聚苯(EPS)颗粒是由聚苯乙烯通过发泡生成的具有大量内部孔隙的球体颗粒,因具备良好的耐腐蚀性,在外界温度产生剧烈变动时仍然具备良好的工作能力,同时具备非常低的导热系数而成为研究热点[1-3]。
现有研究表明,混凝土内聚苯颗粒聚集体的大小或聚集程度对材料性能的影响较大,颗粒粒径越小,越利于提高材料的抗压强度,而在聚苯骨料的固定体积比下,随着聚苯颗粒尺寸的减小,导热系数会降低[4]。Koksal等[5]借助蛭石和聚苯制备密度为393～946 kg/m3、导热系数可达到0.09 W/(m·K)的聚苯混凝土。Allahverdi等[6]通过标准水固化和热固化的方法制备出密度、抗压强度和吸水率分别在1 257～1 840 kg/m3、20.8～85.6 MPa、3.47%～0.22%的混凝土。Shi等[7]的研究表明,聚苯混凝土具备良好的振动吸能特性。聚苯颗粒的表面疏水性容易导致与水泥浆体之间的结合力较弱[8-9],借助硅灰和高效减水剂[10]、亲水涂层预处理聚苯颗粒[11]可以改善颗粒的疏水性并提高混合物的内聚性。Wang等[12]以环氧树脂为黏结剂制备了二氧化硅包覆的聚苯颗粒制备水泥复合材料,不仅改善了聚苯颗粒表面,还降低了总放热量和总发烟量,具备良好的防火性能。Herki等[13]通过用黏土和水泥的天然黏合剂涂覆聚苯颗粒解决了混凝土中的离析问题。Babavalian等[14]针对低掺量聚苯颗粒的混凝土产生的强度损失问题提出改进措施,使用聚苯颗粒质量分数为5%和10%的轻质混凝土,掺加体积分数为0.1%的纤维后使抗折强度分别提高了12.1%和10%。
本文中对不同体积掺量的聚苯颗粒对混凝土性能的影响进行了研究,并使用羟丙基甲基纤维素醚改善砂浆的和易性,使用醋酸乙烯酯-乙烯可再分散乳胶粉(VAC-E胶粉)改善聚苯与水泥浆体的界面,最后研究了以挤塑板(XPS)的废料颗粒取代聚苯颗粒对轻骨料混凝土的影响。
1 实验
1.1 主要试剂材料和仪器设备
材料：水泥(P.O.42.5,山东兴创新型材料有限公司),化学成分如表1所示;聚苯颗粒(密度为10 g/L,山东朝美节能科技有限公司);羟丙基甲基纤维素醚(黏度为100 Pa·s,河北晴俊建材有限公司);乙烯-醋酸乙烯酯可再分散乳胶粉(瓦克化学(南京)有限公司);挤塑板颗粒(密度为25 g/dm3,山东创伟外墙保温材料有限公司,保温板的开槽废料颗粒)。
表1 水泥化学组分
Tab.1 Chemical composition of cement
组分CaOSiO2Al2O3MgOSO3Fe2O3K2ONa2O质量分数/%53.0524.0410.074.624.542.360.680.64
仪器设备：101-2型电热鼓风干燥箱(无锡华锡建材实验仪器有限公司);SJ-40A型砂浆标准养护箱(北京宏达路业仪器科技有限公司);JJ-5型水泥胶砂搅拌机(无锡新建仪器设备有限公司);WDW-Y3000型微机控制抗压抗折试验机(济南中正试验机制造公司);CD-DR3030型导热系数测定仪(沈阳紫薇机电设备有限公司);S-2500型扫描电子显微镜(日本日立公司)。
1.2 方法
1.2.1 聚苯颗粒轻骨料混凝土的制备
在质量为500 g的水泥中分别添加体积为300、600、900、1 200、1 500 mL的聚苯颗粒,制备5组轻骨料混凝土,在制备过程中固定添加纤维素醚2 g、水和水泥的质量比为0.5,按照配比添加到搅拌机中,慢速搅拌2 min后,加入水再慢速搅拌3 min,倒入尺寸为40 mm×40 mm×160 mm(高度×宽度×长度)的抗压抗折三联试模中,1 d后脱模,试样在养护箱中养护到28 d龄期,养护箱相对湿度设定为(60±5)%,温度设定为(20±1) ℃。测试试样的抗压强度、抗折强度和密度。
1.2.2 乳胶粉-聚苯颗粒轻骨料混凝土的制备
在1.2.1第3组轻骨料混凝土(聚苯颗粒体积为900 mL)的试样配比中,分别添加质量为0、3、6、9、12 g的乳胶粉,制备5组轻骨料混凝土。按照1.2.1中的制样方式,测试轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度,在扫描电子显微镜下观察新鲜断裂面的形貌。
