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的混凝土稱為輕骨料混凝土。輕骨料混凝土具有輕質(zhì)、高強、保溫、抗震性能好、耐火性能高、易于施工等優(yōu)點，是一種發(fā)展前景較好的新型混凝土。目前，我國正向著輕質(zhì)、高強、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)量還不能滿足建筑業(yè)高速發(fā)展的需要，加快對輕骨料混凝土的研究，提高輕骨料混凝土技術(shù)水平是一項重要任務(wù)。通常采用陶砂、頁巖陶粒、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》，由于粘土和頁巖陶粒以及粘土和頁巖陶粒為原料的建材制品在生產(chǎn)過程中會破壞耕地和植被，被限制使用。目前可選用的輕骨料種類較少，如浮石和聚苯乙烯等，但是浮石混凝土存在很多問題，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，遇火災有黑煙和有毒氣體等。鑒于輕骨料制備輕質(zhì)混凝土過程中存在的問題，本文對聚苯乙烯進行改性制備混凝土，對其進行深入研究，探究其性能并進行工程應(yīng)用的驗證。

1、材料與方法

1.1材料水泥：其物理力學性能見表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Ⅱ級，細度15.6%，燒失量2.58%。砂：密云威克公司Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)2.83，含泥量1.9%。表1水泥的物理力學性能改性聚苯乙烯不同于普通聚苯乙烯，它是專門適用于混凝土體系經(jīng)過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：（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)量波動較大，在泵送過程中容易堵泵，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（1）確定材料種類。根據(jù)設(shè)計的密度等級或?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），見式（1）[2]：為使混凝土達到密實狀態(tài)，骨料的級配應(yīng)遵循Fuller和Thompson的關(guān)系式[3]，見式（2）：（3）確定摻合料用量。改性聚苯乙烯顆粒最大粒徑為5mm，通過以上參數(shù)，進行配合比設(shè)計，得到一系列理論配合比，見表2。表2

改性聚苯乙烯混凝土理論配合比1.3試驗方法抗凍融試驗：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《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行試件的抗凍融試驗，每次凍融循環(huán)為2h。混凝土試件的質(zhì)量損失率和強度損失率計算見式（3）、（4）?？箟簭姸仍囼灒喊凑誈B/T50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度試驗，試件為100mm×100mm×100mm立方體，標養(yǎng)28d。收縮試驗：測量傳統(tǒng)混凝土干燥收縮的方法主要有手持式應(yīng)變儀法、標架千分表法、立式千分表測長儀法和弓形螺旋測微計法，這些方法都存在明顯的缺點，即易受周圍環(huán)境的影響、精確度低。鑒于此，本試驗委托第三方試驗室采用具有精確度高、受環(huán)境影響小的振弦式表面應(yīng)變計法測量聚苯乙烯混凝土的干燥收縮。導熱系數(shù)試驗：委托第三方試驗室測試。試驗中導熱系數(shù)測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熱系數(shù)儀，采用熱線法測量聚苯乙烯混凝土的導熱系數(shù)。2、結(jié)果與分析

2.1抗壓強度試驗考慮實際生產(chǎn)攪拌和混凝土粘聚性，添加了粉煤灰、硅灰和砂，經(jīng)過配合比優(yōu)化形成生產(chǎn)配合比。采用試驗室單臥軸強制式混凝土攪拌機攪拌改性聚苯乙烯混凝土，稱料完成后，先將砂、水泥、聚苯乙烯顆粒倒入攪拌機中干拌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。標養(yǎng)28d后進行抗壓強度試驗。不同生產(chǎn)配比混凝土的抗壓強度結(jié)果見表3。表3不同配比混凝土的抗壓強度測試結(jié)果

由表1可知，（1）聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土強度與水膠比密切相關(guān)，抗壓強度隨著水膠比的增大而減小，這主要是因為在聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土中，聚苯乙烯顆粒對抗壓強度的貢獻很小，所以強度主要取決于水泥漿的強度。在水膠比增大，水泥用量不變的條件下，用水量越多，就會形成更多的細小孔洞；同時水膠比增大，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，從而也導致了聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土抗壓強度的降低。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，抗壓強度值越低，這主要是因為聚苯乙烯本身強度低造成的。（2）聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土受力后，宏觀表現(xiàn)為混凝土試驗強度的非線性特征，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，達到水泥漿體的極限強度后出現(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，當水泥漿中出現(xiàn)裂縫后，聚苯乙烯顆粒應(yīng)力強度小，不能阻擋裂縫的開展，裂縫將穿過聚苯乙烯顆粒很快延伸，所以強度跌落快。2.2凍融循環(huán)試驗由表3第4組配合比制作3組試件測試混凝土28d強度，在水中浸泡4h，擦去表面水分后，對試塊稱重，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，總循環(huán)次數(shù)為100次，質(zhì)量及強度測試結(jié)果見表4。

表4混凝土凍融循環(huán)質(zhì)量和強度損失2.3干燥收縮試驗聚苯乙烯混凝土中的聚苯乙烯顆粒質(zhì)輕柔軟，幾乎沒有強度和剛度，無法約束周圍砂漿的收縮變形，因此，可以推測聚苯乙烯混凝土相比傳統(tǒng)混凝土存在較大的干燥收縮。本試驗委托第三方測試結(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導熱系數(shù)試驗委托第三方試驗室檢測，本試驗混凝土導熱系數(shù)為0.171W/（m·K），一般常把導熱系數(shù)小于0.2W/（m·K）的材料稱為保溫材料，因此該混凝土試件保溫性能良好。2.5燃燒性能試驗委托第三方檢驗燃燒性能試驗，檢測指標見表5。根據(jù)表5判斷聚苯乙烯混凝土燃燒性能符合A級要求。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)過試驗檢測，其各項指標符合技術(shù)要求后，供應(yīng)了清華大學生物醫(yī)學館（總建筑面積30000m2）和留學生樓這2個工程的屋面保溫混凝土，按照設(shè)計要求，每樓層屋面須采用輕質(zhì)混凝土，密度不得超過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)計混凝土容重為850kg/m3。經(jīng)過全過程控制，泵送過程順利，一次性澆筑成功，工作性能優(yōu)異，勻質(zhì)性好，滿足施工要求。結(jié)論

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