发泡聚苯乙烯增强泡沫混凝土的稳定性和力学性能研究

Study on Stability and Mechanical Properties of Foam Concrete Reinforced by Expanded Polystyrene

摘要

将不同颗粒的发泡聚苯乙烯（EPS）加入泡沫混凝土，研究EPS填充型泡沫混凝土复合材料的性能。结果表明：相较大颗粒EPS，掺入小颗粒EPS，泡沫混凝土的表观密度和吸水率降低幅度更大，气孔孔隙率增加幅度更高，且抗折强度和抗压强度降低幅度较小，导热系数降低更多，延缓泡沫混凝土的干燥收缩。在小颗粒EPS质量分数量为3%时，表观密度为463 kg/m³，孔隙率为63%，较空白组增加43.18%，抗折强度和抗压强度高达2.43 MPa和7.1 MPa，导热系数为0.108 1 W/（m·K），表明适量掺入小颗粒EPS有效提升了泡沫混凝土的稳定性和力学性能。

关键词

聚苯乙烯 / 泡沫混凝土 / 力学性能 / 保温性能

Key words

Polystyrene / Foam concrete / Mechanical properties / Thermal insulation performance

泡沫混凝土具有密度小、轻质、低成本和保温性能好等众多优势，目前已经发展成为市场上备受关注的新型建筑材料^[1]。传统的泡沫混凝土的主要由水泥、发泡剂及粉煤灰等制成。在实际使用过程中，泡沫混凝土中泡沫的不稳定性导致泡沫混凝土稳定性和力学性能不佳，泡沫混凝土倾向于坍塌或其中的小孔容易汇聚成大的连通孔，使抗压强度及保温性能受到极大影响。因此，选用有效的方法稳定泡沫可以提升泡沫混凝土的力学和保温性能。

发泡聚苯乙烯(EPS)颗粒是一种常见的轻质保温颗粒，材料内部存在大量的封闭细微空腔，导致其表观密度低，疏水性强，保温性能佳，因此在泡沫混凝土中加入EPS颗粒是一种低成本、直接的改性方法，可以提高泡沫的稳定性。陈杨柳^[2]发现，添加EPS制备的泡沫混凝土填充墙的保温性能得到有效提升。刘翔宇等^[3]发现，添加EPS颗粒可以有效增强聚乙烯醇(PVA)纤维泡沫混凝土的内保温性能和强度。CHUNG等^[4]发现，EPS聚集体在材料中的尺寸或聚集程度显著影响材料的性能，对于EPS集料排列规则的试样，较小的EPS粒径有助于提高材料的抗压强度，且在固定的EPS集料体积比下，随着EPS粒径的减小，热导率降低。该研究表明，EPS颗粒尺寸对复合物材料的力学性能及保温性能的影响存在差异。但是，目前尚缺乏不同粒径的EPS掺量对泡沫混凝土稳定性和力学性能影响的研究。

本实验选用不同粒径的EPS颗粒制备泡沫混凝土，研究其掺量对泡沫混凝土气孔特性、力学性能及保温性能等的影响，为拓展泡沫混凝土的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

发泡剂，K12，CAS:151-21-3，中轻化工股份有限公司；水泥，P·O 42.5，广东清新水泥有限公司；小颗粒EPS，平均粒径2.5~3.5 mm，密度14.33 kg/m³，河间市超磊保温材料公司；大颗粒EPS，平均粒径5.5~6.5 mm，密度16.21 kg/m³，河间市超磊保温材料公司。

1.2 仪器与设备

水泥搅拌机，HX-15，沈阳建工仪器设备厂；TA热导率仪，FOX 200，北京五洲东方科技发展有限公司；万能试验机，WE-100B，浙江中科仪器有限公司；电子显微镜，PH100，凤凰光学公司。

1.3 样品制备

表1为EPS增强泡沫混凝土配方。按表1配方，使用发泡机生成泡沫剂泡沫备用；按比例称量各原材料，并进行干混搅拌；依次加入水、外加剂、EPS颗粒和泡沫剂泡沫，分别搅拌均匀；最终将浆体制备成1 000 mm³的立方体，养护1个月后进行测试。

