EPS混凝土的体积变化和抗干湿循环能力分析

  摘要： 通过分别掺加20%、40%、50%粉煤灰和掺加0.5%聚丙烯纤维短纤维配制EPS混凝土，分析粉煤灰、聚丙烯纤维对EPS混凝土的力学性能、体积变化和抗干湿循环能力的影响，并测试了EPS混凝土的耐火性能和抗冻融性。实验研究表明，EPS混凝土具有大的应变能，适量的粉煤灰和聚丙烯纤维能够减小EPS混凝土的干燥体积收缩，在干湿循环条件下聚丙烯纤维可明显提高EPS混凝土的体积稳定性，降低冻融循环后的质量损失，EPS混凝土为非燃烧体。

  关键词： EPS混凝土；粉煤灰；纤维；干湿循环；抗压强度；干燥收缩值

  0前言

  EPS是由粒状聚苯乙烯颗粒发泡制成的，聚苯乙烯颗粒中主要含有聚苯乙烯、可溶性戊烷（膨胀成分）和防火剂。EPS在成型过程中聚苯乙烯颗粒中的戊烷受热汽化，在颗粒中膨胀形成许多封闭的空腔，这种均匀的封闭空腔结构决定了EPS具有许多其它泡沫材料所没有的特性，从而对EPS混凝土工作性能产生显著影响。EPS混凝土作为一种新型的建筑材料，有利于利废环保，在建筑节能、高层建筑围护构件轻质化方面也有着显著的优越性^[1]，利用废弃EPS颗粒和水泥浆制备的EPS轻骨料混凝土是一种性能良好的保温隔热材料，可用于外墙外保温和屋面保温等^[2－3]。然而，由于EPS颗粒与硅酸盐胶凝材料的表面性质相异，改善EPS颗粒的粘结强度是关键，同时由于EPS颗粒的弹性模量不大，不能有效抵抗胶凝材料的体积收缩，这样EPS混凝土的体积稳定性是一个十分重要的问题。同时作为屋面材料和外墙材料时湿度变化很大，干湿循环条件下体积稳定性更加重要。陈兵等^[4－5]利用氯丁胶乳和硅灰对EPS混凝土进行改性，取得了较好的效果，但是由于硅灰的成本较高，胶乳的施工工艺复杂，使之应用受到限制。本文采用粉煤灰、胶粉和有机纤维等对EPS混凝土进行改性，以改善EPS颗粒与水泥颗粒的界面性能，并测试干湿交替条件下的EPS混凝土的体积稳定性。

  1实验

  1.1原材料

  水泥：国道牌P·O42.5（旋窑）水泥；粉煤灰：厦门海沧电厂Ⅰ级粉煤灰；EPS颗粒：由废弃聚苯乙烯泡沫经专用破碎机破碎而成，外观为不规则多面体，堆积密度15kg/m3，粒径2～5mm；胶粉：国民淀粉6203；外加剂：聚羧酸高效减水剂，福建科之杰公司生产；纤维：聚丙烯纤维，直径48μm，杨氏模量3793MPa，长度6mm；细骨料：中砂，细度模数3.1；水：自来水。

  1.2实验方法与设备

  抗压强度参照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸100mm×100mm×100mm；干缩变形采用手持式收缩测定仪，参照GBJ82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行测试，试件尺寸为100mm×100mm×400mm，测量精度0.001mm；抗干湿循环能力采用中国建筑科学研究院生产的LSY-18B型干湿循环实验机进行测试，试件尺寸为100mm×100mm×400mm，实验制度是浸泡12h，室温风干12h，每12h测1次长度变形；抗冻融性采用北京诚信海岸科技有限公司生产的冻融循环试验机进行测试，试件尺寸为100mm×100mm×400mm，温度制度为-17～10℃，1个自动冻融循环的时间约为6h；耐火性能根据GB/T9978—2008《建筑构件耐火试验方法》进行测试。

  EPS混凝土的配合比设计采用体积法，主要考虑利用EPS颗粒作为混凝土的骨料，水泥等胶凝材料包裹其表面，同时为了改善EPS表面与水泥的粘结力，掺加一定的胶粉和纤维，根据工程的实际需要设计EPS混凝土的表观密度在600～650kg/m3，EPS混凝土的配合比如表1所示。

  首先将EPS颗粒与50%的水和胶粉进行搅拌1min，随后加入水泥、砂、粉煤灰等再搅拌1min，最后将剩余的水和高效减水剂一起加入，直到搅拌均匀。 实验发现整个搅拌时间为3min左右，可以保证EPS混凝土的均匀性，成型时人工振捣压实成型，24h后脱模，然后养护至相应的龄期进行测试。

  2 测试结果与分析

  2.1 EPS混凝土的抗压强度（见图1）

  从图1可以看出，所有EPS混凝土的抗压强度均随龄期的增加而增大；在14d之前，抗压强度增加的幅度较大，之后强度增加趋于缓慢，这主要由于EPS混凝土中EPS的体积达到80%左右，其抗压强度主要取决于颗粒与水泥等胶凝材料的粘结强度和胶凝材料的用量；随着粉煤灰掺量的增加，3d时，EPS混凝土的抗压强度明显下降；28d时，掺加40%粉煤灰的EPS混凝土的抗压强度最高，粉煤灰的密度比硅酸盐水泥低，因此，随着粉煤灰掺量的增加，一方面相同的质量条件下，EPS混凝土中浆体含量明显增加，EPS颗粒表面的包裹能力会增强，另一方面由于粉煤灰掺量的增加，相同龄期时浆体的强度会下降，在上述2个方面的作用下，EPS混凝土存在一个较合适的粉煤灰掺量，此时其抗压强度最高。EC5中掺加0.5%的聚丙烯纤维，对其抗压强几乎没有明显的影响。

