炼中, 软化初始温度的上升能够改善高炉炉料的透气性及还原过程, 扩大其间接还原区域。因此, 适当增加Mg O的含量能够对烧结矿的高温冶金性能起到一定的改善作用。
3 结论
烧结矿的生产过程指标和理化性能在Mg O含量在2.58%~3.06%之间时达到最优, 而从镁铝比方面考虑, Mg O的含量应该控制在2.12%~2.58%之间。为了降低高炉冶炼过程中的焦化量, 提高钢铁产量, 应该将烧结矿中Mg O的含量控制在2.5%左右。
由烧结矿低温冶金性能分析可知, 烧结矿还原粉化率会随Mg O含量的增加和Fe O含量的减少而上升, 但不超过25%.在生产过程中, 如果发现还原粉化率大幅上升, 可以通过对Fe O含量和固体燃料配比的控制进行相应改善。由烧结矿高温冶金性能分析得出, Mg O含量的增加能够提高还原度和软化初始温度, 改善炉渣流动性。
综上所述, 在现行技术条件下, 将烧结矿中Mg O的含量控制在2.5%左右, 能够实现烧结矿理化性能、冶金性能等指标的平衡, 达到较好的生产效果。
参考文献
[1]张中中, 阮志勇, 罗秀传, 等.Mg O对烧结过程及烧结矿性能影响的试验研究[J].柳钢科技, 2014 (1) :5-7, 23.
烧结性能 篇2
研究了烧结压力不同的CoSb3块体的热电性能.采用机械合金化和放电等离子烧结法快速合成了CoSb3块体,测试了其热电性能.结果表明,烧结压力对样品的热电性能没有明显的.影响规律,所得样品具有典型的半导体电学特征及较低的热导率,其热电优值ZT在400℃时取得较大值,200 MPa下烧结的样品最大值达到0.047 9.
作 者：刘科高 张久兴 Liu Kegao Zhang Jiuxing 作者单位：刘科高,Liu Kegao(山东建筑大学材料科学与工程学院,济南,250101)
张久兴,Zhang Jiuxing(北京工业大学材料学院,北京,100022)
电瓷材料的烧结性能探讨 篇3
一、电瓷材料的烧结性能
在电磁材料的烧结过程中, 科学把握控制烧结温度, 使得电瓷材料拥有良好的力学性能和电气性能, 从而在电力系统中起到支持和绝缘作用。当烧结温度控制过低时, 电瓷材料的强度达不到要求, 烧结过程无法顺利致密化;当烧结温度控制过高时, 则会引起电瓷材料内部的晶粒膨胀, 使电瓷材料的力学性能和电气性能下降, 达不到规定的合格要求。因此, 要想使电瓷材料获得良好的烧结性能, 必须严格控制烧结温度, 在恰当的烧结温度范围内烧结, 才能既使电瓷材料顺利致密化, 又能防止电瓷材料的过度膨胀。
二、电瓷材料的烧结性能实验
电瓷材料的烧结性能主要由两个因素决定:一是由制造瓷件所确定的电瓷材料特性决定;二是由该电瓷材料配方及其制造工艺过程所决定。因此, 探究电瓷材料的烧结应注意电瓷材料的自身特性和电瓷材料的烧结过程。本文主要针对电瓷材料的温度控制和气氛控制来分别进行控制实验, 探讨电瓷材料的烧结性能。
(一) 电瓷材料的温度控制实验
实验过程采用控制变量法进行研究讨论, 控制烧结过程中其余不变, 变量是胚料不同, 实验1使用矾土质高强度坯料, 实验2使用工业氧化铝, 电瓷材料的氧化铝含量相同。烧结温度的测量过程使用热膨胀仪, 控制的升温幅度是从常温升至900℃, 以5摄氏度每分钟逐渐升温, 接着从900℃升温至1350℃时, 分别采用1摄氏度每分钟、3摄氏度每分钟、5摄氏度每分钟和10摄氏度每分钟逐渐升温。
电瓷材料的烧结过程结束后, 为探究电瓷材料的烧结性能, 考察电瓷材料的力学性能和电气性能, 使用硅碳棒电阻炉针对实验1和实验2的不同烧结温度下的电瓷材料的密度和开口气孔率进行测试。
(二) 电瓷材料的气氛控制实验
实验过程采用控制变量法进行研究讨论。实验3中试样为普通常见的高压电瓷材料, 实验4的电瓷材料试样与实验3相同, 同时加入1.5%的工业氧化铁。将实验3和实验4中的电瓷材料样品经过1040℃烧结过后, 等量分为两小份, 分别放入氧化铝覆盖的坩埚中和氧化铝混合石墨覆盖的坩埚中, 控制温度逐渐升温, 从常温升至1350℃, 注意升温幅度保持一致。
三、电瓷材料的烧结性能实验结果
根据电瓷材料的温度控制和气氛控制分别进行控制实验, 探讨电瓷材料的烧结性能。针对上述实验的结果进行统计分析, 讨论得出温度控制和烧结气氛对电瓷材料的烧结性能的不同影响。
(一) 电瓷材料的温度控制实验结果
通过统计分析发现, 在实验1中, 电瓷材料样品的温度在1265℃左右时, 样品的收缩致密性能趋于稳定, 而在1290℃左右时, 样品有膨胀的趋势, 并在温度高于1348℃时, 样品膨胀加剧, 性能下降。实验2中, 电瓷材料样品的温度在1289℃左右时, 样品的收缩致密性能趋于稳定, 而在1290℃左右时, 样品有膨胀的趋势, 温度高于1352℃时, 样品膨胀加剧。
针对升温速度与烧成温度的关系, 对不同升温速度的样品进行考察, 结果显示, 以10摄氏度每分钟升温的样品烧成温度最高, 5摄氏度每分钟升温的样品烧成温度次之, 3摄氏度每分钟升温的样品烧成温度相比更低, 烧成温度最低的是1摄氏度每分钟升温的样品。因此, 该实验得出结论为, 其余条件相同的情况下, 升温速度越快, 电瓷材料的烧成温度越高。
(二) 电瓷材料的气氛控制实验结果
通过实验对比发现, 实验4中气氛对电磁材料的烧结温度影响不大, 而在实验5中, 气氛对电磁材料的烧结温度影响较为明显, 因此, 试得出结论为, 当氧化铁的含量低于0.5%时, 气氛对电磁材料的烧结性能影响不大。
在温度约1300℃以下, 氧化铁能促进电瓷材料的顺利烧结。在氧化气氛中, 温度高于1300℃时, 氧化铁分解进而造成样品材料中的气孔较多, 因此, 氧化铁的促进作用会大大降低。对比实验3和实验4可以看出, 在还原气氛下的电瓷材料烧结温度比氧化气氛下的电瓷材料烧结温度低20℃到50℃。另一方面, 还原气氛下, 随着氧化铁含量的增加, 烧结温度降低;氧化气氛下, 随着氧化铁含量的增加, 烧结温度升高。
对电瓷材料的材料分析中, 对比实验3和实验4, 实验3中样品电瓷材料的密度变化受气氛影响较小, 而实验4受气氛变化影响较大。可以看出, 电瓷材料的材料组成纯度与气氛对烧结性能的影响程度之间呈反向变动关系。
四、小结
浅议烧结砖的优异性能 篇4
烧结砖同时也为广大人民提供着遮风避雨的场所。今天, 在号称世界最大的发达国家美国, 烧结砖仍占据其墙体材料的半壁江山。在欧洲的许多国家, 烧结砖被视为奢侈的建筑材料。欧洲建筑协会一位有识的权威人士曾经这样说过:现在世界上出现了许多所谓的新型墙体材料, 它们都在拼命地模仿烧结砖的性能, 但它们都只能模仿烧结砖的一种性能或几种性能而不能模仿烧结砖的全部性能, 可以说烧结砖是墙体材料中的十项全能冠军, 烧结砖具有多种优点。
