EPS颗粒含量及粒径对EPS混凝土抗压强度影响

李森森, 邹晶森, 王怡航, 赵坤朝, 沈飞龙, 介朝伊

(南阳理工学院土木工程学院 河南 南阳 473004)

聚苯乙烯泡沫塑料(Expanded Polystyrene,简称EPS)是一种轻型高分子聚合物。其将发泡剂与聚苯乙烯树脂融合,通过同时加热使其软化,产生气体,形成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。其具有质量轻、保温隔热、吸水性小、机械强度较高等特点[1-2]。借助EPS本身的优势制备而成的EPS混凝土作为一种新型的建筑节能材料,目前已经在各类民用建筑中得到了广泛的应用,如复合墙板、围护结构、港口挡土墙、填充夹芯构件等[3-5]。EPS混凝土与传统混凝土相比,具有保温隔热、吸水率小、价格低廉、便于施工、易于切割和安装等优点。同时,随着EPS混凝土中掺入成分不同会影响其热工性能及其力学性能[6-11]。在未来的建筑节能领域中,EPS混凝土具有非常广阔的发展前景和应用空间,在工程应用领域越来越被重视。本文借助电液伺服万能试验机研究了不同EPS颗粒含量(0、20%、30%、40%)与不同EPS颗粒粒径(1 mm、2 mm、3 mm、4 mm)对EPS混凝土抗压强度的影响,为其工程应用提供参考。

1 试件的材料与制备

1.1 试件材料

试验所采用的水泥为42.5级中联复合硅酸盐水泥;粗骨料为粒径4.75～19 mm的石子,其表观密度为2667 kg/m3,含泥量为0.3%;细骨料为0.15～4.75 mm的干河沙,其细度模数为2.5,表观密度为2608 kg/m3,含水率为0.3%;减水剂采用弗克公司所生产的聚羧酸高效减水剂粉剂。为研究不同粒径尺寸对试件性能的影响,分别选取粒径为1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、6.0 mm的EPS颗粒进行EPS混凝土的配制。

由于EPS为有机物颗粒,其表面呈现憎水性,而胶浆是无机胶凝材料,二者相容性较差。同时由于EPS颗粒密度低,在拌制混凝土的过程中极易出现EPS颗粒上浮,造成其分布不均匀,影响EPS混凝土的力学性能与保温隔热等性能,因此需要对EPS颗粒进行改性处理。本试验采用通过添加微硅粉调整EPS颗粒与胶浆的结合。

1.2 试件制备

采用6 mmEPS颗粒,调整其在EPS混凝土中体积占比分别为0、20%、30%、40%,以研究不同EPS掺量对EPS混凝土强度的影响(试件命名为VC0、VC20、VC30、VC40)。采用1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm的EPS颗粒进行试件制备,以研究EPS颗粒粒径对EPS混凝土强度的影响(试件命名为PS1、PS2、PS3、PS4)。EPS混凝土的配比如表1。

本次试验所采用的试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。试件制备时,首先将砂与水泥混合搅拌,然后加入石子待搅拌均匀后加一半的水形成砂浆。接下来将微硅粉与EPS颗粒加入砂浆中拌合3 min,最后将减水剂加入剩余水后放入砂浆中搅拌均匀,制备完成EPS混凝土。将制备好的EPS混凝土放入模具振捣成型后脱模养护形成试件。

2 结果与分析

采用电液伺服万能试验机对EPS混凝土进行静态压缩试验。该试验参照《聚苯乙烯颗粒泡沫混凝土》(JC/T2458-2018)的具体要求进行,每组对3个试件进行试验,分别研究EPS颗粒含量与EPS粒径对EPS混凝土静态力学性能的影响。

2.1 EPS颗粒含量对EPS混凝土力学性能影响

2.1.1 应力-应变曲线分析

结合试验数据,不同EPS颗粒含量混凝土的应力-应变如图1所示。由图1可知,该变形过程可以分为压密阶段-弹性阶段-塑性阶段-破坏阶段4个阶段。

由于试件表面不是纯平状态,存在局部受力不均的情况。且由于试件中存在一定的微空隙,加载初期承载力增加较为缓慢但变形较大,试件处于被压密状态。随加载持续,混凝土的骨料和水泥结晶体会产生弹性变形,应力增长较快。继续加载,混凝土的水泥胶体会逐渐产生黏性流动,内部会产生微裂缝。随黏性流动和微裂缝的不断发展,其应力增长速度放缓,曲线呈现上凸形态。当达到峰值载荷后,试件中承受的应变能迅速释放,其承载能力迅速降低。试验机突然恢复的变形击溃试件的内部结构,试件被破坏。不同EPS颗粒含量混凝土试件破坏后其残余应力区别不大。