  EPS混凝土的荷载－位移曲线见图2。

  从图2可以看出，EPS混凝土在荷载作用下的变形能力比较强，和普通混凝土相比具有明显的下降阶段；达到最大强度以后，在下降段会出现次峰值，这是由于EPS混凝土的破坏是延性破坏，EPS混凝土整体承担外界荷载，当外界荷载达到一定值时，EPS颗粒间的粘结层破环，荷载迅速下降，EPS颗粒本身承担外界荷载，由于其弹性特点，又多次出现峰值。可以用荷载和位移曲线面积———应变能来表征ESP混凝土的韧性（见表2），由表2可知，粉煤灰掺量为50%时，由于这时强度下降，使得其韧性也下降；掺加有机纤维能够明显增大EPS混凝土的韧性，掺加聚丙烯纤维的试件EC5的韧性明显增大。

  2.2 EPS混凝土的干燥收缩变形（见图3）

  由图3可知，掺加20%粉煤灰EPS混凝土的干燥收缩值 前期与没有掺加粉煤灰的EPS混凝土基本相近，28d时干燥收缩值有一定的下降；当粉煤灰掺量增加到40％、50％时，3d和28d的干燥收缩值都有明显下降，且随粉煤灰掺量的增加，干燥收缩值下降越大。由于粉煤灰的水化能力明显弱于普通硅酸盐水泥，虽然EPS骨料限制干燥收缩的能力较弱，但是由于掺加足够量的粉煤灰，使得胶凝材料本身的干燥收缩能力明显下降，所以，掺加适量粉煤灰可以使EPS混凝土的干燥收缩值明显下降。掺加聚丙烯纤维主要起约束限制作用，聚丙烯纤维的弹性模量较低，EPS混凝土的弹性模量也比较低，因此，可以利用聚丙烯纤维限制EPS混凝土的干燥收缩。EPS混凝土在干湿循环作用下的变形见图4。

  从图4可以看出，EPS颗粒自身不吸水，在干湿交替作用下可以认为其尺寸几乎不会改变，EPS混凝土界面层的微观结构起主要影响作用，掺加50%粉煤灰时，EPS混凝土界面层中的水化产物量相对下降，28d时大孔和毛细孔量会相应的增加，自由水易于浸入和流出，引起湿胀作用明显，这与毛细管作用力下降、收缩力减小2个趋势共同作用，综合表现出其变形量与没有掺加粉煤灰的EPS混凝土相接近。掺加0.5%聚丙烯纤维的EC5，由于短纤维乱向分布，其约束作用降低EC5在干湿循环条件下的体积变化，使其体积相对稳定，EPS混凝土作为屋面保温隔热层时防止变形是十分重要的措施。

  2.3 EPS混凝土的抗冻融和耐火性能

      50次冻融循环后EPS混凝土的质量损失如图5所示。

  EPS混凝土的抗冻性受界面孔隙中水结冰膨胀力的大小控制，EPS颗粒本身有一定的弹性，可以缓解一定的膨胀力。 从图5可以看出，加入粉煤灰使EPS混凝土的质量损失明显增加，28d时粉煤灰的水化能力还比较弱，EPS界面层中平均孔径比没有掺加粉煤灰的EPS混凝土大，而混凝土的抗压强度对于孔径大小在一定程度上不如抗冻性敏感，在冰胀力的作用下，EPS混凝土的抗冻能力会随着粉煤灰掺量的增加而明显下降；加入0.5%的聚丙烯纤维可以明显降低EPS混凝土冻融循环后的质量损失，主要是纤维约束力的作用。构件厚度为100mm时，EPS混凝土的耐火性见表3。由表3可知，EPS混凝土为非燃烧体，耐火时间大于2h。

  3结论

  （1）3d时，EPS混凝土的抗压强度随粉煤灰掺量的增加而明显下降；28d时，粉煤灰掺量小于40%的EPS混凝土抗压强度下降不明显。

  （2）EPS混凝土的干燥收缩值随着粉煤灰掺量的增加而明显下降，EPS混凝土50次冻融循环后的质量损失率随着粉煤灰掺量的增加而明显增加。

  （3）掺加0.5%聚丙烯纤维对EPS混凝土的抗压强度没有明显的影响，但能够明显降低干燥收缩值、冻融循环后的质量损失率和干湿循环变形值。

  （4）EPS混凝土为非燃烧体，耐火时间大于2h。

  参考文献：

  [1]王武祥.EPS颗粒—粉煤灰复合保温材料的研究与应用[J].新型建筑材料，2005（11）：56-58.

  [2]曾珍，张雄.泡沫—聚苯乙烯保温砂浆工艺及性能研究[J].粉煤灰综合利用，2006（1）：50-53.

  [3]潘武略，邓德华，原通鹏，等．EPS轻混凝土配合比对其流动性与力学性能的影响[J]．混凝土，2006（6）：63-66.

  [4]陈兵，陈龙珠.EPS轻质混凝土力学性能研究[J].混凝土与水泥制品，2004（3）：41-44.

  [5]CaneshBabuK，SaradhiD.Behaviouroflightweightexpandedpolystyreneconcretecontainingsilicafume[J].

CementandCon-creteResearch，2003，33：1110-1116.