1 烧结砖具有的优点
1.1 封闭性能
大到万里长城曾经挡住了北方匈奴, 小到一截短墙使内外有别, 都起着隔离和一定的封闭作用。
1.2 承重功能
我国现行烧结砖的质量标准规定承重砖的抗压强度最低为10 MPa。实际上早在20世纪60年代四川省永荣矿务局矸砖厂已生产出了60 MPa (当时叫600号) 以上的烧结砖。84 m高的开元寺砖塔和西安大雁塔等高大建筑也都证明了烧结砖具有强大的承重能力。
1.3 耐久性能
奥地利维也纳山砖厂骄傲地向世界公开保证它生产的烧结砖的使用寿命是200年, 而事实早已证明中国生产的烧结青砖已达到千年不朽。纵观世界保留下来的具有数百年以上历史的古建筑, 其都是砖或石材砌筑的。
1.4 防火性能
烧结砖是在1000℃左右的高温下烧结而成的, 一般的火灾根本奈何它不得, 所以公安部消防总局认定其为A级防火建筑材料。
1.5 防水性能
屋面瓦防水是人尽皆知。屋面瓦是烧结砖家族中的一员。烧结砖也有一定的防水功能, 许多池、窑、小型堤坝用砖砌筑就是证明。
1.6 耐候性
烧结砖在±100℃仍能保持强度及其重要性能, 美国宇航局认为今后要在月球上建人类的庇护所, 唯一可用的材料是烧结砖。
1.7 稳定性
烧结砖基本没有干湿收缩, 热膨胀系数也很小而且是不弯宁断, 不会因受外界应力而变形。
1.8 保温性能
众所周知, 水泥瓦屋面的房子与烧结瓦 (小青瓦或平瓦) 屋面的房子相比, 夏天炎热, 冬天更冷, 这是因为普通混凝土传递热能的速度更快。实测表明, 烧结普通实心砖的传热能力仅为普通混凝土的60%～70%, 所以烧结砖比普通混凝土的保温性能好多了。
1.9 隔音性能
烧结砖体中极其细小的微孔及孔壁对音波传递构成了极大的阻力, 减弱和吸收了声音及其能量, 实测证明240 mm厚的普通实心砖墙的隔音能力为51.2 dB, 这就给我们营造了一个相对清静的小环境。
1.10 呼吸功能
烧结砖中有数不清的微孔, 它们在空气湿度高时吸收空气中的水分, 使人们减轻闷热, 而在空气相对干燥时它们又缓慢地释放这些水分, 从而降低人们的燥热感觉。
1.11 装饰功能
不论是北京故宫的红墙还是古城民居的青砖, 都给人们以回归自然的美的享受。色彩斑斓的琉璃砖瓦更使建筑富丽堂皇。就连秦始皇陵出土的兵马俑也是粘土烧结制品。
目前, 秦皇岛晨龚生产的带有装饰功能的外墙砖, 不仅保证节能还可以根据用户需要在外墙面装饰出各种彩色, 及“树皮”、“拉毛”等花纹。建筑物不需贴瓷砖, 不必搞外装修就可以色彩斑斓, 而且永不脱落。
1.12 灵活性
可以根据建筑师的丰富想象力建成各种花样的亭台楼阁、屋顶、地面、高塔、城堡。
2 烧结多孔砖、空心砖具有的优点
与烧结普通实心砖相比, 烧结多孔砖、空心砖有更好的技术性能。
2.1 更好的抗震性能
中国建筑科研院抗震研究所和中国建筑西北设计院的实测数据表明:在同样条件下多孔砖的通缝抗剪强度比实心砖高18.4%, 抗剪开裂载荷和极限承载能力分别提高17%和19%, 当砌体带构造柱时更分别高出19%和26%。在住宅建设中墙体质量常为建筑物总质量的一半以上, 多孔 (空心) 砖比实心砖轻得多, 建筑物的质量也减轻了, 地震应力也减少了。实测表明, 当建筑物的自重减少约20%时, 水平地震力减少约15%。
四川省凉山彝族自治州西昌市地处安宁河与则木河两条断裂带的交点, 历史上多次发生过7级以上的强烈地震, 是四川省仅有的3个9度设防的县市之一。早在1993年2月就实现了全市框架结构建筑全部使用空心砖作填充墙, 一举成为西南地区第一个目前仍是唯一一个“空心砖化”了的城市。当然, 绝不是西昌人不怕地震, 而是他们更相信科学。
多孔砖、空心砖更好的抗震性能源于以下原因:
a.空心砖比普通实心砖块大体轻。块大, 则稳定性好, 砌筑灰缝少, 薄弱环节也少;体轻, 则所产生的地震应力也相应减少;空心砖表面的凹槽和多孔砖的孔洞和凹槽不仅增加了与砌筑砂浆的接触面积, 而且砌筑时挤进孔洞和凹槽的砂浆凝固后形成的销键作用增强了砂浆与砖的结合强度及砌体的整体抗震性能。
b.需知砖不是单个使用的, 而是成千上万块砖之间依靠水泥砂浆粘结材料组成一个具有一定强度的墙体。在这里, 水泥砂浆等粘结材料的粘结性能和施工质量 (灰浆饱满度和其与砖的粘结强度) 起着至关重要的作用。
2008年5.12汶川强烈地震给我们上了很好的一课。整个地震灾区无论是遗留下来的残垣断壁, 还是没有倒塌的墙上的裂缝, 都是沿砖的灰缝折断、开裂、极少有被腰斩的断砖。这就明确地告诉我们灰缝是墙体的薄弱环节。
难怪有人说:“质量不好的烧结砖肯定建不出质量优良的建筑, 而质量极好的烧结砖也不一定就能建成质量优良的建筑物”。如果没有能将砖很好固定在一起的粘结材料, 钢砖墙也容易被推倒。
烧结多孔砖和空心砖的体积比普通实心砖大, 砌体的灰缝就少, 墙的薄弱环节也少, 因此就牢固多了。
当采用普通实心砖砌1 m高的墙时有16.6条水平灰缝, 而当采用外形尺寸为240 mm×115 mm×90 mm的KP1型多孔砖时只有10条灰缝, 灰缝少了40%, 薄弱环节也减少了, 墙的抗震性能也就高了。如果采用的不是KP1型多孔砖而是外形尺寸为240 mm×240 mm×190 mm的大块烧结多孔砖, 不仅水平灰缝只有5条, 而且竖直灰缝也减少了, 墙的抗震能力就更高了。
2.2 改善施工性能
多孔砖和空心砖可提高建筑施工工效, 当采用烧结普通实心砖时, 工人需用684块总重约1700 kg的砖才能完成1 m3的砌体 (实际施工中, 扣除水泥砂浆约需530块/m3～550块/m3) ;而当使用KP1型多孔砖时只需用402块砖总重1200 kg～1300 kg砖 (未扣除水泥砂浆, 以下同) ;当采用外形尺寸为240 mm×240 mm×190 mm的空心砖时只需用193块总重约800 kg的砖。
2.3 降低工程造价
如前所述当使用普通实心砖时, 每1 m高的砌体有17条水平灰缝, 使用KP1型多孔砖时只有10条灰缝, 而当使用外形尺寸为240 mm×240 mm×190 mm的空心砖时只有5条水平灰缝, 其每1 m3砌体所需用的水泥砂浆分别为0.2 m3、0.12 m3和约0.06m3。
由于普通实心砖的密度为1700 kg/m3, KP1型砖约为1200 kg/m3, 空心砖可达800 kg/m3或更低, 建筑材料的运输质量和费用也大幅下降。
