改性聚苯乙烯輕骨料混凝土的性能研究及應(yīng)用

引言用輕骨料和膠凝材料配制而成的表觀密度不大于1950kg/m3的混凝土稱(chēng)為輕骨料混凝土。輕骨料混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、抗震性能好、耐火性能高、易于施工等優(yōu)點(diǎn)，是一種發(fā)展前景較好的新型混凝土。目前，我國(guó)正向著輕質(zhì)、高強(qiáng)、多功能方向發(fā)展，隨著建筑物節(jié)能、高層、抗震的綜合要求，輕骨料混凝土的質(zhì)量和產(chǎn)量還不能滿(mǎn)足建筑業(yè)高速發(fā)展的需要，加快對(duì)輕骨料混凝土的研究，提高輕骨料混凝土技術(shù)水平是一項(xiàng)重要任務(wù)。通常采用陶砂、頁(yè)巖陶粒、浮石等材料作為骨料制備輕質(zhì)混凝土，然而2019年4月1日北京市發(fā)布了《關(guān)于發(fā)布北京市第五批禁止和限制使用建筑材料及施工工藝目錄的通知》，由于粘土和頁(yè)巖陶粒以及粘土和頁(yè)巖陶粒為原料的建材制品在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)破壞耕地和植被，被限制使用。目前可選用的輕骨料種類(lèi)較少，如浮石和聚苯乙烯等，但是浮石混凝土存在很多問(wèn)題，如泵送困難、坍落度不易控制、輕骨料吸水率較大、混凝土勻質(zhì)性差等，控制難度較大，聚苯乙烯混凝土在工程中也有應(yīng)用，但是聚苯乙烯顆粒質(zhì)量參差不齊，混凝土易脫落，遇火災(zāi)有黑煙和有毒氣體等。鑒于輕骨料制備輕質(zhì)混凝土過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文對(duì)聚苯乙烯進(jìn)行改性制備混凝土，對(duì)其進(jìn)行深入研究，探究其性能并進(jìn)行工程應(yīng)用的驗(yàn)證。

1、材料與方法

1.1材料水泥：其物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。外加劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率29%。硅灰：SiO2含量約90%，灰白色球狀粉末，平均粒徑為0.2μm，表觀密度2220kg/m3。粉煤灰：河北大唐同舟有限公司的F類(lèi)Ⅱ級(jí)，細(xì)度15.6%，燒失量2.58%。砂：密云威克公司Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.83，含泥量1.9%。表1水泥的物理力學(xué)性能改性聚苯乙烯不同于普通聚苯乙烯，它是專(zhuān)門(mén)適用于混凝土體系經(jīng)過(guò)特殊工藝處理的聚苯乙烯顆粒，具有良好的基體結(jié)合性和防火性能，能均勻分布在體系中，易于泵送，改性聚苯乙烯比陶粒等其他輕骨料有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）改性聚苯乙烯泡沫顆粒密度為7kg/m3左右，粒徑為3～5mm，陶粒密度在300～1400kg/m3，改性聚苯乙烯泡沫顆?？膳渲瞥龈p的混凝土。（2）陶粒等輕骨料吸水率高，用水量不易控制，配制的混凝土質(zhì)量波動(dòng)較大，在泵送過(guò)程中容易堵泵，改性聚苯乙烯泡沫顆粒不吸水，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，勻質(zhì)性好，質(zhì)量可控。（3）與人工陶粒相比，聚苯乙烯生產(chǎn)能耗低，可減少環(huán)境污染。1.2配合比設(shè)計(jì)（1）確定材料種類(lèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)的密度等級(jí)或?qū)嵯禂?shù)要求，判斷聚苯乙烯輕骨料混凝土體積密度范圍，初步確定基質(zhì)材料類(lèi)型為體積密度低于1400kg/m3的可用水泥凈漿[1]。為改善混凝土流動(dòng)性，使用粉煤灰按比例替代部分水泥。為了提高混凝土的抗壓、抗折、抗?jié)B、防腐、抗沖擊及耐磨性能，在聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土中摻入適量的硅灰，其同時(shí)還具有保水、防止離析、泌水的作用。（2）確定聚苯乙烯摻量。根據(jù)設(shè)計(jì)密度首先確定聚苯乙烯顆粒的摻量V聚（每立方米混凝土中聚苯乙烯的體積含量），見(jiàn)式（1）[2]：為使混凝土達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，骨料的級(jí)配應(yīng)遵循Fuller和Thompson的關(guān)系式[3]，見(jiàn)式（2）：（3）確定摻合料用量。改性聚苯乙烯顆粒最大粒徑為5mm，通過(guò)以上參數(shù)，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，得到一系列理論配合比，見(jiàn)表2。表2

改性聚苯乙烯混凝土理論配合比1.3試驗(yàn)方法抗凍融試驗(yàn)：改性聚苯乙烯混凝土作為保溫性混凝土，應(yīng)具有一定的抗凍性，根據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行試件的抗凍融試驗(yàn)，每次凍融循環(huán)為2h?；炷猎嚰馁|(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率計(jì)算見(jiàn)式（3）、（4）?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)：按照GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件為100mm×100mm×100mm立方體，標(biāo)養(yǎng)28d。收縮試驗(yàn)：測(cè)量傳統(tǒng)混凝土干燥收縮的方法主要有手持式應(yīng)變儀法、標(biāo)架千分表法、立式千分表測(cè)長(zhǎng)儀法和弓形螺旋測(cè)微計(jì)法，這些方法都存在明顯的缺點(diǎn)，即易受周?chē)h(huán)境的影響、精確度低。鑒于此，本試驗(yàn)委托第三方試驗(yàn)室采用具有精確度高、受環(huán)境影響小的振弦式表面應(yīng)變計(jì)法測(cè)量聚苯乙烯混凝土的干燥收縮。導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)：委托第三方試驗(yàn)室測(cè)試。試驗(yàn)中導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定采用由西安夏溪電子科技有限公司生產(chǎn)的TC3000系列熱線法通用型導(dǎo)熱系數(shù)儀，采用熱線法測(cè)量聚苯乙烯混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。2、結(jié)果與分析

