浅析混合纤维聚苯乙烯颗粒再生保温混凝土

孙 明 胡扬阳

湖南科技学院土木与环境工程学院

1 引言

随着我国城市化进程的不断深化，建设过程中的资源消耗和建筑运行过程中的能源消耗已成为经济可持续发展的瓶颈。由于目前房屋建筑建设总量和人们对居住舒适度需求不断提高，建筑能耗在我国社会总能耗中所占比例已经超过三分之一，并且还在上升。要降低建筑能耗，首要任务是提高建筑物围护结构的保温隔热性能，而墙体作为围护结构的主要组成部分，成为节能减排工作研究的一个重点。

2 国内外研究现状

现在建筑墙体保温主要通过外墙内保温、外墙外保温和墙体自保温三种方式实现[1]。外墙内保温是将保温材料如聚苯乙烯保温板等铺设在墙体的内侧从而起到保温效果[2]，施工方法简单，施工难度小，造价也不高，但容易因为热桥现象让墙体结露继而发霉。内保温墙体受外界环境影响较大，日夜温差和季节差异大都容易造成墙体的开裂。

外墙外保温是将保温材料铺在砌体外面起到保温隔热效果，减少热量损失。这种保温墙体对结构墙体也有保温作用而且能够减少热桥，维护主体结构及增大结构的使用寿命，使室温环境保持一致。但是保温层铺设在室外，受气候环境影响严重，易出现开裂、局部脱落等现象耐久性差，而且造成火灾隐患。外墙外保温体系施工复杂，工期长且费用高。

自保温墙体体系兼具前两种工序的优点，施工工序简单，保温效果好，直接采用自身具有保温效果的墙体材料而不需要对采取额外的保温措施，因此成为房屋建筑降低能耗的首选。市场上常用的自保温材料包括泡沫混凝土、玻化微珠混凝土、聚苯颗粒混凝土和膨胀珍珠岩混凝土。

泡沫混凝土在我国主要应用在屋面和楼地面保温层[3]，由于其强度低、耐久性差、收缩大等缺点，使用范围仍较窄。玻化微珠保温混凝土结构体系在节能效率50%的要求下，具有很好的抗震性能和保温性能[4]，目前公共建筑和居住建筑要求执行节能效率最低65%的设计标准，北京等部分省市执行更高的节能75%设计标准，玻化微珠保温混凝土难以满足不断提高的建筑节能要求。聚苯颗粒在国外首先被应用为轻骨料掺入混凝土中，使得轻骨料混凝土的均匀性和力学性能得到了较大提升，在非承重的结构中进行使用[5]。聚苯颗粒混凝土具有较好的保温性能，但强度普遍较低，耐久性差[6]。膨胀珍珠岩混凝土的研究国外学者进行的比较多。Demirboğa[7]将膨胀珍珠岩、硅灰和粉煤灰掺加到混凝土中，指出混凝土的保温性能较好，但混凝土的抗压强度较低。

我国混凝土产量超20亿m3，混凝土中的沙石含量占混凝土70%左右，每年需要开采超过35亿吨的沙石用于配制混凝土[8]，消耗大量资源，严重破坏生态环境。所以学习国外先进经验，对废弃混凝土进行回收再利用，同样也是成为建设节约型社会的重要举措。Dylewski 使用陶粒、回收利用的废弃混凝土为粗骨料，制作轻质保温砌块，具有耐久性、耐火性和保温性能好，成本低等优点。