在民用建筑中墙体质量约为建筑物总重的一半, 砌墙砖的容重减轻了, 基础的负担也减轻了, 结构用的梁、柱的承载力也减少了, 所以, 当采用多孔砖、空心砖作墙体主材时, 不仅基础费用下降, 钢材用量也同样减少。
凉山州设计院的资料表明:当采用孔洞率为50%左右的空心砖取代普通实心砖作填充墙时, 每平方米建筑面积可节约梁、柱使用的钢材5.5 kg, 相当于节省出全部楼面和屋面所需用的钢材。
例如:北京石化卫星城住宅小区1997年新建18万m2多孔砖民居, 按建筑面积计算, 每平方米造价降低25元, 其中基础费下降10%, 材料用量减少20%, 工期缩短20%～25%, 总造价下降3%～5%, 使用面积增加3%～5%。
又如70年代建成的37层110.9 m高的南京金陵饭店主楼, 全部采用空心砖作填充墙, 竣工决算表明:砖体质量比用普通实心砖的减轻49.7%, 水泥砂浆减少59%, 人工减少46%, 材料的运输、提升质量减轻15%～18%。
2.4 更好的保温性能
众所周知, 静止的空气是良好的隔热保温材料, 新的棉絮在棉花纤维所组成的数不清的空隙中保有基本静止的空气, 所以能保温而用旧了已经板结的“老棉絮”棉花纤维中的缝隙被挤紧了, “静止的空气”也没有了, 所以“不暖和”了。烧结多孔砖、空心砖以其纵横交错的肋和壁巧妙安排组成具有一定强度的砖并以其互相隔开的孔、缝贮存基本静止的空气, 以隔热保温, 一举两得。表1是几种常见墙体的传热系数, 数值越大, 传热越好, 保温性能也越差。
应该说明的是墙体的保温性能往往比砖的保温性能更差, 这是因为大量的墙的灰缝给热流传递提供了一个快速通道 (热桥) 。所以尽可能地加大砖的外形尺寸, 减少砌筑灰缝, 是提高墙的保温性能的有效手段。
统计表明, 我国目前建筑物的取暖降温能耗约占全国总能耗的1/4, 成为节能减排的瓶颈。
目前采用的外保温、内保温等措施不仅增加建筑成本而且其使用寿命远远低于建筑物本身。烧结保温砌块的应用使建筑物不需内、外保温措施就达到了保温效果。
2.5 隔音效果更好
实测表明, 240 mm厚的普通实心砖墙的隔音能力为51.2 dB, 而190 mm厚的圆形孔多孔砖墙的隔音能力达到46 dB～54 dB。
烧结性能 篇5
本文以新型墙体材料的代表———多孔砖的基本性能及热工分析为出发点, 试验分析了该多孔砖的表观密度、抗压强度等基本性能, 并应用相应的计算方法对多孔砖进行热工分析, 这对于墙体材料的优选与发展、实现建筑节能、促进现代建筑的可持续发展, 具有重要的理论和现实意义。
1 试验原材料
本文所选烧结页岩装饰多孔砖由青岛某材料公司生产, 规格为240×115×90 (mm) , 如图1所示。
2 基本性能试验
2.1 尺寸偏差
样品检验数为20块, 检验方法按GB/T 2542-2003进行, 每一尺寸测量不足0.5 mm时按0.5 mm计算, 每一方向尺寸以两个测量值的算术平均值表示。经测量, 样本平均偏差和样本极差见表1。
/mm
由表1, 判定所选材料为优等品。
2.2 抗压强度
试样的数量为10块, 按GB/T 2542-2003中第4章相关规定进行, 试验结果见表2。
由表2, 该多孔砖达到了MU30强度等级, 可用于承重部位。
2.3 孔洞率
取5块试样, 方法按GB/T 2542-2003进行, 孔洞率为27.4%。
2.4 表观密度
表观密度指的是材料在自然状态下, 单位体积的质量, 计算公式如下:
式中ρ0—材料的表观密度, kg/m3;
m—材料在自然状态下材料的质量, kg;
v0—材料在自然状态下的体积, m3。
本试验用砖经随机取样, 按标准方法测得表观密度如表3。
2.5 材质表观密度及孔隙率
本文拟用已知普通黏土砖材质的孔隙率及导热系数来推导本文所选页岩多孔砖材质及黏土多孔砖材质的导热系数, 故同时进行了黏土砖及页岩砖的试验, 材质表观密度按下述步骤进行:
1) 砖块经随机取样, 随机切取砖块边缘及中间部位共5块;
2) 放置于干燥箱中烘干至恒重, 刷净表面灰尘, 称取干燥质量m1;
3) 将试样放置于抽真空装置中, 抽空, 待压力不再升高注入水, 保持30min;
4) 将饱和试样迅速移至带溢流管容器的水中, 待试样完全被淹没, 将试样吊在天平的挂钩上进行称量, 得饱和试样表观质量m2;
5) 从水中取出试样, 用湿毛巾小心擦去试样表面多余的水份, 迅速称量饱和试样在空气中的质量m3。
按下式计算材质的表观密度:
式中ρ0—砖材质的表观密度, g/cm3;
m1—干燥试样的质量, g;
m2—饱和试样的表观质量, g;
m3—饱和试样质量, g;
ρ水—试验温度下水的密度, 取1g/cm3。
孔隙率是指在材料体积内, 孔隙体积所占的比例, 以P表示, 本试验按下述步骤进行:
1) 取少量砖块进行粉磨, 取样应随机取样, 烘干至恒重, 称重量m, 一般不少于200 g;
2) 将李氏瓶中注入水, 放入恒温箱中至水温不再变化为止 (一般不少于2 h) , 读取水面刻度v1;
3) 将细粉加入李氏瓶中, 待瓶中水的液面上升至接近瓶的最大读数时为止, 轻摇李氏瓶, 使空气逸出, 将瓶放入恒温箱中待温度恒定 (一般放置时间不少于24 h) 读数得v2;
同一试样应平行试验两次, 取平均值做为试验结果, 按下式计算材质密度:
式中ρ—砖材质的密度, g/cm3;
m—砖粉质量, g;
v1—李氏瓶中水的体积, cm3;
v2—李氏瓶中水和细粉的总体积, cm3。
材质的孔隙率按下式计算:
式中P—砖材质的孔隙率, %;
ρ0—砖材质的表观密度, g/cm3;
ρ—砖材质的密度, g/cm3。
按上述方法及步骤测得页岩多孔砖及黏土多孔砖材质的表观密度及孔隙率见表4。
2.6 材质导热系数
据文献介绍, 普通黏土砖的孔隙率为33%时, 导热系数为0.81 W/m·K, 孔隙率为38%时, 导热系数为0.76W/m·K。本文所选装饰多孔砖, 其原料主要为页岩, 装饰要求其致密、光滑、平整, 其导热系数的计算必须首先获取该页岩材质的导热系数, 为了能推导出合理的关系式, 同时为后续分析提供计算参数, 拟采用下述方法:
对于固体材质的孔隙率及导热系数, 由于随着孔隙率的增加, 导热系数随之减小, 可以近似看作一次线性关系, 故可根据上述已知孔隙率及导热系数来推出本文所选砖质材料的导热系数, 其关系见图2。
根据图2所述关系, 计算出所选页岩多孔砖及黏土多孔砖材质的导热系数分别为0.89 W/m·K、0.75 W/m·K。
3 热工性能分析