2.1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)考慮實(shí)際生產(chǎn)攪拌和混凝土粘聚性，添加了粉煤灰、硅灰和砂，經(jīng)過(guò)配合比優(yōu)化形成生產(chǎn)配合比。采用試驗(yàn)室單臥軸強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)攪拌改性聚苯乙烯混凝土，稱(chēng)料完成后，先將砂、水泥、聚苯乙烯顆粒倒入攪拌機(jī)中干拌1min，接著將減水劑加入水中拌合均勻后，逐步均勻地倒入拌合物中，攪拌2min，將攪拌好的混凝土拌合物分層澆筑到模具中振搗抹平成型24h后脫模。標(biāo)養(yǎng)28d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。不同生產(chǎn)配比混凝土的抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表3。表3不同配比混凝土的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由表1可知，（1）聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度與水膠比密切相關(guān)，抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大而減小，這主要是因?yàn)樵诰郾揭蚁┹p質(zhì)混凝土中，聚苯乙烯顆粒對(duì)抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小，所以強(qiáng)度主要取決于水泥漿的強(qiáng)度。在水膠比增大，水泥用量不變的條件下，用水量越多，就會(huì)形成更多的細(xì)小孔洞；同時(shí)水膠比增大，容易使聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土拌合物出現(xiàn)離析分層的現(xiàn)象，造成聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土的不均勻性，從而也導(dǎo)致了聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度的降低。聚苯乙烯顆粒體積摻量越大，聚苯乙烯混凝土表觀密度越小，抗壓強(qiáng)度值越低，這主要是因?yàn)榫郾揭蚁┍旧韽?qiáng)度低造成的。（2）聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土受力后，宏觀表現(xiàn)為混凝土試驗(yàn)強(qiáng)度的非線性特征，但聚苯乙烯顆粒和水泥砂漿的應(yīng)力分布形式與普通混凝土有所不同，由于聚苯乙烯顆粒彈性模量相對(duì)于水泥漿基質(zhì)彈性模量小，所以主要是水泥砂漿先受力，達(dá)到水泥漿體的極限強(qiáng)度后出現(xiàn)豎向裂縫。此外，聚苯乙烯顆粒本身彈性模量小，受力變形大，當(dāng)水泥漿中出現(xiàn)裂縫后，聚苯乙烯顆粒應(yīng)力強(qiáng)度小，不能阻擋裂縫的開(kāi)展，裂縫將穿過(guò)聚苯乙烯顆粒很快延伸，所以強(qiáng)度跌落快。2.2凍融循環(huán)試驗(yàn)由表3第4組配合比制作3組試件測(cè)試混凝土28d強(qiáng)度，在水中浸泡4h，擦去表面水分后，對(duì)試塊稱(chēng)重，作為初始重量。將試塊裝入凍融盒內(nèi)，每25次循環(huán)做1次檢測(cè)，總循環(huán)次數(shù)為100次，質(zhì)量及強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量和強(qiáng)度損失2.3干燥收縮試驗(yàn)聚苯乙烯混凝土中的聚苯乙烯顆粒質(zhì)輕柔軟，幾乎沒(méi)有強(qiáng)度和剛度，無(wú)法約束周?chē)皾{的收縮變形，因此，可以推測(cè)聚苯乙烯混凝土相比傳統(tǒng)混凝土存在較大的干燥收縮。本試驗(yàn)委托第三方測(cè)試結(jié)果為：15d收縮值0.6mm，30d收縮值0.8mm，后期幾乎不再收縮。2.4導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)委托第三方試驗(yàn)室檢測(cè)，本試驗(yàn)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.171W/（m·K），一般常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.2W/（m·K）的材料稱(chēng)為保溫材料，因此該混凝土試件保溫性能良好。2.5燃燒性能試驗(yàn)委托第三方檢驗(yàn)燃燒性能試驗(yàn)，檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表5。根據(jù)表5判斷聚苯乙烯混凝土燃燒性能符合A級(jí)要求。表5燃燒性能結(jié)果3、工程應(yīng)用

改性聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，其各項(xiàng)指標(biāo)符合技術(shù)要求后，供應(yīng)了清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)館（總建筑面積30000m2）和留學(xué)生樓這2個(gè)工程的屋面保溫混凝土，按照設(shè)計(jì)要求，每樓層屋面須采用輕質(zhì)混凝土，密度不得超過(guò)1000kg/m3，由于輕骨料密度小于水泥漿體，在混凝土生產(chǎn)中要嚴(yán)格控制混凝土工作性，工程采用北京金隅北水P·O42.5水泥，設(shè)計(jì)混凝土容重為850kg/m3。經(jīng)過(guò)全過(guò)程控制，泵送過(guò)程順利，一次性澆筑成功，工作性能優(yōu)異，勻質(zhì)性好，滿(mǎn)足施工要求。結(jié)論

本文經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究和工程驗(yàn)證，對(duì)改性聚苯乙烯顆粒為骨料的混凝土進(jìn)行抗壓、凍融循環(huán)、干燥收縮、導(dǎo)熱系數(shù)和燃燒性能試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：（1）水灰比對(duì)聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響顯著，抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大而減??；由于聚苯乙烯材料彈性模量小，強(qiáng)度低，變形大，聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥漿基體強(qiáng)