3 研究思路

聚苯颗粒全称为膨胀聚苯乙烯颗粒（Expanded polystyrene，简称为EPS）[9]，是由苯乙烯单体经自由基缩聚反应合成的聚合物原料。聚苯乙烯颗粒保温再生混凝土（简称为EPS 再生混凝土）就是以聚苯乙烯颗粒为基础发展的复合保温材料。这种混凝土保温性能好，自重轻，可以将废弃的聚苯乙烯泡沫重新利用起来，经济性与环保并重。使用EPS再生混凝土，由属于不燃物的混凝土形成保护层，聚苯颗粒在内与纤维构成保温骨架，可以从根本解决现有节能材料易开裂、脱落、防火性差的缺点。但由于聚苯乙烯颗粒密度和强度都很低，一方面在混凝土中容易上浮，分布不均[11]；另一方面会降低混凝土的整体强度，所以掺加纤维成为改善聚苯乙烯颗粒保温混凝土性能的首要选择。而再生混凝土的骨料都是由废弃混凝土破碎后得到的，骨料表面由水泥浆包裹存在，棱角多、针状物比例大等问题，导致同等配合比下，EPS再生混凝土比EPS混凝土强度更低、耐久性更差。

因此考虑采用钢纤维和聚丙烯纤维混合在一起加入EPS再生混凝土，一是通过聚苯乙烯颗粒与再生骨料形成合理级配，再以聚丙烯纤维提升结构的抗裂性能，减少构件早期由于塑性变形而产生的裂缝，同时抑制微裂缝的发生与扩展；二是利用钢纤维提高混凝土抗拉强度，同时提高混凝土的变形能力从而改善其韧性及抗冲击性能，使其抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能优于普通混凝土；三是通过掺加密度小、长度短的聚丙烯纤维，在保证强度的同时减少钢纤维的用量，降低了混凝土密度，提升了密实度和流动性。此外在制作再生骨料时，取强度为30MPa～50MPa的废弃混凝土，清除渣土和钢筋，然后用颚式破碎机进行初次破碎，放入质量浓度为3%的醋酸中浸泡1h，让部分水泥浆溶解在溶液中，醋酸与再生骨料发生化学反应，生成乙酸钙，使骨料性质稳定，同时骨料表面硬化水泥砂浆变的松软。再使用反击式破碎机进二次打磨，筛分出粒径5mm～20mm的碎块，作为再生粗骨料；粒径0.1mm-5mm的碎块作为再生细骨料。再生骨料经过这样处理后，大部分水泥砂浆会从天然粗骨料上剥离，从而得到高品质再生骨料，降低再生骨料的吸水率，改善混凝土拌合物的工作性能。

4 应用分析

使用强度为42.5 的普通硅酸盐水泥、自来水、再生骨料、聚丙烯纤维、钢纤维、羟丙基甲基纤维素醚、聚苯乙烯颗粒和树脂胶粉制作混合纤维EPS 再生混凝土砌块，通过热工性能实验获得其导热系数、热惰性指标等参数，然后引入到节能分析软件中，对实际工程进行模拟，判断其应用价值。以湖南省永州市某17层住宅为例，该建筑高53.55m，建筑面积5605.94m2，建筑外表面积5615.96m2，建筑体积18886.37m3，体形系数0.30，采用混合纤维EPS再生混凝土砌块制作外墙，传热系数为0.79，热惰性指标4.08，满足DBJ 43/001—2017《湖南省居住建筑节能设计标准》中对外墙平均热工参数“体形系数≤0.40，外墙平均热惰性指标＞2.5时，外墙平均传热系数应≤1.10”的要求。

5 结束语

随着国家发展改革委办公厅、工业和信息化部办公厅关于印发《新型墙材推广应用行动方案》的通知（发改办环资[2017]212号）与工业和信息化部、环境保护部、国家安全监管总局关于加快烧结砖瓦行业转型发展的若干意见（工信部联原[2017]279号）相继发布，运用利用建筑垃圾生产砖瓦制品，减少对天然资源的消耗，已成为国家推进绿色生产，促进节能减排的重要举措。混合纤维聚苯颗粒再生保温混凝土作为一种既能在制造过程中实现资源循环利用，也能在使用过程中降低能源消耗的绿色产品，拥有巨大的市场潜力，还可以继续进行深入研究。