对于多孔砖来说, 其导热系数是指砖质材料与孔洞中空气的平均导热系数, 而矩形、圆形、正方形等孔洞形状的变化带来了传热方式的复杂化, 所以, 应根据不同的孔洞形状来研究多孔砖的传热机理, 分析其导热系数的计算方法。
据资料介绍, 多孔砖的平均导热系数可采用联邦德国的Homayr公式、前苏联的K.Φ.ΦokИh公式及民用建筑热工设计规程公式。从笔者对三种方法的认识来看, 通过对比分析的方法, 比较了三种近似计算方法的可行性, 总结了三种方法的误差、缺点及优点, 见表5。
从上表可以看出, Homayr方法简单准确, 误差较小, 特别是针对多孔砖更为实用, 所以本文选取Homayr方法。计算出不同孔型的页岩多孔砖 (规格:240×115×90 (mm) ) 的平均导热系数及热阻如表6所示。
4 结果分析
1) 该砖表面平整, 尺寸偏差小;
2) 该多孔砖达到了MU30强度等级, 可用于承重部位;
3) 页岩砖材质的孔隙率为25.1%, 与黏土砖相比较致密;
4) 由表6可以看出, 从多孔砖自身的热工性能讲, 矩形孔优于菱形孔, 圆形孔较差, 其中矩形孔中水平孔为最好, 从孔的布局可看出水平孔多孔砖为错孔排列, 增加了热流的传热路线, 增大了热阻。
参考文献
[1]陈光辉, 张发生.多孔砖夹心复合墙热工性能分析[J].建筑节能, 2007, 41 (7) :36-39.
[2]刘加平.建筑物理[M].北京:中国建筑工业出版社, 2000.
烧结性能 篇6
烧结页岩空心砌块是一种非黏土类、高孔洞率的新型墙体材料。其主规格(长×高×宽)有:290 mm×190 mm×240 mm、290 mm×115 mm×240 mm、240 mm×90 mm×240 mm等。该类产品是以页岩和石英尾矿砂为主要原料,经高真空挤压成型和天然气高温(930℃以上)焙烧而成,具有较好的抗压、保温、隔热、隔声、抗裂等性能,可用于工业及民用建筑内外非承重墙的新建、扩建及改建。其砌筑方式一般为水平砌筑,且由于砌块较大,施工方便、快捷,同时大块砌筑有利于节省砂浆,降低综合施工费。因此,有必要探讨其热工性能及其在建筑节能方面的价值。
本文在测试样品热工性能的基础上,提出相关优化措施,并再次测试。而后借助实际案例模拟,分析不同砌块建筑的能耗状况及节能效果,通过综合对比、分析,得出相关结论。
1 烧结页岩空心砌块热工性能测试
测试采用热流计法,其热工性能以平均传热阻、传热系数及当量导热系数表示。测试依据是GB 10295—2008《绝热材料稳定热阻及有关特性的测定热流计法》;计算的理论依据是GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》,最基本的思路是加权平均。
1.1 烧结页岩空心砌块及测试仪器
所用的烧结页岩空心砌块规格为290 mm×190 mm×240mm,实测表观密度为776 kg/m3,孔洞率为61.9%。其截面及相关尺寸见图1。试件架内用于测试的墙体尺寸为:1000 mm(长)×1000 mm(高)×240 mm(厚),墙体两边各抹10 mm厚水泥砂浆(即墙体总厚度260 mm)。砌筑用水泥砂浆的干密度取1800 kg/m3,导热系数取0.93 W/(m·K)[1]。
测试仪器包括JW-I型建筑墙体及玻璃制品保温性能检测装置、JW-II型建筑热工温度与热流巡回自动检测仪、调压器等。
1.2 测试结果(见表1)
由表1可以看出,烧结页岩空心砌块的当量导热系数小于混凝土多孔砖[λ=0.74 W/(m·K)]、KP1烧结多孔砖[λ=0.58W/(m·K)][2]、煤渣混凝土空心砌块[ρ=720 kg/m3时,λ=0.426W/(m·K)][2]及煤矸石烧结模数多孔砖[孔洞率为33.4%时,λ=0.41 W/(m·K)][3]等典型或新型节能型外墙砌体材料的当量导热系数值。同时亦可看出,该砌块用于外墙及内墙砌筑时均满足DB 33/1015—2003《浙江省居住建筑节能设计标准》规定的平均传热系数要求[居住建筑外墙的平均传热系数最大不得超过1.5 W/(m2·K);居住建筑分户墙的平均传热系数最大不得超过2.0 W/(m2·K)]。综上,该砌块表现出了较好的保温性能,同时,干密度较小(约为KP1烧结多孔砖的1/2),更提高了其推广应用价值。
2 烧结页岩空心砌块热工性能的优化及测试
2.1 优化方案
通常,改善空心砖(砌块)热工性能的途径主要有:孔洞率、孔形及孔洞分布,孔内的绝热措施等。理论上讲,适当提高孔洞率可以降低砌块的当量导热系数,但其孔洞率达到一定程度时,孔洞内部的对流换热便会加强,传热量增加,因此,存在最佳孔洞率。据研究,当多孔砖(砌块)的空气层厚度超过10 mm时,空气层内的对流换热便趋明显[4]。而本试件的空气层厚度近40 mm,因此,将抑制对流换热作为首选措施。已有研究表明,在空心砌块内填充EPS对其物理性能不会造成任何不良影响,且能改善其热工性能[5,6]。如文献[2],在煤渣混凝土空心砌块内填EPS,其当量导热系数由0.426 W/(m·K)降为0.24 W/(m·K),效果显著。
在前文所测类型试件(规格为290 mm×240 mm×190 mm)的孔洞内填充EPS,再次测试其热工性能。填充分5次操作,即分5种方案。5种方案的表观密度、孔洞率、EPS的填充比率和方式等见表2及图2。针对表2有几点说明:(1)测试分批次进行,每次选取的样品有别,且前后历时1年之久,故孔洞率和试件(未填充EPS)表观密度略有差异,此处,遵循原始数据记录;(2)方案c填充EPS的孔洞比率为60%,但其表观密度却为754 kg/m3。主要原因在于该方案所填EPS的干密度最小,且填充稀松,同时,也是试件自身表观密度有别所致;(3)方案a、方案b、方案d及方案e中EPS的填充方式及密度相同。
2.2 优化后烧结页岩空心砌块热工性能测试结果
运用与前文相同的测试方法,测得5种方案的相关热工参数见表3。
从表3可看出,在试件孔洞内填充EPS后,砌块的热阻明显增大,当量导热系数减小,其热工性能得到较大改善。其中,方案d与方案e效果最明显,当量导热系数与优化前试件相差0.15～0.16 W/(m·K),对应砌块墙体的传热系数相差0.44～0.46 W/(m2·K),差别明显。
3 应用案例
由于烧结页岩空心砌块良好的热工性能,已有相关应用案例。现以浙江省台州市中钢·世纪花园5#楼为例,进行相关能耗模拟。同时,将各优化方案应用于该建筑,并分别模拟,以作一简单比较。
3.1 建筑概况
