EPS混凝土的體積變化和抗干濕循環(huán)能力分析

  摘要： 通過(guò)分別摻加20%、40%、50%粉煤灰和摻加0.5%聚丙烯纖維短纖維配制EPS混凝土，分析粉煤灰、聚丙烯纖維對(duì)EPS混凝土的力學(xué)性能、體積變化和抗干濕循環(huán)能力的影響，并測(cè)試了EPS混凝土的耐火性能和抗凍融性。實(shí)驗(yàn)研究表明，EPS混凝土具有大的應(yīng)變能，適量的粉煤灰和聚丙烯纖維能夠減小EPS混凝土的干燥體積收縮，在干濕循環(huán)條件下聚丙烯纖維可明顯提高EPS混凝土的體積穩(wěn)定性，降低凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失，EPS混凝土為非燃燒體。

  關(guān)鍵詞： EPS混凝土；粉煤灰；纖維；干濕循環(huán)；抗壓強(qiáng)度；干燥收縮值

  0前言

  EPS是由粒狀聚苯乙烯顆粒發(fā)泡制成的，聚苯乙烯顆粒中主要含有聚苯乙烯、可溶性戊烷（膨脹成分）和防火劑。EPS在成型過(guò)程中聚苯乙烯顆粒中的戊烷受熱汽化，在顆粒中膨脹形成許多封閉的空腔，這種均勻的封閉空腔結(jié)構(gòu)決定了EPS具有許多其它泡沫材料所沒(méi)有的特性，從而對(duì)EPS混凝土工作性能產(chǎn)生顯著影響。EPS混凝土作為一種新型的建筑材料，有利于利廢環(huán)保，在建筑節(jié)能、高層建筑圍護(hù)構(gòu)件輕質(zhì)化方面也有著顯著的優(yōu)越性^[1]，利用廢棄EPS顆粒和水泥漿制備的EPS輕骨料混凝土是一種性能良好的保溫隔熱材料，可用于外墻外保溫和屋面保溫等^[2－3]。然而，由于EPS顆粒與硅酸鹽膠凝材料的表面性質(zhì)相異，改善EPS顆粒的粘結(jié)強(qiáng)度是關(guān)鍵，同時(shí)由于EPS顆粒的彈性模量不大，不能有效抵抗膠凝材料的體積收縮，這樣EPS混凝土的體積穩(wěn)定性是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。同時(shí)作為屋面材料和外墻材料時(shí)濕度變化很大，干濕循環(huán)條件下體積穩(wěn)定性更加重要。陳兵等^[4－5]利用氯丁膠乳和硅灰對(duì)EPS混凝土進(jìn)行改性，取得了較好的效果，但是由于硅灰的成本較高，膠乳的施工工藝復(fù)雜，使之應(yīng)用受到限制。本文采用粉煤灰、膠粉和有機(jī)纖維等對(duì)EPS混凝土進(jìn)行改性，以改善EPS顆粒與水泥顆粒的界面性能，并測(cè)試干濕交替條件下的EPS混凝土的體積穩(wěn)定性。

  1實(shí)驗(yàn)

  1.1原材料

  水泥：國(guó)道牌P·O42.5（旋窯）水泥；粉煤灰：廈門(mén)海滄電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰；EPS顆粒：由廢棄聚苯乙烯泡沫經(jīng)專用破碎機(jī)破碎而成，外觀為不規(guī)則多面體，堆積密度15kg/m3，粒徑2～5mm；膠粉：國(guó)民淀粉6203；外加劑：聚羧酸高效減水劑，福建科之杰公司生產(chǎn)；纖維：聚丙烯纖維，直徑48μm，楊氏模量3793MPa，長(zhǎng)度6mm；細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)3.1；水：自來(lái)水。

