中图分类号：TU502 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-184-02
　　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。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：（1）有较高的强度，甚至可以防弹；（2）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实验，制成了一种强度高、韧性好、养护时间短、成本低廉等特点的新材料。该材料可用于低温建筑领域，符合可持续发展的要求。
　　1 实验部分
　　1.1 主要试剂和仪器
　　聚丙烯酰胺（PAM），天津福晨化学试剂厂；羧甲基纤维素钠（CMC），天津致远化学试剂厂；明胶，天津博迪化工公司；琼脂，上海国药集团。试剂均为分析纯。万能材料试验仪；低温冷冻室；磁力加热搅拌器。
　　1.2 试件制作方法
　　称取计算量的材料于容器中；加水搅拌至充分接触；转移至标准模具中；-20℃下低温冷冻约48h。
　　1.3 材料力学强度测试
　　按GB/T 50107-2010、GB/T 50081-2002等规定测定材料的抗压强度（fcu）、抗折强度（ff）和压折比（ cu/f）。数据显示，派克瑞特的抗压强度为12.25MPa，抗折强度为5.06MPa，压折比为2.43；冰冻报纸的抗压强度为21.70MPa，抗折强度为8.04MPa，压折比为2.71。材料的抗折强度均高于对照组C30混凝土（fcu=30MPa；ff=4.50； cu/f=6.67），纤维更长的报纸强度大幅增加，是一种理想的低温建筑材料。通过观察断裂面，可初步得出结论：纤维重叠使材料力学强度大大增强。然而，纤维间的羟基以氢键结合，这种结合不仅键能低，且易被水分子破坏。因此我们向材料中加入凝胶，增强纸纤维结合力，完善这种复合材料。
　　1.4 凝胶改良方案
　　在60～80℃下配制四种凝胶溶液，冷却至室温。将计算量的凝胶与报纸充分混合，-20℃下凝结塑形，测试强度。
　　表1显示，CMC使材料抗压和抗折强度分别增加了75%和65%，位列第一。实验发现，明胶能与CMC形成良好的聚合物。我们制取了明胶和CMC的混合凝胶，引入少量PAM（2%～5%），使CMC更好溶解。实验绘制了图1并推导了CMC占凝胶质量比（x∈[0，0.6]）对材料力学强度影响的拟合公式。
　　通过研究拟合公式，我们在强度最优值附近的区间范围内反复实验，得出最佳配比为明胶（50%～60%）：CMC （38%～45%）：PAM （2%～5%）。
　　1.5 循环冻融实验
　　根据文献[1]描述，混凝土在-40℃～0℃低温循环冻融10次后，其抗压强度下降11.8%；抗折强度下降41.2%。本课题也对此进行测试。该实验环境下派克瑞特的抗压强度下降3.1%，抗折强度下降5.7%；而冰冻报纸的抗压强度下降2.4%，抗折强度下降2.9%。复合材料在测试中强度变化不大，符合可持续发展的要求。
　　2 分析与结论
　　（1）首次测出了复合材料的力学数据。
　　（2）研究发现：纤维重叠可以显著增强材料强度，纤维间结合力影响了材料性能。CMC在水中电离后产生的羧基与纤维上的羟基发生化学水合作用增强了纤维间的结合力；而明胶能与纤维以离子键或共价键结合，使材料的力学强度得以提高。
　　（3）新型低温建筑材料的最佳配比区间范围是：明胶：（50%～60%）：CMC （38%～45%）：PAM （2%～5%）。抗压强度平均值可达34.00～36.00MPa，已基本可以满足一般的低温建筑的需求。
　　（4）材料拥有强度高、韧性好、养护时间短、成本低廉、材料无污染等特点，该材料耐冻融循环的性能对低温环境下工程设计有积极的作用，符合可持续发展的要求。
　　（研究项目：中国科协“中学生英才计划”资助项目）
　　参考文献：
　　[1] 谢剑，吴洪海.超低温冻融循环作用下的混凝土强度[J].土木建筑与环境工程，2012（S2）.
　　[2] 王元清，武延民，石永久，等.低温对结构钢材主要力学性能影响的试验研究[J].铁道科学与工程学报，2005（01）.
　　[3] 王元清，林云，张延年，等.高强度钢材Q460C低温力学性能试验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2011（04）.

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