中钢·世纪花园5#楼,地上23层,地下1层,总高69.15m,总表面积5483.12 m2,体形系数0.34,平均窗墙比0.20(其中东:0.07;南:0.37;西:0.06;北:0.23),建筑节能计算面积为5712.11 m2。该建筑的结构形式为钢筋混凝土框架剪力墙结构,外墙填充墙构造(由外到内)和分户墙构造为:水泥砂浆(20 mm)+特拉烧结页岩空心砌块(240 mm)+水泥砂浆(20mm)。
3.2 能耗模拟
本文以夏热冬冷地区居住建筑能耗分析软件PKPM(以Doe2IN为内核)对该楼进行能耗模拟。模拟计算依据台州典型气象年的气象参数(包括当地实时的大气温度、湿度、太阳辐射和气流状况等),建筑设备、使用状况等均按标准[1]取值。居室室内计算温度:冬季全天为18℃,夏季全天为26℃[7]。采暖和空调时换气次数为1次/h。室内得热、建筑面积及体积计算、采暖及空调能效比均按标准[1]取值。热工计算模型见图3。
对案例采用规定性指标分析及动态能耗计算,并使用对比评定法综合评定计算结果。模拟及相关计算结果为:外墙类型墙体的热阻为0.83 m2·K/W,传热系数为1.20 W/(m2·K),外墙全楼加权平均传热系数为1.44 W/(m2·K);分户墙类型墙体的热阻为0.90 m2·K/W,传热系数为1.11 W/(m2·K);全年能耗为291 155 kW·h,单位面积能耗为54.05 kW·h/m2。由此可见,该建筑外墙和分户墙的传热系数均满足标准[1]要求。该建筑全年能耗小于参照建筑的全年能耗(见图4),节能率为52.85%,满足建筑节能50%的要求。
3.3 应用优化方案后能耗模拟
其它条件不变,将中钢·世纪花园5#楼中外墙部位的特拉烧结页岩空心砌块分别用方案a、方案b、方案c、方案d及方案e的材料替换,进行能耗模拟计算(方法同3.2),模拟计算结果见表4,而参考建筑全年总能耗为3.087×105 kW·h。
由表4可知,当优化方案用于实际建筑时,建筑能耗减小,其节能率均有提高。尤其是方案d和方案e,将其应用于该建筑时,节能率均超过55%,提高近3%,而方案d与方案e的总能耗相差不大。
3.4 优化方案的经济性分析
此经济性分析的计算仍以中钢·世纪花园5#楼为模型,主要以初始投资增加成本及回收期为目标参数。烧结页岩空心砌块孔洞内填充EPS后所增加的成本按式(1)计算,投资回收期按式(2)[8]计算。投资回收期是指砌块内填充EPS后,多支出的初始投资可在此期限内从少支付的采暖和空调费用中得到补偿[9]。由于方案c中EPS的密度及填充方式与其它方案不同,此处仅分析方案a、方案b、方案d及方案e等4种方案。
式中:I———外墙砌块内填充EPS后所增加的成本,元;
Ato——外围护结构的总表面积,m2;
Ab——外墙每块砌块朝向室外的面积,290 mm×190 mm=0.055 m2;
Cm———平均窗墙比;
V——砌块内填充EPS的体积,m3(方案a、方案b、方案d、方案e分别取0.001588、0.003176、0.006352、0.007940 m3);
a——EPS的市场价格,取300元/m3;
b——每块砌块内填充EPS的加工成本,元。
式中:n——投资回收期,年;
c——台州日平均电价,(2×1.418+10×1.113+12×0.59)/24=0.876元/(kW·h);
ξ——空调的EER,取2.3[1];
E'———1 kW·h的能量,3.6×106 J/(kW·h);
△E———填充EPS后建筑每年节约的能量,J/a。
经式(1)、式(2)计算,可得出初始投资增加成本I和投资回收期n随每块砌块内填充EPS的加工成本b的变化规律(见表5)。根据实际经验,b值可取0.2～0.5。
由表5可见,在烧结页岩空心砌块内填充EPS板附加投资和回收年限(相对于未填充的砌块而言)的区间跨度较大,具体应用时,可综合权衡考虑选取相关方案。从建筑全生命周期考虑,附加投资是可行的。同时,随着我国建筑节能要求的不断提升,外墙砌体材料的热工性能也需要不断提高。对此,在砌体外侧附加保温层(如胶粉聚苯颗粒等),除造价增加外,亦有耐久年限及安全性方面的系列问题(尤其是高层建筑)。从这个角度讲,优化方案的附加成本将大大降低,有较大的应用价值。
4 结语
烧结页岩空心砌块具有良好的热工性能,可实现墙体的自保温或辅助保温,能满足建筑节能50%的要求,并已成功应用于工程实践。对烧结页岩空心砌块优化,即在其孔洞内填充EPS,能有效改善其热工性能,且随着填充比率的增大,保温性能不断改善。此外,考虑建筑的全生命周期及我国建筑节能标准不断提高的趋势,优化方案在缩短施工周期、降低工程造价、替代外侧保温层及消除外保温安全隐患等方面的优势将更加突出,具有较大的综合效益及应用前景。
参考文献
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非烧结砖某些性能检验方法的商榷 篇7
根据当今国策现己普遍禁止粘土烧结实心砖的生产, 但新型的墙体替代材料的生产还没有及时地跟上, 特别是广大农村建筑, 人们还习惯于使用几千年传统的小砖块来建房, 且四川5·12地震后要求灾区尽快完成永久性住房的建造, 灾区的重建任务较大。所以用水泥基为胶结料的各种混凝土砖就应运而生。但其某些主要特定性能:如吸水率性能和抗压强度性能等的检测方法, 应根据自身的特点而与普通粘土烧结砌墙砖有所区别, 现根据多年实践观察总结, 提出以下改进意见供参考。
2 吸水率测定方法的改进
作者先后于2003年和2005年根据对粘土质烧结砖和水泥混凝土路面砖等水泥制品反复多次烘干和吸水的试验比对总结, 分别在《砖瓦》、《建筑砌块和砌块建筑》两杂志上发表了“论水泥混凝土路面砖、路缘石和空心砌块等水泥制品吸水率检测方法的商榷”和“再论水泥混凝土路面砖、路缘石和空心砌块等水泥制品吸水率检测方法的商榷”两篇论文, 阐述了以水泥基为主的水泥制品的吸水率检测方法不能等同于烧结粘土砖制品, 因粘土质烧结砖它是以单纯的粘土质矿物, 如高岭石、伊利石、蒙脱石及膨润土等低钙铝硅酸盐矿物, 经加水塑化、成型、烘干后的半成品坯体, 在900℃~1 000℃下烧结而重新组成不与水起化学反应的新的稳定性好的陶瓷类的矿物:如石英石、莫来石、钙黄长石、硅灰石、硬硅钙石等, 且遗留下粘土质矿物塑化时的拌合水及矿物脱水分解并重组而形成的粗大毛细孔隙。