  1.2實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

  抗壓強(qiáng)度參照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸100mm×100mm×100mm；干縮變形采用手持式收縮測(cè)定儀，參照GBJ82—85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，測(cè)量精度0.001mm；抗干濕循環(huán)能力采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的LSY-18B型干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，實(shí)驗(yàn)制度是浸泡12h，室溫風(fēng)干12h，每12h測(cè)1次長(zhǎng)度變形；抗凍融性采用北京誠(chéng)信海岸科技有限公司生產(chǎn)的凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，溫度制度為-17～10℃，1個(gè)自動(dòng)凍融循環(huán)的時(shí)間約為6h；耐火性能根據(jù)GB/T9978—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

  EPS混凝土的配合比設(shè)計(jì)采用體積法，主要考慮利用EPS顆粒作為混凝土的骨料，水泥等膠凝材料包裹其表面，同時(shí)為了改善EPS表面與水泥的粘結(jié)力，摻加一定的膠粉和纖維，根據(jù)工程的實(shí)際需要設(shè)計(jì)EPS混凝土的表觀密度在600～650kg/m3，EPS混凝土的配合比如表1所示。

  首先將EPS顆粒與50%的水和膠粉進(jìn)行攪拌1min，隨后加入水泥、砂、粉煤灰等再攪拌1min，最后將剩余的水和高效減水劑一起加入，直到攪拌均勻。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)整個(gè)攪拌時(shí)間為3min左右，可以保證EPS混凝土的均勻性，成型時(shí)人工振搗壓實(shí)成型，24h后脫模，然后養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)的齡期進(jìn)行測(cè)試。

  2 測(cè)試結(jié)果與分析

  2.1 EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度（見(jiàn)圖1）

  從圖1可以看出，所有EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增加而增大；在14d之前，抗壓強(qiáng)度增加的幅度較大，之后強(qiáng)度增加趨于緩慢，這主要由于EPS混凝土中EPS的體積達(dá)到80%左右，其抗壓強(qiáng)度主要取決于顆粒與水泥等膠凝材料的粘結(jié)強(qiáng)度和膠凝材料的用量；隨著粉煤灰摻量的增加，3d時(shí)，EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯下降；28d時(shí)，摻加40%粉煤灰的EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，粉煤灰的密度比硅酸鹽水泥低，因此，隨著粉煤灰摻量的增加，一方面相同的質(zhì)量條件下，EPS混凝土中漿體含量明顯增加，EPS顆粒表面的包裹能力會(huì)增強(qiáng)，另一方面由于粉煤灰摻量的增加，相同齡期時(shí)漿體的強(qiáng)度會(huì)下降，在上述2個(gè)方面的作用下，EPS混凝土存在一個(gè)較合適的粉煤灰摻量，此時(shí)其抗壓強(qiáng)度最高。EC5中摻加0.5%的聚丙烯纖維，對(duì)其抗壓強(qiáng)幾乎沒(méi)有明顯的影響。

  EPS混凝土的荷載－位移曲線見(jiàn)圖2。

  從圖2可以看出，EPS混凝土在荷載作用下的變形能力比較強(qiáng)，和普通混凝土相比具有明顯的下降階段；達(dá)到最大強(qiáng)度以后，在下降段會(huì)出現(xiàn)次峰值，這是由于EPS混凝土的破壞是延性破壞，EPS混凝土整體承擔(dān)外界荷載，當(dāng)外界荷載達(dá)到一定值時(shí)，EPS顆粒間的粘結(jié)層破環(huán)，荷載迅速下降，EPS顆粒本身承擔(dān)外界荷載，由于其彈性特點(diǎn)，又多次出現(xiàn)峰值?？梢杂煤奢d和位移曲線面積———應(yīng)變能來(lái)表征ESP混凝土的韌性（見(jiàn)表2），由表2可知，粉煤灰摻量為50%時(shí)，由于這時(shí)強(qiáng)度下降，使得其韌性也下降；摻加有機(jī)纖維能夠明顯增大EPS混凝土的韌性，摻加聚丙烯纖維的試件EC5的韌性明顯增大。