1.4 性能测试与表征

表观密度测试：采用排水法进行测试。

吸水率测试：按JG/T 266—2011进行测试。

气孔特性的测试：将试样中间锯断，后通过400目的砂纸依次打磨，除去表面粉体之后，在电子显微镜下放大100倍，获取照片，通过imageJ软件计算孔隙率和平均孔径。

力学性能的测试：按JG/T 266—2011进行测试，将养护之后的试样在烘箱中烘干至恒重后，采用万能试验机测定试样的抗压强度和抗折强度，加载速度设定为0.5 kN/s。

导热系数的测试：按GB/T 10294—2008，采用热流计量法进行测试，测定范围为0.1~10 W/(m·K)。

干燥收缩性能测试：参照吴少财^[5]的方法进行测定，测定龄期设定为56 d，收缩率计算公式为：

收缩率=(L _t-L ₀)/L ₀ (1)

式(1)中：L ₀为初始长度，mm；L _t为对应龄期的长度，mm。

2 结果与讨论

2.1 EPS对泡沫混凝土的表观密度和吸水率的影响

相对于发泡剂，EPS颗粒的主要优点是其具有良好的稳定性，因此本实验通过对泡沫混凝土表观密度和吸水率的分析，探究EPS掺量对其稳定性的影响。图1为EPS颗粒掺量对泡沫混凝土表观密度和吸水率的影响。从图1可以看出，不同粒径的EPS掺入泡沫混凝土中之后，泡沫混凝土的表观密度先降低后小幅增加，吸水率不断降低；其中添加小颗粒降低的程度较大。这主要是由于大颗粒EPS掺入泡沫混凝土中时，受到浮力和内聚剪切的影响，更容易漂浮^[6]，这对泡沫混凝土内部孔隙的分布造成不利影响，导致EPS颗粒周围产生较大的孔径，增加了吸水率。从表观密度的变化来看，当EPS颗粒质量分数超过3%时，泡沫混凝土的表观密度均有不同程度增加，在此掺量下，大颗粒和小颗粒EPS制备的泡沫混凝土的表观密度分别为480 kg/m³和463 kg/m³。由此可以看出，相对于大颗粒EPS，适量掺入小颗粒EPS可以增强其与泡沫混凝土的相容性，提高泡沫混凝土的稳定性。

2.2 EPS对泡沫混凝土的气孔特性的影响

当泡沫混凝土的密度一定时，较高的孔隙率或者较低的孔径表示其抗压强度高，导热系数小^[7-8]。图2为EPS掺量对泡沫混凝土气孔特性的影响。从图2a可以看出，随着不同类型EPS颗粒掺量的增加，泡沫混凝土的孔隙率呈现先增加后降低的趋势，其中添加小颗粒EPS后，孔隙率的增加趋势较为明显。在EPS质量分数为3%时，大颗粒和小颗粒EPS制备的泡沫混凝土的孔隙率分别达到60%和63%，分别较未掺入混凝土的增加36.36%和43.18%。从图2b可以看出，随着EPS颗粒掺量的增加，泡沫混凝土的平均孔径呈现先降低后平稳变化的趋势，其中，小颗粒EPS导致其平均孔径的降低更加明显，且在EPS颗粒质量分数为3%时，大颗粒和小颗粒EPS制备的泡沫混凝土的平均孔径分别达到183.6 μm和176.4 μm。由此可以看出，添加适量EPS颗粒可以有效改善泡沫混凝土的气孔特性，尤其小颗粒EPS可以有效改善泡沫混凝土中气孔的密度和分布。这主要是由于适量的小颗粒EPS导致浆体的流变性增强，导致EPS均匀地分散其中，浆体的黏度较小。而在这种情况下，浆体对发泡剂的挤压程度较低，导致其中的气泡不容易被破坏，不仅有利于保障气泡的完整性，同时还能够增加小气泡的数量^[9-10]。但是，也可以发现，当过量掺入EPS颗粒之后，不管是小颗粒还是大颗粒，都会使泡沫混凝土的气泡受到影响。这主要是由于过量的EPS颗粒，尤其是大颗粒EPS，可导致浆体的流变性过高，EPS颗粒在其中出现部分分层和上浮^[11]，分布不均，且导致一些发泡剂被挤压，因此不利于气泡在浆体中的稳定性。由此可以看出，适量添加小颗粒EPS可有效提升气泡在泡沫混凝土浆体中的稳定性。