1.2.3 聚苯颗粒-挤塑板颗粒轻骨料混凝土的制备
在1.2.2第3组轻骨料混凝土(乳胶粉质量为6 g)的试样配比中,以体积分别为0、200、400、600、800、900 mL 的挤塑板颗粒等体积取代聚苯颗粒,按照1.2.1中的制样方式,测试轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度。使用尺寸为300 mm×300 mm×25 mm(高度×宽度×长度)的导热系数模板制备导热系数试样,新鲜试样放置1 d后脱模,在养护箱中养护到28 d龄期,养护箱相对湿度设定为(60±5)%,温度设定为(20±1)℃,使用温度设定为50 ℃的烘箱烘至恒重、冷却至常温,测试导热系数。参照公式(4),调整挤塑板颗粒体积分别为0、440、880、1 320 mL,聚苯颗粒体积分别为900、700、500、300 mL制备试样,按照上述方式测试试样的抗压强度、抗折强度和导热系数。
2 结果与分析
2.1 聚苯颗粒掺量对轻骨料混凝土性能的影响
对轻骨料混凝土的密度、抗压强度、抗折强度进行测试,并对聚苯颗粒体积掺量与这3项性能进行了线性拟合。
表2所示为聚苯颗粒掺量对混凝土性能的影响。图1所示为掺加聚苯颗粒的轻骨料混凝土试样的形变与抗压载荷的关系。掺加聚苯颗粒的混凝土相对于普通混凝土的形变-抗压载荷曲线具有明显的不同,具体表现为峰值特征的减弱以及一定的延性。聚苯颗粒体积掺量为1 500 mL时,聚苯颗粒混凝土的脆性特征几乎消失。罗玉财等[15]的研究也表明,使用聚苯颗粒轻骨料混凝土干密度小于600 kg/m3的试样进行单轴压缩时,变形表现为弹塑性特征。图2所示为聚苯颗粒掺量对轻骨料混凝土性能的影响。由表2、图2可知,相对于掺加300 mL聚苯颗粒的混凝土,体积掺量为600、900、1 200和1 500 mL的混凝土的抗压强度分别降低了30.02%、47.52%、73.17%、66.96%,抗折强度分别降低了15.15%、36.36%、42.42%、45.45%,密度分别降低了14.84%、29.39%、40.88%、44.54%,这主要是由聚苯颗粒本身低密度、低强度的特性所致。聚苯颗粒体积掺量为1 500 mL时,混凝土性能降低的趋势减缓,原因是聚苯颗粒填充趋向于饱和。从图2可以明显看出,在聚苯颗粒体积掺量小于1 200 mL时,混凝土性能的变化接近于线性关系。表3所示为聚苯颗粒掺量与混凝土性能的线性拟合表。
表2 聚苯颗粒掺量对混凝土性能的影响
Tab.2 Effect of polyphenylene particle pontent on concrete performance
聚苯颗粒体积掺量/mL抗压强度/MPa抗折强度/MPa密度/(kg·m-3)3003.431.107906002.400.936739001.800.705581200 0.920.634671500 1.130.60438
图1 试样的形变与抗压载荷的变化曲线
Fig.1 Variation curve of deformation and compressive load of sample
表3 聚苯颗粒掺量与混凝土性能的线性拟合表
Tab.3 Linear fitting table of polystyrene particle content and concrete performance
方程y=a+bx参数抗压强度抗折强度密度截距893±12.037444.17±0.152061.25±0.06075斜率-0.36133±0.01465-0.00271±0.15206-5.46667×10-4±7.39369×10-5残差平方和193.20.030830.00492皮尔逊相关系数-0.99836-0.99537-0.98219相关系数R20.996720.990760.96471调整后R20.995080.986140.94706
聚苯颗粒掺量和密度线性拟合方程为
(1)
聚苯颗粒掺量和抗压强度线性拟合方程为
(2)
