40、建筑材料创新：环氧砂浆与纸蛋托改性水泥砖的研究

建筑材料创新：环氧砂浆与纸蛋托改性水泥砖的研究

1. 环氧砂浆研究

在建筑材料领域，环氧砂浆的研究一直是热点。研究发现，在初始反应完成后，砂浆中未硬化的环氧树脂会与氢氧根离子发生反应，填充试样内的孔隙，从而显著减少水流。

对于环氧砂浆而言，其最佳环氧含量十分关键。研究确定，能使抗压强度、抗弯强度和劈裂抗拉强度达到最大值的最佳环氧含量为 10%。在不同的养护方法中，干湿养护被证明是提高环氧砂浆效果的最有效和合适的方法，它能有效促进水泥水化和环氧聚合。此外，抗压、抗弯和抗拉强度之间的相关性表明，即使不使用硬化剂，在砂浆中使用环氧树脂也具有很大的潜力。这种创新方法不仅为砂浆组合物提供了一种无需硬化剂就能添加环氧树脂的可行性方案，还对提高混凝土结构的性能，特别是在热带气候条件下，具有很大的前景。

2. 纸蛋托改性水泥砖研究

2.1 研究背景

建筑行业是全球能源和资源的最大消费者之一，建筑施工会产生大量的二氧化碳排放。水泥作为建筑中的关键成分，其生产过程涉及复杂的化学反应，是排放的主要来源。因此，寻找可持续的解决方案，如使用天然可再生资源和工业废料，以减少建筑行业的环境影响，变得越来越重要。

纸蛋托作为一种可持续的解决方案，其制浆过程产生的纤维素纤维可用于改善水泥基材料的特性。使用天然纤维等农业材料可以提高砖的机械性能，例如香蕉纤维用于增强复合材料可以降低建筑成本并提高耐久性。研究还表明，增加复合材料中回收纤维的含量会降低导热系数和堆积密度值，在纤维含量达到 4% 时，抗弯强度会增加，但更高的纤维比例会导致纤维含量值逐渐降低。此外，使用纤维素纤维可以减少混凝土的抗压强度，但会显著提高抗弯强度和最大挠度，还能减少水的渗透深度和渗透率，提高混凝土的防水性。

2.2 研究方法

• 材料准备 ：制作水泥砖使用的材料包括直径小于 2mm 的砂（按 ASTM C778 分级）、通过氧化钙与水反应制成的干燥无色结晶粉末熟石灰、普通波特兰水泥（OPC，化学成分和一般抗压强度按 ASTM C180）以及从纸蛋托中获得的纤维素纤维。
• 纸浆制备 ：将蛋托切碎成小块，浸泡在水中 12 小时，然后搅拌成浆，过筛并挤压去除多余水分，最后在室温下干燥。
• 样品制备 ：将水泥、石灰和砂按重量分批，水泥 - 石灰 - 砂的混合设计比例固定为 1:1:3，水灰比为 0.6。用蛋托替代不同比例（20%、30% 和 40%）的水泥，以研究纸蛋托含量对砖性能的影响。混合物用抹子充分混合，在 200mm×100mm×60mm 的模具中成型，分三层填充，每层夯实 25 次。样品静置 24 小时后脱模，在室温下养护 7、14 和 28 天。
• 混合比例 ：具体的混合比例如下表所示：
  | 水泥（%） | 蛋托（%） | 石灰（%） | 砂（%） | 水灰比 |
  | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | 100 | 0 | 100 | 300 | 0.6 |
  | 80 | 20 | 100 | 300 | 0.6 |
  | 70 | 30 | 100 | 300 | 0.6 |
  | 60 | 40 | 100 | 300 | 0.6 |
• 样品测试 ：共制备 72 个试样进行吸水和抗压测试。每个试样根据其混合比例和制作日期进行标记。吸水测试按照 ASTM C67 - 17 进行，以确定砖吸收的水分百分比；抗压测试使用抗压试验机按照 ASTM C109/C109M - 16 进行，以确定砖的抗压强度。