2.3 EPS对泡沫混凝土力学性能的影响

泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度决定其使用范围和等级。图3为EPS掺量对泡沫混凝土抗压强度和抗折强度的影响。从图3可以看出，在EPS颗粒质量分数为0~3%范围内时，随着EPS颗粒掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度有所降低，且当超过2%时急剧下降。在EPS质量分数为2%条件下，大颗粒和小颗粒EPS制备的泡沫混凝土的抗压强度分别达到2.40 MPa和2.43 MPa，抗折强度分别为6.8 MPa和7.1 MPa。这和2.2中指出的小颗粒改善泡沫混凝土气孔特性息息相关，高密度的小气孔更容易让泡沫混凝土遭受外部压力时避免应力集中^[12-13]，从而使材料抗折强度和抗压强度较为优异。

2.4 EPS对泡沫混凝土的导热系数的影响

图4为EPS掺量对泡沫混凝土导热系数的影响。从图4可以看出，随着EPS颗粒掺量的增加，泡沫混凝土的导热系数均出现不同程度的降低，且在EPS质量分数为3%时达到最低，在此掺量下，大颗粒和小颗粒EPS制备的泡沫混凝土的导热系数分别为0.108 1、0.103 1 W/(m·K)，这可能和EPS颗粒自身的热性能有关。这主要是由于掺入小颗粒EPS之后，泡沫混凝土中形成了较多的小气孔，导致热量在其中传播的过程中路径变长^[14-15]，从而降低其导热系数。同样，其他研究也得出类似的结论，即EPS掺入会导致泡沫混凝土的导热系数降低^[16-17]。同时，这也和小颗粒EPS掺入之后大幅度降低泡沫混凝土的吸水率息息相关。由此可以看出，适量掺入小颗粒的EPS在提升泡沫混凝土的保温性能方面发挥作用。

2.5 EPS对泡沫混凝土的干燥收缩率的影响

图5为不同龄期不同泡沫混凝土试样的干燥收缩情况。从图5可以看出，对试样进行56 d的干燥处理之后，不同试样均出现不同程度的收缩。这主要是由于后期混凝土完全硬化，其中的自由水分布较少，导致其变化趋缓，这和XU等^[18]的研究结果相似。随着不同颗粒大小EPS掺量的增加，EPS混凝土的干燥收缩率呈现增加的趋势。主要是由于EPS颗粒的物理性质，减少了刚性骨料的比例，改变了内部结构、吸水和失水过程以及界面过渡区的影响。掺入小颗粒的EPS之后，导致EPS混凝土干燥收缩率的增加幅度较小，这主要是小颗粒的EPS颗粒多且在混凝土中的分散性增强，延长水分在其中的扩散路径，增加水分的迁移难度，因此有效减少和避免其中的水分蒸发，降低了收缩率^[19]。从以上结果可以看出，相对于大颗粒EPS，小颗粒EPS掺入之后对延缓泡沫混凝土的干燥收缩、提升其稳定性有一定的作用。

3 结论

随着不同大小EPS颗粒掺量的增加，泡沫混凝土的表观密度先降低后小幅增加，吸水率不断降低；孔隙率先上升后小幅降低，而平均孔径先降低后平稳变化；抗折强度和抗压强度均下降；导热系数先降低后上升。相较于大颗粒EPS，掺入小颗粒EPS造成泡沫混凝土的表观密度和吸水率降低幅度更大，气孔孔隙率增加幅度更高，且抗折强度和抗压强度下降幅度较小，导热系数降低更多，延缓泡沫混凝土的干燥收缩。在小颗粒EPS质量分数为3%时，表观密度为463 kg/m³，孔隙率为63%，较空白样品增加43.18%，同时抗折强度和抗压强度高达2.43 MPa和7.1 MPa，导热系数为0.108 1 W/(m·K)，表明适量掺入小颗粒EPS有效提升了泡沫混凝土的稳定性和力学性能。

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