2.1.2 强度分析

不同EPS颗粒体积含量试件的抗压强度值如表2所示。通过试验结果可知,没有填充EPS的混凝土试件的抗压强度为25.4 MPa, EPS颗粒体积在混凝土中占比分别为20%、30%、40%的EPS混凝土试块强度分别降低了9.4%、26.8%、33.1%。同时,随EPS颗粒含量的增加,EPS混凝土的密度降低, EPS混凝土的密度分别比混凝土降低了7.4%、15.1%、16.8%。将试验得到的抗压强度与密度进行拟合(如图2、图3所示),可以得到抗压强度与EPS混凝土密度间的关系为

图2 抗压强度和密度随EPS含量变化关系

图3 抗压强度随密度变化关系

表2 抗压强度试验结果

式中:σ是EPS混凝土的抗压强度;ρ是EPS混凝土的密度 (kg/m3)。

2.1.3 破坏现象分析

不同EPS颗粒体积含量试件的破坏现象如图4所示。EPS颗粒体积含量为20%时,试块的破坏过程、形态与未填充EPS颗粒试块相似。试块首先出现斜向裂缝,随加载增加,裂缝不断扩大,最终出现碎块崩塌脱落。试件破坏后,去掉周围崩落的混凝土,试件呈现两个对顶的角锥形。这是由于试验机进行竖向加载时,试件竖向压缩,横向扩张。因受摩擦力的约束,混凝土试件在与压力机垫板接触位置的横向变形较小,中间约束弱,横向变形大。随EPS颗粒体积含量的增加,裂缝逐渐以竖向为主,随压缩不断扩展,最终未出现碎块崩塌现象,主要为贯穿式裂缝,逐渐展现出延性破坏的特征。

a. EPS颗粒含量为0;b. EPS颗粒含量为20%;c. EPS颗粒含量为30%; d. EPS颗粒含量为40%

2.2 EPS颗粒粒径对EPS混凝土力学性能影响

不同EPS颗粒粒径混凝土的相关实验结果如图5所示。由图5可知,试件在变形过程中仍旧保持压密阶段-弹性阶段-塑性阶段-破坏阶段4个阶段。抗压强度和密度随EPS颗粒粒径变化关系如图6所示。相比EPS颗粒含量,EPS颗粒粒径对EPS混凝土的密度及力学性能影响较小。整体而言,随EPS颗粒粒径的增加,EPS混凝土的抗压强度有所降低。在EPS颗粒含量不变的情况下,小粒径EPS能够更均匀地分布于混凝土中,并且更有利于对石子间的空隙进行填充,EPS混凝土内部更加饱满。

图5 不同EPS颗粒含量混凝土应力-应变曲线

图6 抗压强度和密度随EPS颗粒粒径变化关系

不同EPS颗粒粒径试件的破坏现象如图7所示。不同EPS颗粒体积含量的EPS混凝土破坏现象相似。裂缝逐渐以竖向为主,随压缩不断扩展,最终未出现碎块崩塌现象,主要为贯穿式裂缝,逐渐展现出延性破坏的特征。

a. EPS颗粒含量为0; b. EPS颗粒含量为20%;c. EPS颗粒含量为30%; d. EPS颗粒含量为40%

3 结论

本文借助微机控制电液伺服万能试验机试验研究了不同EPS颗粒含量(0、20%、30%、40%)与不同EPS颗粒粒径(1 mm、2 mm、3 mm、4 mm)对EPS混凝土抗压强度的影响。通过对试验数据进行整理,得到以下结论:

(1)EPS混凝土的受压变形过程可以分为压密阶段-弹性阶段-塑性阶段-破坏阶段4个阶段。随EPS颗粒含量的增加,EPS混凝土的密度降低,强度也随之降低。相比EPS颗粒含量,EPS颗粒粒径对EPS混凝土的密度及力学性能影响较小。

(2)EPS混凝土的破坏方式与EPS颗粒含量相关,随EPS颗粒体积含量的增加,裂缝逐渐以竖向为主,随压缩不断扩展,最终未出现碎块崩塌现象,主要为贯穿式裂缝,逐渐展现出延性破坏的特征。EPS颗粒粒径对EPS混凝土的破坏方式影响不大。