微珠对EPS混凝土工作性能和力学性能的影响★

彭文兵，潘冠言，方敏辉，胡忠志，袁 骥

(1.台州市城乡规划设计研究院有限公司,浙江 台州 318000; 2.台州学院,浙江 台州 318000)

0 引言

EPS混凝土是一种轻质环保的混凝土,采用EPS全部代替或部分代替混凝土中的砂石集料制备而成,密度通常低于1 800 kg/m3[1]。EPS混凝土主要用于建筑围护结构、墙体、预制构件、组合结构、保温隔热、垫层、填充以及装饰装修等有轻质或建筑节能等要求的混凝土工程[2]。EPS混凝土比其他轻骨料混凝土具有更多的优点,由于它的低密度,EPS混凝土做成预制构件在软土地区能减小地基沉降[3],可以用于软弱地基处理,可以用作回填材料以及地下管道的下卧层防止管道破损等。但EPS混凝土中EPS颗粒的疏水性会导致在砂浆和混凝土的配制过程中出现不均匀的分层以及严重的离析[4-8],影响EPS混凝土的浇筑填充施工及其力学性能。为了满足施工的需要,使EPS混凝土获得较高的工作性能和力学性能,本文采用一种名叫微珠[9]的材料添加在EPS混凝土,达到提升EPS混凝土性能的目的。

本文按照微珠掺量分别为胶凝材料0%,5%,10%,15%,20%来配制同密度等级的EPS混凝土,结合SEM表征手段研究了EPS混凝土工作性能和力学性能,以期为EPS混凝土工程应用提供参考。

1 试验方案

1.1 原材料

水泥采用P.O42.5;砂子为水洗后的海砂,表观密度为2 630 kg/m3,细度模数为2.60;粉煤灰为台州天达环保建材有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰;微珠为天津筑成新材料科技有限公司生产,表观密度为2 520 kg/m3,堆积密度为760 kg/m3,比表面积大于1 300 m2/kg,微珠及扫描电镜图如图1所示。减水剂采用聚羧酸减水剂,固含量为20%;EPS颗粒粒径为2 mm～3 mm,堆积密度为17.6 kg/m3,如图2所示。

1.2 EPS混凝土配合比设计

本文设计了5组EPS颗粒试件,维持各组胶凝材料总量不变;其中第1组为空白对照组,不添加微珠;第2组、第3组、第4组、第5组微珠掺量分别为5%,10%,15%,20%的胶凝材料,并用相应的微珠掺量取代了第1组的粉煤灰;5组EPS混凝土试验配合比如表1所示。

表1 EPS混凝土配合比

1.3 试样制作与养护

本实验采用强制式搅拌机进行搅拌,按照表1所给的配合比称量好各种材料,先将粉体材料加入搅拌机中搅拌1 min,然后将水和减水剂加入搅拌,待胶凝材料成浆体状态,加入EPS泡沫颗粒,然后再加入剩余的水,搅拌至成为新拌EPS混凝土。本试验试件制备依据GB/T 50081—2019混凝土力学性能试验方法标准进行[10],每组EPS混凝土制备4组立方体试件(100 mm×100 mm×100 mm),每组试件3块,其中1组立方体试件用于测试28 d养护强度,1组用于微观测试。EPS混凝土试件成型后置于自然养护室,1 d后拆模置于标准养护室养护。各组试件的干密度均为1 100 kg/m3,如图3所示,制作好的试件如图4所示。

1.4 工作性能测试与强度测试

新拌EPS混凝土的坍落度和扩展度测定参照GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准进行[11];EPS混凝土的干表观密度的测定参照JGJ 51—2002轻骨料混凝土技术规程进行[12];EPS混凝土的抗压强度测定参照GB/T 50081—2019混凝土物理力学性能试验方法标准进行。

1.5 微观测试

为了揭示微珠对EPS混凝土强度的影响,采用扫描电镜观察硬化后的EPS混凝土微观结构。具体步骤是从成型并养护28 d的试块中取出一小块制作试样,在抽空机中进行抽空,然后置于扫描电镜中抽中空观察,拍摄EPS颗粒与水泥基界面之间的微观形貌,微观测试过程如图5所示。

2 结果分析

2.1 工作性能

通过按照图6所示测试EPS混凝土的扩展度和坍落度,5组EPS混凝土的坍落度和扩展度如表2所示,编号为1100-0%的EPS混凝土的坍落度和扩展度最小,其他几组EPS混凝土的坍落度和扩展度随着微珠掺量的增加而依次增大,本文所配制的EPS混凝土坍落度都满足表3的要求,添加微珠的EPS混凝土流动性较好,在填充施工方面具有较大的优势。微珠的加入使得EPS混凝土的流动性得到了大幅度提升,微珠对增大EPS混凝土流动性具有显著效应,这是因为微珠具有降粘效果,微珠的全球状超细颗粒的填充性和“滚珠效应”显著降低混凝土或砂浆的用水量,并且与化学减水剂有完美的叠加作用的结果。

表2 EPS混凝土的坍落度和扩展度

表3 轻珠混凝土拌合物常用坍落度范围

2.2 力学性能

5组EPS混凝土试件28 d养护强度如图7所示。

从图7可知,随着微珠掺量的增加,混凝土强度呈增长趋势,这是因为微珠的粒径很小,当掺入微珠后,微珠堵塞了混凝土中的有害孔和多害孔,使混凝土更加密实,混凝土的强度也随之增大。

微珠添加量为胶凝材料5%,10%,15%,20%的EPS混凝土的强度分别增加了1.8%,40.48%,38.93%,53.31%。从图7可知,当微珠掺量为胶凝材料的5%时,强度基本没有增长,但当微珠掺量为10%的时候,强度增长显著,当微珠掺量超过10%,EPS混凝土强度继续增长幅度较小,根据试验结果可以知道微珠掺量10%为合理的添加量。微珠添加15%的强度反而比微珠添加量为10%的EPS混凝土低,这主要是因为试块的制作误差引起的。微珠超细特性,能提高混凝土密实度、改善混凝土中水泥浆与EPS颗粒之间的界面,减少有害毛细孔,提高混凝土强度。

2.3 机理分析

图8(a)是编号为1100-0%的EPS混凝土扫描电镜图,图8(b)是编号为1100-20%的EPS混凝土扫描电镜图。

从图8可知,未添加微珠的EPS混凝土的界面过渡区缝隙较大,而添加了微珠的EPS混凝土缝隙较小,界面过渡区比较致密。从水泥基体来看,添加了微珠的EPS混凝土水泥基体比较密实,而未添加微珠EPS混凝土水泥基体空隙相对较多,导致了EPS混凝土强度较低。

3 结论

通过对同密度等级不同微珠掺量的EPS混凝土的研究,得到了以下结论:

1)在EPS混凝土中添加微珠能改善EPS混凝土的性能,强度提升可以达到50%左右。

2)当微珠添加量为10%的时候,EPS混凝土的工作性能和力学性能得到明显提升,微珠的较优掺量为10%。

3)微珠对EPS混凝土力学性能的提升归因于界面过渡区结构的改善和水泥基体密实度的改善。

4)微珠对EPS混凝土工作性能的提升归因于微珠的“滚珠效应”,显著降低混凝土或砂浆的用水量。