  2.2 EPS混凝土的干燥收縮變形（見(jiàn)圖3）

  由圖3可知，摻加20%粉煤灰EPS混凝土的干燥收縮值 前期與沒(méi)有摻加粉煤灰的EPS混凝土基本相近，28d時(shí)干燥收縮值有一定的下降；當(dāng)粉煤灰摻量增加到40％、50％時(shí)，3d和28d的干燥收縮值都有明顯下降，且隨粉煤灰摻量的增加，干燥收縮值下降越大。由于粉煤灰的水化能力明顯弱于普通硅酸鹽水泥，雖然EPS骨料限制干燥收縮的能力較弱，但是由于摻加足夠量的粉煤灰，使得膠凝材料本身的干燥收縮能力明顯下降，所以，摻加適量粉煤灰可以使EPS混凝土的干燥收縮值明顯下降。摻加聚丙烯纖維主要起約束限制作用，聚丙烯纖維的彈性模量較低，EPS混凝土的彈性模量也比較低，因此，可以利用聚丙烯纖維限制EPS混凝土的干燥收縮。EPS混凝土在干濕循環(huán)作用下的變形見(jiàn)圖4。

  從圖4可以看出，EPS顆粒自身不吸水，在干濕交替作用下可以認(rèn)為其尺寸幾乎不會(huì)改變，EPS混凝土界面層的微觀結(jié)構(gòu)起主要影響作用，摻加50%粉煤灰時(shí)，EPS混凝土界面層中的水化產(chǎn)物量相對(duì)下降，28d時(shí)大孔和毛細(xì)孔量會(huì)相應(yīng)的增加，自由水易于浸入和流出，引起濕脹作用明顯，這與毛細(xì)管作用力下降、收縮力減小2個(gè)趨勢(shì)共同作用，綜合表現(xiàn)出其變形量與沒(méi)有摻加粉煤灰的EPS混凝土相接近。摻加0.5%聚丙烯纖維的EC5，由于短纖維亂向分布，其約束作用降低EC5在干濕循環(huán)條件下的體積變化，使其體積相對(duì)穩(wěn)定，EPS混凝土作為屋面保溫隔熱層時(shí)防止變形是十分重要的措施。

  2.3 EPS混凝土的抗凍融和耐火性能

      50次凍融循環(huán)后EPS混凝土的質(zhì)量損失如圖5所示。

  EPS混凝土的抗凍性受界面孔隙中水結(jié)冰膨脹力的大小控制，EPS顆粒本身有一定的彈性，可以緩解一定的膨脹力。 從圖5可以看出，加入粉煤灰使EPS混凝土的質(zhì)量損失明顯增加，28d時(shí)粉煤灰的水化能力還比較弱，EPS界面層中平均孔徑比沒(méi)有摻加粉煤灰的EPS混凝土大，而混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)于孔徑大小在一定程度上不如抗凍性敏感，在冰脹力的作用下，EPS混凝土的抗凍能力會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加而明顯下降；加入0.5%的聚丙烯纖維可以明顯降低EPS混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失，主要是纖維約束力的作用。構(gòu)件厚度為100mm時(shí)，EPS混凝土的耐火性見(jiàn)表3。由表3可知，EPS混凝土為非燃燒體，耐火時(shí)間大于2h。

  3結(jié)論

  （1）3d時(shí)，EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而明顯下降；28d時(shí)，粉煤灰摻量小于40%的EPS混凝土抗壓強(qiáng)度下降不明顯。

  （2）EPS混凝土的干燥收縮值隨著粉煤灰摻量的增加而明顯下降，EPS混凝土50次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率隨著粉煤灰摻量的增加而明顯增加。

  （3）摻加0.5%聚丙烯纖維對(duì)EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯的影響，但能夠明顯降低干燥收縮值、凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率和干濕循環(huán)變形值。

  （4）EPS混凝土為非燃燒體，耐火時(shí)間大于2h。

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