但水泥则不同、它是以石灰石为主要原料, 掺入少量粘土及助熔剂经均化后的混合物, 在1 350℃~1 450℃左右的高温下经半熔融状态而重组成能与水起化学反应的新的高钙硅酸盐、高钙铝酸盐、高钙铁硫铝酸盐等不稳定的水泥熟料矿物, 并掺入适量石膏组分为调凝剂及掺入适量活性或非活性混合材后、经磨细而成硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥粉末, 其特性为能迅速与水起化学反应而形成一系列含水的水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙、消石灰、硅胶及铝胶等新的矿物质作为胶结料, 它并能把一定比例的砂石粘结成整体而凝固形成所谓人造石材即混凝土。其特点是在常温下具有比粘土烧结砖更高的硬度即强度, 但也存在其热不稳定性的特性, 众所周知的从以往对水泥水化产物的热物理分析中可以看到:其从80℃~180℃之内有一个很大的吸热谷, 说明了它能在一个较大的温度范围内产生脱水分解现象, 如其中的二水石膏组分在80℃时就开始产生脱水, 二水石膏脱成半水石膏是在80℃~150℃区间的一个长过程, 其他水化产物的结晶水和凝胶的结合水也同时在不同的温度范围下逐渐分解。故基于以上事实, 以水泥基为主的各种砖的吸水率测定法, 绝不能套用粘土质烧结砖及砌墙砖等制品吸水率的测定法, 否则将如“再论水泥混凝土路面砖、路缘石和空心砌块等水泥制品吸水率检测方法的商榷”一文中所阐述的现象发生, 即对于烧结砖在105℃±5℃烘干条件下, 无论是先烘干后泡水或先泡水后烘干不同制度下的吸水率测定值是完全相同而毫无区别, 且经多次泡水烘干其结果的再现性也很好。而水泥制品则完全不同, 它除了有与水泥没有起反应完的剩余水作为毛细孔的吸附水外, 还有水泥石中的不同水化产物的结晶水, 在不同温度下分解脱水而增加的所谓“附加”吸水率, 而这些“附加”的吸水率又会随烘干温度的高低和时间的长短不同而不同, 故总吸水率也将随之不同, 且检测结果还与试件先烘干后泡水及先泡水后烘干的测定程序不同而不同, 因高于水泥水化产物分解脱水的温度烘干, 将产生新的微细裂纹而使结构破坏也导致其吸水率进一步增大, 故无论砖是先泡水后烘干又泡水及烘干或砖先烘干后泡水及再烘干后又泡水多次重复检测其再现性很差, 下面我们再用80℃、100℃及110℃ (即105℃±5℃) 三种不同烘干温度对四组饱水后的水泥混凝土路面砖及水泥混凝土实心非烧结砌墙砖进行烘干比对试验予以证实:如下表1所列。
从表1试验结果可以看到如下规律:
a.饱水后的水泥混凝土制品, 当水泥用量较大、表面较致密即开口孔隙较小且较少、而抗压强度又较高的混凝土路面砖 (≥Cc30强度等级) , 在80℃下需烘干28 h~30 h, 才能达到相邻两次烘干的重量差≤0.2%而达到的恒重标准要求 (GB/T 2542“砌墙砖试验方法”标准所规定) 。而水泥用量较少且表面较粗糙、可见的开口孔隙较多且产品抗压强度较低 (MU15等级) 只满足于砌墙用的水泥混凝土实心砖 (砖厚与混凝土路面砖厚度相当) 80℃下只需烘干20 h~22 h即可达到烘干恒重要求 (减少近1/3时间) , 说明烘干速度直接与产品强度及表面的致密度和孔隙大小相关。
b.无论是产品表面较致密、标号较高的混凝土路面砖, 或者是表面较粗糙、强度标号较低的砌墙砖, 在80℃下烘至恒重后又继续在100℃及110℃下继续烘干, 砖的质量将继续不断减小, 说明了带结晶水的水泥水化产物如水化硅酸钙 (CaO·SiO2·XH2O) 、水化硫铝[3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O、3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O) 、氢氧化钙 (Ca (OH) 2]及剩余的石膏 (CaSO4·2H2O) 、硅酸胶 (SiO2·XH2O) 、铝酸胶Al2O3·YH2O) 等, 都将产生不同程度脱水分解, 这与其水化产物差热分析曲线中80℃~180℃区间大范围内一个大的吸热谷相对应, 无形中增加了其开口毛细孔隙的“附加”的吸水率, 因而是极其不合理的。
c.混凝土路面砖80℃下烘干后, 继续在100℃下又需烘干28 h~30 h、后在110℃下又需继续烘干17 h~19 h, 才能使相邻两次烘干的重量差达到恒重要求, 烘干总耗时达80 h左右, 这与过去按标准规定直接在105℃±5℃下烘干至3天3夜 (72 h左右) 之长仍达不到恒重要求的规律性相一致。
d.铺地用的混凝土路面砖要求的强度标号较高, 故其水泥用量也较大, 约占混凝土总重的15%~20%, 而砌墙用的混凝土实心砖要求的强度标号较低, 所以相应的水泥用量也较少, 约占混凝土总重的10%以下, 故其水泥水化生成物也相对较少, 相对应的附加吸水率也将小一些。另外还由于生产工艺的不同而使具有较多粗大毛细管孔隙的砌墙砖, 除了在80℃下烘干的脱水速度较混凝土路面砖快, 即使在100℃下继续烘干的脱水速度也较快, 只需18 h左右即达恒重要求, 而混凝土路面砖则需28 h左右, 即多耗10 h。
e.综合研究表中试验结果可以看到各产品在不同的烘干温度的吸水率是不相同的, 如表2所列。
从表2中可以看到三组混凝土路面砖80℃烘干下的吸水率平均为4.9%, 达到JC 446/T-2 000混凝土路面砖标准规定优等品应≤5%的标准要求, 而100℃~110℃ (105℃±5℃) 烘干下的吸水率, 分别增大43.5%~73.5%和38.5%~71.7%, 超出标准规定一等品应小于或等于6.5%的要求, 与省质检中心型式检验结果一致而被判为不合格产品, 是极不合情理的。
水泥混凝土砌墙砖虽然表面较粗糙、可见的开口孔隙大且多, 所以80℃烘干下的吸水率略大于密实的混凝土路面砖, 但100℃继续烘干仍然存在“附加”的吸水率, 说明了水泥混凝土砖 (无论是混凝土路面砖或是混凝土砌墙砖) 的吸水率测定法, 照抄照搬粘土烧结砖105℃±5℃下的烘干测定法, 是不可取的, 应根据水泥混凝土本身的特性, 宜选在80℃以下即78℃±2℃范围内烘干为宜 (80℃为石膏开始的分解温度) , 且测定程序也应倒过来, 即先把内含有约50%以上游离水的水泥混凝土砖先饱水8 h~24 h称重后再烘干的测定程序。
3 抗压强度测定方法的商榷
