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DVS仪器在建筑材料领域中的应用

现在所见的许多种类的建筑材料,其类别包括随处可见的水泥和混凝土一直到基于天然材料的复合物形成新型材料。先进的水蒸气吸附方法能够提高对这些材料吸附行为的理解,从而为预测其实际使用性能提供帮助。


1 水泥


动态水吸附(DVS)提供了在相对湿度变化时水泥和混泥土发生反应的基本信息,还能够提供变化对性能所造成哪些影响,如耐久性、寿命、对添加物的反应。DVS提供的信息能帮助提升水泥与混凝土上述及其他方面的性能。


2 预水化


所谓的预水化是水泥暴露在湿气下吸水的过程。水泥的预水化是制造商和使用者所密切关注的现象。它会导致一些不利的后果,如增加固化时间、降低压缩强度、改变流变性能和对高效增塑添加剂反应降低。预水化涉及与气态水分子界面作用和颗粒间的毛细管凝聚。


在室温条件下,预水化发生在环境湿度超过了水吸附开始发生的阈值(起始点)。这说明如果在此关键的相对湿度值下存储水泥灰可以阻止预水化并延长器寿命。


DVS设备特别适合测试水泥的水吸附行为。其中吸附平衡是以预水化开始发生的相对湿度水平和吸水速率为基础而建立起来的。


3 储存


就影响水泥的储存时间或寿命的因此而言,吸水量是需要着重考虑的。吸水量受到一些参数的影响,如温度、放置时间、相对湿度和材料的特殊性质。水泥在运送给客户时就已发生预水化也会影响其性能 。预水化与水泥制造和储存过程相关,能够显著的改变水泥的性质。在DVS的帮助下,可在不同的湿度和温度下模拟真实情况,计算出水泥的使用寿命。


4 孔尺寸


孔尺寸与混凝土的寿命和耐久性有直接关系。颗粒大小影响混凝土的吸水量,也影响毛细管凝聚所能利用的孔的比表面积。在多孔的水泥中,水蒸气分子的传输受凝结和汽化影响,而凝结和汽化又是发生在孔表面及其内空气之间的水分子交换过程。


孔径分布与水泥的通透性有关,大孔的存在会导致更大的通透性。孔径分布的精确表征有助于更为先进和持久的混凝土的发展。采用SMS公司提供的分析软件,可用从水吸附和脱附过程得到数据表征孔径分布。


5 扩散


水蒸气的扩散取决于孔隙率、混凝土中孔的几何形状、孔中液体水的含量。对于长期使用的混凝土必须能够抵抗因诸多因素所致的破坏,如其中的冰冻-解冻循环、风化和硫酸盐侵蚀。这些因素作用的机理或多或少受控于混凝土抗水汽侵入性能。采用DVS能够得到水蒸气进入水泥和混凝土材料的扩散常数。


6 吸附/脱附等温线


由吸附和脱附等温线可得到水泥和混凝土的重要信息,水蒸气吸附等温线常用于孔径分布和比表面积的计算,除此之外,也可以从等温线中的迟滞效应获得很有用的信息。例如,对迟滞的解释可认为是相互连通的小孔的存在限制了内部中大孔获得外部水蒸气分子的能力。采用DVS仪器,测试为精确的全自动的过程、仅需数日即可获得吸附和脱附等温线,将不再是数周或数月的易出错且费力的劳作。


7 复合材料


当经受环境的冲击时,如相对湿度的波动,水分子就会扩散到复合物的基质中。这将对基材-增强材料之间的连接造成不利影响。通常对复合材料而言,长期暴露在潮湿环境中会造成因高分子基质水解或形成微裂纹所致的不可逆破坏,高温能加剧此过程。同时,水汽扩散到基质中会致使玻璃化转变温度降低并软化基质,导致强度的下降。因此,水含量和在复合材料上的影响对结构设计者是非常重要的。DVS设备可用于获得不同温度下的复合物中水吸附数据。这有助于此类材料的表征并预测其在使用中的性能。


在木-塑复合物中,由于其中存在的木材的膨胀,水汽的吸附直接影响复合物的尺寸和耐久性。同时也增加了真菌或其他微生物的侵蚀的可能性。水的吸附量取决于木材、高分子的量及在复合物制造前的木材的处理工艺。


8 木材


木材是一种吸水性材料,这是因为其细胞壁上含有大量的吸水位点,位点主要由极性的羟基基团构成。当木材作为建筑材料时其大部分性能,如尺寸不稳定性、耐久性和真菌侵蚀,与木材的水吸附行为密切相关。水吸附行为由于受到木材的主要成分的影响而变的复杂,其内的细胞和纤维素构成了错综复杂的内部细胞壁构象,吸水使其结构发生持续的改变,导致了细胞壁尺寸的变化。


9 修复材料


在修复材料中,新旧材料的兼容性是关注的重点。因此探究陈旧结构中所用建筑材料的水汽侵入性能是非常重要的。建筑的外层结构的水汽渗入能对材料的热行为、室内空气质量和空调负载有重大影响。当增加/降低相对湿度时用作兼容的材料具有相近的保湿、抗湿性能,及相似的热膨胀率,则材料的复合就会有良好的抗水合和润湿性能。DVS仪器能用于测试这些水蒸气吸附性能。


10 与其他仪器的联用


DVS设备可与其他仪器如拉曼、XRD等联用测试在相对湿度变化时样品的性能变化。


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