EPS混合土的物理力学特性试验研究

姜勇，何明胜，张闪勋

（石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003）

对新疆属于寒冷且地震多发地，本课题组提出了保温砌模轻质混凝土空心砌块混合生土复合墙体这一新型结构［1－2］。这种墙体是以陶粒混凝土空心砌块为外模，将EPS混合土浇筑到外模砌块孔洞中，使外模内芯形成一个整体。因其内芯是一个整体，故具有较好的抗震性能，外模和内芯共同承担压力，具有良好的承压性。通过二者结合，克服了各自的不足，充分发挥了二者的优点。此种结构型式具有节能、抗震、经济性好等特点，非常适合新疆地区的村镇建筑。

聚苯乙烯轻质混合土是一种新型的填土材料，由原土料、聚苯乙烯（expanded polystyrene，简称EPS）颗粒或是废泡沫塑料、水泥和水的混合物组成。自20世纪80年代开始，日本等国就已开发研制了轻质填土即聚苯乙烯轻质混合土和气泡轻量混合土，其具有轻量性、快硬性、流动性好等特点，可广泛应用在软弱地基处理、滑坡处理、陡坡地区施工、拓宽填土施工、管道填埋等许多方面［3］。采用轻质混合土加固公路地基，可以减少沉降，缩短工期，降低造价；在管道工程中使用，施工方便，不需要压实［4］。我国在这方面的研究起步较晚，马时冬对采用中砂作为粗骨料的轻质填土进行过试验研究［5］。但聚苯乙烯轻质混合土在墙体建筑中的应用尚缺乏研究。

何明胜等［1－2］研究了苯乙烯轻质混合土和轻质陶粒混凝土的最优配合比［1］，以及二者组合到一块的砌块抗压强度和抗剪强度［2］。这些研究表明该新型复合砌体结构的抗震性能优于烧结粘土砖砌体。在前期研究的基础上发现，该复合砌块试件养护成型后EPS轻质混合土与空心砌块之间存在裂缝（脱开现象），影响该复合砌块组合受力性能。其原因是由于EPS轻质混合土干缩变形较大引起，因此，需要添加减水剂和膨胀剂，而这2种添加剂可能对EPS混合土的强度有影响；同时发现，初始预压应力对EPS混合土试件变形、密度和强度都具有较大的影响。因此，本实验在课题组前期研究的基础上，以减水剂、膨胀剂和预压应力为影响因素，进行9组（27个）立方体试块试验，分析这些因素对该复合砌块中EPS混合土内芯抗压强度、密度和体积变形的影响。

1 试验材料与方法

1.1 轻质混合土的原料和特点

试验所用原料土为新疆石河子市石河子大学北区东面1～3 m深处采集土样［6］，其物理性质指标见表1。水泥采用石河子开发区青松天业水泥有限公司生产的标号为32.5R的复合硅酸盐水泥；EPS（发泡级聚苯乙烯）采用江苏嘉盛化学品有限公司生产的嘉昌牌EPS（阻燃级C－104）颗粒粒径为3 mm～5 mm；水为清洁自来水；减水剂采用新疆石河子市黎仙建材厂生产的早强减水剂；膨胀剂采用KD－2型混凝土膨胀剂。

土样的主要物理性质为：含水率1.95%，湿密度1.80 g／cm3，液限25.0%，塑限18.1%，塑性指数6.9。

1.2 试样制作

试件各基础组成材料配合比，根据本课题组前期研究结论中的最优配合比［7］，即以土的质量为100，其它组成材料按占土的质量比确定，水泥用量30、EPS用量1、水用量30。

首先，将晾晒好的原料土、水泥和添加剂拌匀，然后加入EPS颗粒，再加水搅拌成均匀的浆体，采用分层压实层层预压的成型方法，压入150 mm×150 mm×150 mm的模具内，养护1 d后脱模，放入标准养护箱内养护至规定的龄期。

将达到龄期的试样取出，用1／500游标卡尺测量试件的尺寸，精度为0.001 kg的电子天平称量试件的重量，在型号为YAW－5000F的微机控制电液伺服压力试验机上测试其抗压强度。

1.3 正交试验设计

试验将预压应力（A）、减水剂掺入量（B）、膨胀剂掺入量（C）作为试验的影响因素，采用三因素三水平做正交试验，具体的因素水平见表1，试验方案设计见表2。

表1 因素水平表Tab.1 Factor and level table

表2 L9（34）试验方案Tab.2 L9（34）test plan

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

正交试验结果见表3，极差计算结果见表4。

表3 正交试验的结果Tab.3 The result of orthogonal text

表4 极差计算结果Tab.4 The result of range calculation

2.2 结果的分析

2.2.1直观分析

根据课题要求本次正交试验的3个指标是EPS混合土的密度、尺寸和抗压强度，其复合砌块的具体要求如下：内芯聚苯乙烯轻质混合土的密度不大于1.2 g／cm3，尺寸要求不小于15 cm，抗压强度不小于1.8 MPa。