近几年颁布实施的NY/T 671-2003“混凝土普通砖和装饰砖”、GB/T 21144-2007“混凝土实心砖”、JC/T422-2007“非烧结垃圾尾矿砖”、DB 51/T 863-2008“地震损毁建筑废弃物再生骨料混凝土实心砖”等国家及地方标准, 均以水泥基为主要胶结料生产的砖, 代替传统的粘土质烧结砖, 但其强度的检测均规定采用GB/T 2542-2003“砌墙砖试验方法”标准中7.3.1.3条款规定的“非烧结砖”法, 即直接把同一块试样砖的两半截砖切断口相反叠放后直接进行试压, 显然是不科学的, 因以上各非烧结砖标准中的外观尺寸允许偏差均规定有2 mm以上的厚度差及2 mm以内的弯曲变形差, 故两半截砖叠放后必然看到叠层间有缝隙, 两受压面不可能保持平行和平整, 形成点接触局部受压及偏心受压而使强度偏低, 所以本法不符合标准规定的要求应淘汰之。如采用“标准”中的烧结普通砖的“普通制样法”, 即把砖折断或锯成两个半截砖, 并以断口相反方向叠放, 中间用5 mm厚水泥净浆粘结, 上、下两平面用3 mm厚水泥净浆抹平, 虽然要求上、下两平面须相互平行、并垂直于侧面, 但无具体条件和验收标准, 故无法操作等于白说, 除非采用标准中的“模具制样法”才能达到试样的上、下两受压面保持绝对的平行与平整并垂直于侧面, 正确反映出砖本身客观的强度值。但“模具制样法”需一个试样砖配一套固定模具, 那么一组试样砖则需配十套固定模具, 且需振动台等设备操作繁琐, 故只有需“仲裁检定”时才采用之。所以平常仍是采用“普通制样法”, 但此法其缺点:首先为该法对水泥净浆的稠度无具体要求, 抹平也受砖湿度不同而影响抹平的操作质量, 其次当试样砖两边如临时用单向的活动夹板来控制水泥净浆的抹平高度及抹平的平整度 (标准中无此规定) , 试样砖受压面抹平后如立即把两边的夹板去除, 以便用于下一个试样砖的制样用, 此时由于水泥浆具有一定的粘性, 即使用滑动法小心去除两边的夹板, 也可发现试样砖表面抹平的水泥浆边缘已发生了位移而导致其不平整。再其次还可观察到当水泥净浆凝固过程中发生泌水时, 抹平的水泥浆表面自然向边缘四周下垂而形成凹凸不平的表面, 甚至有时还可看到抹平的水泥浆表面发生鼓起气泡的现象, 因而根本上达不到上、下两受压面相互平行、平整和与侧面垂直的标准要求。故试样砖在压力机上承压仍是点接触局部先受压, 必然导致强度偏低, 不能正确反映出试样砖材料本身的真实强度值。
为正确反映非烧结砖的真实强度值, 首先要确保有两受压面相互平行、平整和与侧面垂直的具体可行的技术措施, 当然可把以上的单向活动夹板改为双向固定夹板的技术措施, 即相当于“模具制样法”需较多的固定夹板且操作繁琐, 根据实践经验总结:建议采用GB/T 4111“混凝土小型空心砌块试验方法”标准中规定的方法并略作修改较为合理, 即在水平制作平台上的钢板或玻璃板上用纸为隔离层, 先用1∶2~3的水泥砂浆坐浆找平试样砖的一个表面及粘结断口相反叠放的两半截砖 (砂子采用筛去2.5 mm后的砂子或细砂) , 第二天从平台上翻转取下坐浆找平的试样砖, 用同法坐浆找平试样砖的另一受压面, 并用水平尺在试样砖上表面校平的措施, 即可满足试样砖两受压面达到平行、平整和与侧面相互垂直的标准要求, 保证了试样砖承压时为整体面接触承压而不是点接触局部承压, 从而反映试样砖真实的强度值。两面坐浆找平后的试样砖第二天即可进行试压, 不必等待水泥净浆养护4 d后才可进行试压, 故与以上“水泥净浆直接坐浆找平法”相比, 不仅大大节约坐浆用的水泥用量、且易操作而省时又准确。以下表3为用活动单向夹板“水泥净浆一次坐浆找平法”及在平整的陶瓷板上用“水泥砂浆两次坐浆找平法”对非烧结砖强度影响的比对汇总表。
从表上比对数据可以看到用水泥砂浆在找平的平整的陶瓷板上坐浆找平的措施, 使混凝土实心砖的强度提升56.5%~78.5%, 而多孔砖的强度提升的幅度更大, 为79.7%~97.7%。
4 碳化系数与软化系数取值的探讨
碳化系数与软化系数取值均源于20世纪50~60年代研究石灰-石膏-粉煤灰-炉渣等无熟料水泥的硅酸盐制品及加气、泡沫轻质混凝土硅酸盐制品的耐久性而确定的0.80为基础, 其依据为因其制品在二氧化碳的气氛中人工碳化一个月, 制品内部具有强度的少量碱性水化产物由表皮至内部核心全被破坏而碳化完, 它也相当于制品在室外露天放置而受自然环境条件下碳化5年的水平, 经实验统计碳化后的强度维持率的红线定为80%以上, 才能保证工程质量的安全这是完全正确的。而如今的“非烧结砖”等水泥制品均使用高碱度而耐碳化又相对耐水的普通硅酸盐水泥来代替不耐碳化和不耐水的石灰-石膏-粉煤灰-炉渣等无熟料水泥进行生产, 它具有本质的不同。用硅酸盐水泥熟料建造的野外桥梁涵洞及其它建筑物等工程寿命均定在百年以上, 通过对水泥混凝土实心砖人工碳化1~3个月的实践, 检测其碳化程度发现只伤其表皮根本无动于衷, GB/T 21144-2007混凝土实心砖标准勉强规定把已碳化28 d但仍未碳化完的5个试件与5个没有碳化的比对试件同时按规定方法进行抗压强度测试比对之, 此时的抗压强度不仅不会下降反而会有所升高, 所以碳化系数定为0.80就毫无意义。当然在混凝土砖的生产之中, 为提高产品外观质量, 也还有可能掺入有少量的粉煤灰, 但对其碳化系数不会有太大的影响, 把它提高到0.85~0.90也不会有太过分的感觉, 或者建议取消此项目的测定。
5 含水率和相对含水率测定的探讨
由于水泥混凝土非烧结砖与粘土烧结砖两种产品的生产工艺不同, 决定了其自然含水率及孔结构完全不同, 粘土烧结砖经900℃~1 000℃高温烧结后可以完全不含水, 且砖内毛细孔径大而多, 在产品堆场上即使吸收空气中的露水或偶尔淋点雨水, 几天后可以通过自身大的毛细孔而蒸发掉大部分, 故无论含水率或相对含水率均很小, 而水泥混凝土砖则不同, 它是用水泥加砂、石和水拌合成型而凝固成的产品, 其中只有水泥用量的15%~20%的水参与了水泥的化学反应而形成水泥凝胶, 而加入的大部分水则留在结构的毛细孔隙中, 由于水泥凝胶及砂石间的毛细孔径远比粘土烧结砖小, 毛细管表面张力的作用而使深入到砖内层毛细孔径内的水分在常温下不易蒸发出去, 当水泥混凝土非烧结砖产品堆场被雨水淋湿或人工浇水养护时抽样检测含水率和相对含水率必然较大, 何况GBB/T 4111标准的检测方法中没有规定如何适应三种年平均湿度>75%、50%~75%、<50%地区的不同, 而制定出不同的测定条件, 故相对含水率的测定流于形式无法测准, 以下为一组水泥混凝土砖抽样后, 放在室内自然湿度为72%~88%的环境下7 d~12d, 使之砖重达到恒重后的风干砖重再饱水及烘干, 测定其含水率和相对含水率为例如下表4所列。