2.3 研究结果

• 吸水速率 ：研究结果表明，蛋托的加入对水泥砖的吸水速率有显著影响。100% 水泥混合物在所有测试时间段内的吸水速率最低，表明其耐久性优于其他混合物。随着混合物中蛋托比例的增加，吸水速率也随之增加。60% 水泥和 40% 蛋托的混合物在所有时间段内的吸水速率最高，其次是 70% 水泥和 30% 蛋托的混合物。不同混合物的吸水速率变化情况如下表所示：
  | 混合物 | 7 天（%） | 14 天（%） | 28 天（%） |
  | ---- | ---- | ---- | ---- |
  | 100% 水泥 | 10.93 | 11.34 | 11.25 |
  | 80% 水泥/20% 纸托 | 13.14 | 16.65 | 15.02 |
  | 70% 水泥/30% 纸托 | 14.81 | 18.86 | 18.98 |
  | 60% 水泥/40% 纸托 | 20.77 | 21.89 | 22.27 |

根据砖的吸水测试分类标准：
| 砖的等级 | 最大吸水率（%） |
| ---- | ---- |
| 一等 | 20 |
| 二等 | 22 |
| 三等 | 25 |
| 重型机制砖 | 5 |

改性砖较高的吸水速率可归因于蛋托中有机材料的存在，这些材料会在砖中形成孔隙，使水更容易渗透，并且有机材料如纤维素和木质素可以吸收和保留水分。这表明，虽然将蛋托加入水泥 - 石灰砖有减少废物和成本的潜在好处，但也会导致所得砖的防水性降低。

• 抗压强度 ：研究发现，在水泥 - 石灰砖中加入蛋托对所得砖的性能有显著影响。数据显示，70% 水泥和 30% 蛋托的混合物始终显示出最高的抗压强度，而 100% 水泥混合物的抗压强度始终最低。这表明，含有纤维素纤维的蛋托通过为水泥基体提供额外的增强作用，有助于提高混凝土的整体强度。然而，随着时间的推移，含有蛋托的混合物的抗压强度会下降，可能是因为蛋托纤维吸收水分导致收缩，或者在砖的结构中成为薄弱点。

不同混合物在不同时间点的抗压强度如下表所示：
| 时间（天） | 100% 水泥（N/mm²） | 80% 水泥/20% 蛋托（N/mm²） | 70% 水泥/30% 蛋托（N/mm²） | 60% 水泥/40% 蛋托（N/mm²） |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 7 | 0.635 | 2.102 | 2.552 | 2.288 |
| 14 | 0.875 | 1.904 | 2.514 | 2.219 |
| 28 | 0.98 | 1.754 | 2.299 | 2.17 |

除 100% 水泥混合物砖外，所有砖样品的抗压强度值都在 1.5 - 2.5 N/mm² 范围内，这是晒干砖的典型范围。这表明，使用天然纤维改性砖混合物的制造工艺在生产与传统晒干砖强度相当的砖方面是有效的。但需要注意的是，100% 水泥混合物砖的抗压强度值低于 1.5 N/mm²，这表明该混合物可能不适用于需要更高强度和耐久性的建筑项目。

综上所述，环氧砂浆和纸蛋托改性水泥砖的研究为建筑材料的可持续发展提供了新的思路和方法。环氧砂浆的研究为其在不同环境下的应用提供了理论支持，而纸蛋托改性水泥砖的研究则为废物利用和建筑材料性能提升提供了可行的方案。未来，还需要进一步深入研究，以优化这些材料的性能，使其更好地应用于建筑行业。

下面是纸蛋托改性水泥砖研究的流程图：

graph LR
    A[材料准备] --> B[纸浆制备]
    B --> C[样品制备]
    C --> D[混合比例确定]
    D --> E[样品测试]
    E --> F[结果分析]