聚苯颗粒掺量和抗折强度线性拟合方程为
(3)
2.2 可再分散性乳胶粉掺量对轻骨料混凝土性能的影响
疏水性的聚苯颗粒表面与胶凝材料水泥之间的界面接触不牢固是影响聚苯颗粒轻骨料混凝土性能的重要原因,因此在本文中选用乙烯-醋酸乙烯酯可再分散乳胶粉改善界面问题。表4、图3所示为可再分散性乳胶粉掺量对轻骨料混凝土性能的影响,其中聚苯颗粒体积为900 mL。
表4 可再分散性乳胶粉掺量对轻骨料混凝土性能的影响
Tab.4 Effect of redispersible latex powder on performance of lightweight aggregate concrete
胶粉质量/g抗压强度/MPa抗折强度/MPa胶粉质量/g抗压强度/MPa抗折强度/MPa01.800.7092.301.1032.021.0012 2.231.1062.301.03
从表4、图3可以看出,胶粉的掺加在轻骨料混凝土中起到了积极作用。添加了6 g胶粉的轻骨料混凝土的抗压强度相比于未添加胶粉的提高了28%,抗折强度提高了48%。胶粉在混凝土中溶化成具备弹性的膜,这些膜不仅能够黏结胶凝材料水化后形成的缝隙,而且疏水性的聚苯颗粒在胶粉的作用下与水泥不化产物结合的更加紧密[16]。图4所示为混凝土试块在进行抗折测试后的断裂面,可以明显的看出,添加胶粉的混凝土的聚苯颗粒在经过抗折强度测试后在内部断裂。图5所示是混凝土断裂面在扫描电子显微镜下的图像,可以见到聚合物薄膜覆盖在水化硅酸钙凝胶上。具备弹性的、内部断裂的聚苯颗粒显著的提高了混凝土的抗折强度。聚苯颗粒与凝胶界面的改善是抗压强度提高的主要原因,但是过量掺加胶粉,胶粉成膜后会抑制水泥颗粒的水化,这是胶粉质量掺量为12 g时混凝土抗压强度降低的原因。
图3 可再分散性乳胶粉掺量对轻骨料混凝土性能的影响
Fig.3 Effect of redispersible latex powder on performance of lightweight aggregate concrete
图5 轻骨料混凝土断裂面的扫描电镜图像
Fig.5 Scanning electron microscope image of fracture surface of lightweight aggregate concrete
2.3 挤塑板颗粒对轻骨料混凝土性能的影响
以体积为900 mL的聚苯颗粒、质量为6 g的胶粉作为混凝土轻骨料为基础,挤塑板颗粒以0、200、400、600、800、900 mL的等体积量取代聚苯颗粒,制备A1～A6共6组试样,表5、图6反映了混凝土的性能变化。混凝土的抗压强度和抗折强度明显提高。以体积为900 mL的挤塑板颗粒完全取代聚苯颗粒后,抗压强度和抗折强度均达到了最高,分别提高了1.86倍和1.34倍,混凝土的密度和导热系数也分别提高了66.78%和83.98%,从这2项性能的数据可以推断出混凝土总体性能的提高是混凝土体积中胶凝材料占比增多的结果。采用灌水法对聚苯颗粒和保温板余料的堆积空隙率进行了测量,结果表明挤塑板颗粒堆积空隙率(73%)是聚苯颗粒空隙率(40%)的1.83倍,因此需要对实验做进一步改进。结合轻骨料的堆积空隙率,挤塑板颗粒的体积(VS)对聚苯颗粒的体积(VB)的取代为
表5 挤塑板颗粒对轻骨料混凝土性能的影响
Tab.5 Effect of extruded plate particles on performance of lightweight aggregate concrete
分组聚苯颗粒体积/mL挤塑板颗粒体积/mL抗压强度/MPa抗折强度/MPa导热系数/[W·(m·K)-1]密度/(kg·m-3)A190002.301.100.1168591A27002002.671.200.1192659A35004003.431.500.1414739A43006004.301.770.1658830A51008005.432.070.1932921A609006.572.570.2149986
(1-73%)VS=(1-40%)VB,即 VS=2.2VB。