从表中所列80℃~100℃下烘干使混凝土砖内的毛细孔隙中装满的水全部排空所占混凝土砖干砖重量的百分比称为干态吸水率, 分别为11.35%和12.87%, 接近粘土烧结砖的吸水率, 但如用风干的砖重计算干态含水率则分别为8.16%和9.64%, 那么其相对含水率则分别为71.9%和74.9%, 永远达不到GB/T 21144-2007混凝土实心砖标准中所规定的湿度>75%地区相对含水率应小于40%的标准要求, 若用抽样时的干态含水率9.82%和11.32%计算其相对含水率为86.5%和88.0%, 都将被判定为不合格产品, 显然是极为不合理的, 何况质检中心也从不检测相对含水率, 说明了标准中相对含水率测定项目是多余的应予取消为好。
烧结性能 篇8
常压烧结碳化硅是新一代的高科技陶瓷,拥有许多优异的材料特性,包括高硬度、高强度、高刚性、质量轻及具有半导体特性,碳化硅制品的用途几乎涵盖每一个行业,如具有高耐磨性及高耐蚀性碳化硅轴封已广泛用于机械工业、化工工业、造纸、炼油工业,又由于质量轻及硬度高,该产品已广泛用于军事的防护应用。Si C优良的高温性能和应用潜力早已引起人们的重视,但强共价键特性使之很难在常压下烧结致密,无法满足工业化生产的需求。常压烧结技术也就成为其在应用推广上的关键环节。
70年代中期,Prochazka首先以少量的B、C为烧结助剂,在无任何外部压力的条件下烧结成功,使Si C陶瓷的常压烧结成为可能[1]。
尽管对常压烧结碳化硅陶瓷的烧结性能、力学性能进行了较多的研究[2,3],但对其电性能的研究较少。本文对常压烧结碳化硅陶瓷的制备和电性能进行了研究,为碳化硅陶瓷的使用提供理论基础。
1 试验
常压烧结碳化硅陶瓷的制备过程主要包括:
(1)将10μm的Si C颗粒粉磨加工成1.0μm;
(2)对原料进行化学提纯,主要是去除Si和SiO2;
(3)料浆制备:同时加入添加剂;
(4)喷雾干燥制粒,粒度在60~80目之间;
(5)成型:采用冷压成型;
(6)修坯、干燥;
(7)烧成:在Ar气保护下于2000℃以上进行高温烧结。
将SiC烧结试样加工成3mm×4mm×18mm,表面进行打磨和抛光。用Archimedes原理测得样品密度和气孔率;采用Quanta-200型扫描电子显微镜(scanning electric microscope,SEM)观察试样表面和断口形貌;烧结样品的相组成用PW1700型X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)仪来分析。
烧结试样的电阻率采用四端引线法测定。用银浆将两根银线固定在试样两端,作为电流线与Keithley2400恒流源连接,并提供电流(I)为10m A。另两根银线与Keithley2182纳伏表连接,用于测定试样表面的电压降(ΔV)。将试样置于管式炉内,在氮气保护下测定
试样从室温(25±1℃)到600℃的电阻,升温速度为5℃/min。并用公式
计算试样的电阻率。式中R为实测电阻(ΔV/I),A为试样的截面积,L是两电压线之间的距离,ρ为试样的电阻率。
材料的电阻率随温度的变化规律通常用电阻率温度系数(temperature coefficient of resistivity,TCR)来表征,在本研究的实验条件下,TCR可用下式进行计算,
式中TCR为电阻率温度系数,ρ25和ρT则分别代表试样在25℃和温度T时的电阻率。
2 结果与讨论
用排水法测得体积密度为3.12g/cm3;用数显维氏硬度计测得硬度为23GPa。图1是烧结试样的XRD分析谱线,从中可以看出,烧结试样的主晶相是α-Si C,在XRD的分辨率下,未发现有新晶相生成。这是因为原材料经过了较彻底的化学提纯,且烧结助剂的用量不超过0.8wt%,烧结介质为Ar气保护,因此烧结试样近似为纯Si C烧结体。
图2是SiC烧结试样断口的SEM照片,从中可以看出,SiC颗粒已形成致密的烧结体。
SiC烧结体电阻率随温度的变化如图3所示。从曲线可以看出电阻率随温度的变化从室温增至600℃是单调下降的。这是杂质的电离率随温度升高而增大和迁移率随温度的升高而减小共同决定的。由于SiC杂质能级较深,室温下杂质不完全电离,随着温度的升高,SiC的电离率升高,导致体内载流子浓度增大,从而在一方面使得电导率增大。另一方面,SiC的迁移率随温度升高而降低,使得电导率降低。这与一般的半导体材料在一定的温度范围内其杂质能级上的电子受热激活,以及进入高温区其本征载流子激发,电导率增加的趋势是吻合的[4]。从中可以看出,SiC烧结体室温下的电阻率为0.165Ωm,室温到225℃范围内几乎没有变化,225~325℃范围内电阻率轻微的线性下降,而在325~600℃范围内电阻率急剧下降,在600℃时,试样的电阻率大约为0.042Ωm。图中还可以看出明显的两个线性区,这两个线性区的转折点在300℃左右。从理论上讲,两段线性区对应着两种不同的机制,一般来说,在较低温度激发的是一些较浅的能级,而较高温度激发的是较深的能级,更高温度会导致本征激发。从中可以看出,低于300℃左右属于杂质导电;300~600℃范围内属于本征导电,并具有较大的负温度系数。
对SiC烧结体电阻率随温度的变化规律的分析结果表明,SiC确实在一定温度范围内表现出了较大负电阻率温度系数的导电特征,这一现象与文献[5,6]报道的相符。而且,最为关键的是我们知道了SiC表现为较大负电阻率温度系数的导电特征的具体温度范围,这对研究和开发SiC功能材料提供了理论依据。
3 结论
(1)采用常压烧结法可以制得体积密度为的3.12g/cm3SiC陶瓷。
(2)常压烧结SiC陶瓷在室温下的电阻率大约为0.165Ωm;在300~600℃温度范围内表现出明显的负电阻率温度系数。
摘要：采用常压烧结法制备碳化硅陶瓷,对其显微结构和导电性能进行了分析。研究发现,常压法可获得致密的碳化硅烧结体,具有较低的电阻率,在300～600℃温度范围内表现出明显的负电阻率温度系数。
关键词：常压烧结,碳化硅陶瓷,导电性
参考文献
[1]龚亦农,徐洁,丘泰.常压烧结SiC陶瓷的研究.江苏陶瓷,2001,34(1):12-15
[2]凌兴珠,徐振民.SiC陶瓷常压烧结研究.湖南冶金,1998,4:4-6
[3]李文新,李文辉.常压烧结碳化硅陶瓷的力学性能与质量密度.哈尔滨理工大学学报,2002,7(2):80-82
[4]徐彦忠,丘睦钦等.多孔SiC陶瓷烧结体的导电特性.功能材料,1996,27(2):123-125
[5]Siergiej RR,Clarke RC,Sriram S,Agarwal AK.Advances in SiC materials and devices:an industrial point of view,Mater.Sci.Eng.B,1999,61-62:9-17