通过以上研究，我们可以看到建筑材料领域不断创新的趋势，这些创新不仅有助于减少环境影响，还能提高建筑材料的性能，为建筑行业的可持续发展做出贡献。在实际应用中，我们可以根据具体的需求和环境条件，选择合适的材料和方法，以实现最佳的建筑效果。

建筑材料创新：环氧砂浆与纸蛋托改性水泥砖的研究

3. 综合分析与应用建议

3.1 环氧砂浆与纸蛋托改性水泥砖的对比

材料类型	优点	缺点	适用场景
环氧砂浆	最佳环氧含量下强度性能好，干湿养护效果佳，可提高混凝土结构性能	需确定最佳环氧含量和合适养护方法	热带气候下的混凝土结构
纸蛋托改性水泥砖	可利用废物，降低成本，部分混合物抗压强度较好	防水性降低，含蛋托混合物抗压强度随时间下降	对防水性要求不高、强度要求适中的建筑

从对比中可以看出，环氧砂浆在强度和特定环境适应性上表现出色，而纸蛋托改性水泥砖则在废物利用和成本方面有优势，但在性能稳定性上存在一定问题。

3.2 应用建议

• 环氧砂浆 ：在热带气候地区或对混凝土结构性能要求较高的项目中，可优先考虑使用环氧砂浆。施工时严格控制环氧含量为 10%，并采用干湿养护方法，以充分发挥其性能优势。
• 纸蛋托改性水泥砖 ：对于一些临时建筑、非承重墙体或对防水性要求不高的建筑部位，可以使用纸蛋托改性水泥砖。在选择混合物比例时，70% 水泥和 30% 蛋托的混合物相对强度较高，但要注意随着时间推移强度可能下降的问题。

4. 未来研究方向展望

虽然环氧砂浆和纸蛋托改性水泥砖的研究已经取得了一定的成果，但仍有许多方面值得进一步探索。
- 环氧砂浆
- 研究不同类型环氧树脂对砂浆性能的影响，寻找更优质、更环保的环氧树脂材料。
- 探索环氧砂浆在极端环境下（如高温、高湿度、强腐蚀等）的长期性能变化，以扩大其应用范围。
- 开发新的养护方法或添加剂，进一步提高环氧砂浆的性能和稳定性。
- 纸蛋托改性水泥砖
- 研究如何降低纸蛋托改性水泥砖的吸水速率，提高其防水性能。例如，可以通过对纸蛋托进行预处理或添加防水剂等方法。
- 深入研究蛋托纤维在砖结构中的作用机制，优化混合物比例，提高砖的长期抗压强度和稳定性。
- 探索纸蛋托改性水泥砖在其他建筑领域的应用可能性，如道路基层、景观建筑等。

5. 总结

建筑材料的创新对于建筑行业的可持续发展至关重要。环氧砂浆的研究为我们提供了一种在特定环境下提高混凝土结构性能的有效方法，而纸蛋托改性水泥砖则为废物利用和建筑材料性能提升提供了新的途径。

通过对这两种材料的研究，我们发现它们各自具有独特的优点和缺点。在实际应用中，我们应根据具体的需求和环境条件，合理选择材料和方法，以实现最佳的建筑效果。同时，未来的研究应继续深入探索这两种材料的性能优化和应用拓展，为建筑行业的发展做出更大的贡献。

下面是建筑材料选择决策的流程图：

graph LR
    A[项目需求分析] --> B{防水性要求高?}
    B -- 是 --> C{强度要求高?}
    B -- 否 --> D{强度要求高?}
    C -- 是 --> E[环氧砂浆]
    C -- 否 --> F[普通水泥材料]
    D -- 是 --> G[70%水泥+30%蛋托砖]
    D -- 否 --> H[其他比例蛋托改性砖]

在建筑材料的创新道路上，我们需要不断探索和实践，充分发挥各种材料的优势，克服其不足，以推动建筑行业朝着更加环保、高效、可持续的方向发展。无论是环氧砂浆还是纸蛋托改性水泥砖，都只是建筑材料创新的一部分，未来还有更多的可能性等待我们去挖掘。