(4)
如表6、图7所示,经过式(4)计算去除轻骨料堆积空隙后,修改A组的实验方案得到的AB组实验方案,其中AB2、AB3时轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度、导热系数仍然有所增强,一是因为挤塑板颗粒有比聚苯颗粒更高的密度;二是因为挤塑板颗粒不规则形状无法像聚苯颗粒(球体)滚动借助纤维素醚引入气体增大了胶凝材料占比,这在混凝土密度的提升上有所体现,但在AB4时性能出现转变,相对于A1抗压强度降低了7.4%,抗折强度提高了23.6%,导热系数降低了23.2%。这是因为不规则大小、形状的挤塑板颗粒可以填充在胶凝材料之间降低了混凝土的导热系数。图8所示为不规则挤塑板颗粒图片。
图8 不规则的挤塑板颗粒
Fig.8 Irregular extruded plate particles
表6 修改实验方案后挤塑板颗粒对轻骨料混凝土性能的影响
Tab.6 Effect of extruded plate particles on performance of lightweight aggregate concrete after modifying experimental scheme
分组聚苯颗粒体积/mL挤塑板颗粒体积/mL抗压强度/MPa抗折强度/MPa导热系数/[W·(m·K)-1]密度/(kg·m-3)A190002.301.100.1168591AB27004402.651.130.1410700AB35008802.781.590.1417794AB430013202.131.360.0896738
3 讨论
在含有体积为300～1 200 mL聚苯颗粒的轻骨料混凝土中,抗压强度、抗折强度和密度与聚苯颗粒的掺量呈现出良好的线性关系(R2>0.9),借助拟合曲线可以计算所需性能的轻骨料混凝土的配比,有助于在一定要求的性能下,反推轻骨料混凝土中的聚苯颗粒掺量。聚苯颗粒的表面疏水性容易导致与水泥浆体之间的结合力弱[8-9],因此在本文中使用可再分散性乳胶粉增强界面之间的黏结,将抗压强度提高了28%、抗折强度提高了48%。现有研究表明,混凝土内聚苯颗粒聚集体的大小或聚集程度对材料性能的影响较大,颗粒粒径越小,越利于提高材料的抗压强度,而在聚苯颗粒骨料的固定体积比下,随着聚苯颗粒直径的减小,导热系数会降低[4]。在生产挤塑板时,由于工艺要求需要对板材进行开槽处理 ,产生大量小粒径、发泡良好的颗粒,在计算中去除颗粒之间的空隙率、挤塑板以等体积取代聚苯颗粒2/3后,获得导热系数为0.089 6 W/(m·K)的轻骨料混凝土,因此,在聚苯颗粒轻骨料混凝土中加入发泡良好的破碎成小粒径的轻骨料有助于降低导热系数,并且有助于水泥在工程中的应用。在实验过程中发现,挤塑板颗粒取代聚苯颗粒越多,混凝土的流动性逐渐降低,引气剂、减水剂常用于增加混凝土的流动性[17-18],为下一步完善实验提供了思路。
综上,本文研究结论如下。
1)聚苯颗粒体积掺量在小于1 200 mL时与混凝土性能呈线性关系,体积掺量为1 500 mL时趋向于饱和远离拟合直线;可再分散行乳胶粉添加质量为6 g时抗压强度提高了28%,抗折强度提高了48%;以挤塑板颗粒取代聚苯颗粒进行研究时,直接以等体积取代聚苯颗粒对于混凝土的导热系数是不利的;考虑到2种轻骨料的空隙率不同对实验方案进行修改,AB2方案的导热系数降低了23.2%。
2)增加聚苯颗粒掺量会降低轻骨料混凝土的力学性能,但对混凝土的密度是有利的。纤维素醚的添加明显改善了混凝土的和易性,原因是聚苯颗粒不易离析。可再分散性乳胶粉明显改善了聚苯颗粒和胶凝材料之间的界面,对强度的增长是有利的。挤塑板颗粒相对聚苯颗粒更好的导热性能弥补了混凝土在绝热性能上的劣势。
[1]GANESH B K,SARADHI B D.Performance of fly ash concretes containing lightweight EPS aggregates[J].Cement and Concrete Composites,2004,26(6)：605-611.