由表4直观分析可见：影响密度的主要因素为预压力，减水剂和膨胀剂的添加对密度影响很小，可以忽略。

为便于分析各因素对试验尺寸和强度的影响，将各因素及水平数据绘成曲线图，如图1、2所示。

由图1可见：试件的尺寸随着预压力的增加、减水剂掺入量和膨胀剂掺入量的增加而增加。其中由图1a和图1c可知：预压力与膨胀剂参量与试件尺寸的增量基本呈现线性关系且预压力的增长速率较快。由图1b可知：试件尺寸随减水剂的增加先快速增加当增加到2.5%后继续增加减水剂参量对试件尺寸增量贡献不大。

由图2a可知：试件的强度随着预压应力的增加前期快速增加，当预压力大于13.3 k Pa后增加预压应力对试件的抗压强度增量影响不大。

由图2b和图2c知：少量添加减水剂和膨胀剂能提高试件的抗压强度，但当减水剂参入量大于2.5%，膨胀剂参量大于4%后试件的抗压强度随着添加剂的增加而减小。

2.2.2方差分析

为分析实验过程中由于试验条件的改变所引起的数据波动与试验误差所引起的数据波动严格区分，以及判断所考察的因素的作用是否明显，采用方差分析法对以上试验进行分析。分析结果见表5。

图1 各因素与试件尺寸之间的关系Fig.1 The relationship between factors and dimensions of test pieces

图2 各因素与试件抗压强度之间的关系Fig.2 The relationship between factors and compressive strength of the test pieces

表5 方差分析表Tab.5 Analysis of variance table

由表5可知：预压力与膨胀剂对试件尺寸影响较大，减水剂基本上没有影响；预压力与减水剂对试件的抗压强度影响显著，膨胀剂对试件的抗压强度基本无影响。这与极差分析的结果一致。

根据试验结果分析综合本课题要求，在满足本课题要求的前提下尽可能提高试件的强度。因此，本实验确定最优组合为A3B2C2，预压应力为：17.8 k Pa，添加剂的添加量分别为：减水剂2.5%，膨胀剂4%。

3 结论

（1）聚苯乙烯轻质混合土的密度随着预压力的增加而增加，添加剂的添加对试件的密度基本没影响。

（2）聚苯乙烯轻质混合土抗压强度主要取决于预压力和减水剂。预压力在8.9～13.3 k Pa时，试件的抗压强度显著增加，当预压力大于13.3 k Pa后试件强度有所增加，但增加不再显著；减水剂掺量在1%～2.5%范围时，试件的抗压强度显著增加，当掺量大于2.5%后试件的抗压强度随着减水剂掺量的增加而降低。膨胀剂对试件的抗压强度影响不大，但膨胀剂的掺量大于4%时对试件的抗压强度有一定损伤。

3）各因素对聚苯乙烯轻质混合土尺寸影响的程度由大到小依次为：预压力＞膨胀剂＞减水剂，其中预压力和膨胀剂对试件尺寸影响显著。但考虑到随着添加剂掺量的增加对试件抗压强度有一定损伤，添加剂的掺量不宜过大，试验结果表明减水剂掺量不大于2.5%，膨胀剂掺量不大于4%。

4）本实验最优组合为：预压力17.8 k Pa，减水剂掺量2.5%，膨胀剂掺量4%。

［1］眭小龙.新型保温轻质混凝土空心砌块——生土复合砌块抗剪性能研究［D］.石河子：石河子大学，2012.

［2］付小健.新型保温轻质混凝土空心砌块——生土复合砌块抗压性能研究［D］.石河子：石河子大学，2012.

［3］张小平，包承纲，李进军.泡沫轻质材料在岩土工程中的应用［J］.岩土工程技术，2000（1）：58－62.

［4］董金梅，刘汉龙，高玉峰等.聚苯乙烯轻质混合土抗压强度特性试验研究［J］.岩土力学，2004，25（12）：1964－1968.

［5］马时冬.聚苯乙烯泡沫塑料轻质填土（s Ls）的特性［J］.岩土力学，2001，22（2）：245－248.

［6］付小建，何明胜，眭小龙，夏多田.聚苯乙烯轻质混合土配合比优化设计［J］.新型建材，2011（12）：42－44.

［7］眭小龙，何明胜，付小建.基于正交试验的EPS混合土抗压强度的研究［J］.石河子大学学报：自然科学版，2011，29（2）：253－256.