[2]FERRANDIZ-MAS V,GARCIA-ALCOCEL E.Durability of expanded polystyrene mortars[J].Construction and Building Materials,2013,46：175-182.
[3]李政奎.基于氯氧镁水泥制备的EPS保温砂浆研究[J].广东建材,2021,37(7)：20-22.
LI Z K.Study on EPS thermal insulation mortar prepared based on magnesium oxychloride cement[J].Guangdong Building Materials,2021,37(7)：20-22.
[4]CHUNG S Y,ELRAHMANM A,STEPHAN D.Effects of expanded polystyrene (EPS) sizes and arrangements on the properties of lightweight concrete[J].Materials and Structures,2018,51(3)：51-57.
[5]KOKSAL F,MUTLUAY E,GENCEL O.Characteristics of isolation mortars produced with expanded vermiculite and waste expanded polystyrene[J].Construction and Building Materials,2020,236：117789.
[6]ALLAHVERDI A,AZIMI S A,ALIBABAIE M.Development of multi-strength grade green lightweight reactive powder concrete using expanded polystyrene beads[J].Construction and Building Materials,2018,172：457-467.
[7]SHI W,MIAO L,LUO J,et al.Durability of modified expanded polystyrene concrete after dynamic cyclic loading[J].Shock and Vibration,2016,2016：1-7.
[8]YOU Q,MIAO L C,LI C,et al.Experimental study on preventing expanded polystyrene concrete segregation[J].Advances in Cement Research,2019,31(10)：457-471.
[9]PERRY S H,BISCHOFF P H,YAMURA K.Mix details and material behaviour of polystyrene aggregate concrete[J].Magazine of Concrete Research,1991,43(154)：71-76.
[10]GANESH B K,SARADHI B D.Behaviour of lightweight expanded polystyrene concrete containing silica fume[J].Cement and Concrete Research,2003,33(5)：755-762.
[11]JOHARI I,HAMID A,KASIM S R,et al.Microstructure and mechanical properties of cement mortar incorporate with coated expanded polystyrene beads[J].Materials Science Forum,2017,888：234-238.
[12]WANG Z,HUANG Z,YANG T.Silica coated expanded polystyrene/cement composites with improved fire resistance,smoke suppression and mechanical strength[J].Materials Chemistry and Physics,2020,240：122190.
[13]HERKI B.Combined effects of densified polystyrene and unprocessed fly ash on concrete engineering properties[J].Buildings,2017,7(4)：77.
[14]BABAVALIAN A,RANJBARAN A H,SHAHBEYK S.Uniaxial and triaxial failure strength of fiber reinforced EPS concrete[J].Construction and Building Materials,2020,247：118617.
[15]罗玉财,康亚明,何贤元,等.发泡聚苯乙烯轻质混凝土饱水软化后的强度与变形特征[J].科学技术与工程,2017,17(18)：294-298.
LUO Y C,KANG Y M,HE X Y,et al.The characteristics of strength and deformation of expanded polystyrene lightweight concrete after water saturated and softening[J].Science Technology and Engineering,2017,17(18)：294-298.
[16]李凯斌,张星,周春生,等.胶粉对聚苯颗粒/水泥复合材料的影响[J].当代化工,2021,50(8)：1849-1852.
LI K B,ZHANG X,ZHOU C S,et al.Effect of gelatine powder on polystyrene particles/cement composites[J].Contemporary Chemical Industry,2021,50(8)：1849-1852.
[17]XUN W J,WU C L,LENG X F,et al.Effect of functional superplasticizers on concrete strength and pore structure[J].Applied Sciences,2020,10(10)：3496.
[18]CHEN J,QIA M N,GAO N X,et al.Cationic oligomeric surfactants as novel air entraining agents for concrete[J].Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects,2018,538：686-693.