EPS混合土的物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

姜勇，何明勝，張閃勛

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003）

對(duì)新疆屬于寒冷且地震多發(fā)地，本課題組提出了保溫砌模輕質(zhì)混凝土空心砌塊混合生土復(fù)合墻體這一新型結(jié)構(gòu)［1－2］。這種墻體是以陶?；炷量招钠鰤K為外模，將EPS混合土澆筑到外模砌塊孔洞中，使外模內(nèi)芯形成一個(gè)整體。因其內(nèi)芯是一個(gè)整體，故具有較好的抗震性能，外模和內(nèi)芯共同承擔(dān)壓力，具有良好的承壓性。通過(guò)二者結(jié)合，克服了各自的不足，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)。此種結(jié)構(gòu)型式具有節(jié)能、抗震、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，非常適合新疆地區(qū)的村鎮(zhèn)建筑。

聚苯乙烯輕質(zhì)混合土是一種新型的填土材料，由原土料、聚苯乙烯（expanded polystyrene，簡(jiǎn)稱EPS）顆?；蚴菑U泡沫塑料、水泥和水的混合物組成。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，日本等國(guó)就已開(kāi)發(fā)研制了輕質(zhì)填土即聚苯乙烯輕質(zhì)混合土和氣泡輕量混合土，其具有輕量性、快硬性、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在軟弱地基處理、滑坡處理、陡坡地區(qū)施工、拓寬填土施工、管道填埋等許多方面［3］。采用輕質(zhì)混合土加固公路地基，可以減少沉降，縮短工期，降低造價(jià)；在管道工程中使用，施工方便，不需要壓實(shí)［4］。我國(guó)在這方面的研究起步較晚，馬時(shí)冬對(duì)采用中砂作為粗骨料的輕質(zhì)填土進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)研究［5］。但聚苯乙烯輕質(zhì)混合土在墻體建筑中的應(yīng)用尚缺乏研究。

何明勝等［1－2］研究了苯乙烯輕質(zhì)混合土和輕質(zhì)陶?；炷恋淖顑?yōu)配合比［1］，以及二者組合到一塊的砌塊抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度［2］。這些研究表明該新型復(fù)合砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于燒結(jié)粘土磚砌體。在前期研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合砌塊試件養(yǎng)護(hù)成型后EPS輕質(zhì)混合土與空心砌塊之間存在裂縫（脫開(kāi)現(xiàn)象），影響該復(fù)合砌塊組合受力性能。其原因是由于EPS輕質(zhì)混合土干縮變形較大引起，因此，需要添加減水劑和膨脹劑，而這2種添加劑可能對(duì)EPS混合土的強(qiáng)度有影響；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，初始預(yù)壓應(yīng)力對(duì)EPS混合土試件變形、密度和強(qiáng)度都具有較大的影響。因此，本實(shí)驗(yàn)在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，以減水劑、膨脹劑和預(yù)壓應(yīng)力為影響因素，進(jìn)行9組（27個(gè)）立方體試塊試驗(yàn)，分析這些因素對(duì)該復(fù)合砌塊中EPS混合土內(nèi)芯抗壓強(qiáng)度、密度和體積變形的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 輕質(zhì)混合土的原料和特點(diǎn)

試驗(yàn)所用原料土為新疆石河子市石河子大學(xué)北區(qū)東面1～3 m深處采集土樣［6］，其物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。水泥采用石河子開(kāi)發(fā)區(qū)青松天業(yè)水泥有限公司生產(chǎn)的標(biāo)號(hào)為32.5R的復(fù)合硅酸鹽水泥；EPS（發(fā)泡級(jí)聚苯乙烯）采用江蘇嘉盛化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的嘉昌牌EPS（阻燃級(jí)C－104）顆粒粒徑為3 mm～5 mm；水為清潔自來(lái)水；減水劑采用新疆石河子市黎仙建材廠生產(chǎn)的早強(qiáng)減水劑；膨脹劑采用KD－2型混凝土膨脹劑。

土樣的主要物理性質(zhì)為：含水率1.95%，濕密度1.80 g／cm3，液限25.0%，塑限18.1%，塑性指數(shù)6.9。

1.2 試樣制作

試件各基礎(chǔ)組成材料配合比，根據(jù)本課題組前期研究結(jié)論中的最優(yōu)配合比［7］，即以土的質(zhì)量為100，其它組成材料按占土的質(zhì)量比確定，水泥用量30、EPS用量1、水用量30。

首先，將晾曬好的原料土、水泥和添加劑拌勻，然后加入EPS顆粒，再加水?dāng)嚢璩删鶆虻臐{體，采用分層壓實(shí)層層預(yù)壓的成型方法，壓入150 mm×150 mm×150 mm的模具內(nèi)，養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期。

將達(dá)到齡期的試樣取出，用1／500游標(biāo)卡尺測(cè)量試件的尺寸，精度為0.001 kg的電子天平稱量試件的重量，在型號(hào)為YAW－5000F的微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)將預(yù)壓應(yīng)力（A）、減水劑摻入量（B）、膨脹劑摻入量（C）作為試驗(yàn)的影響因素，采用三因素三水平做正交試驗(yàn)，具體的因素水平見(jiàn)表1，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表1 因素水平表Tab.1 Factor and level table

表2 L9（34）試驗(yàn)方案Tab.2 L9（34）test plan

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，極差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 正交試驗(yàn)的結(jié)果Tab.3 The result of orthogonal text

表4 極差計(jì)算結(jié)果Tab.4 The result of range calculation

2.2 結(jié)果的分析

2.2.1直觀分析

根據(jù)課題要求本次正交試驗(yàn)的3個(gè)指標(biāo)是EPS混合土的密度、尺寸和抗壓強(qiáng)度，其復(fù)合砌塊的具體要求如下：內(nèi)芯聚苯乙烯輕質(zhì)混合土的密度不大于1.2 g／cm3，尺寸要求不小于15 cm，抗壓強(qiáng)度不小于1.8 MPa。

由表4直觀分析可見(jiàn)：影響密度的主要因素為預(yù)壓力，減水劑和膨脹劑的添加對(duì)密度影響很小，可以忽略。

為便于分析各因素對(duì)試驗(yàn)尺寸和強(qiáng)度的影響，將各因素及水平數(shù)據(jù)繪成曲線圖，如圖1、2所示。

由圖1可見(jiàn)：試件的尺寸隨著預(yù)壓力的增加、減水劑摻入量和膨脹劑摻入量的增加而增加。其中由圖1a和圖1c可知：預(yù)壓力與膨脹劑參量與試件尺寸的增量基本呈現(xiàn)線性關(guān)系且預(yù)壓力的增長(zhǎng)速率較快。由圖1b可知：試件尺寸隨減水劑的增加先快速增加當(dāng)增加到2.5%后繼續(xù)增加減水劑參量對(duì)試件尺寸增量貢獻(xiàn)不大。

由圖2a可知：試件的強(qiáng)度隨著預(yù)壓應(yīng)力的增加前期快速增加，當(dāng)預(yù)壓力大于13.3 k Pa后增加預(yù)壓應(yīng)力對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度增量影響不大。

由圖2b和圖2c知：少量添加減水劑和膨脹劑能提高試件的抗壓強(qiáng)度，但當(dāng)減水劑參入量大于2.5%，膨脹劑參量大于4%后試件的抗壓強(qiáng)度隨著添加劑的增加而減小。

2.2.2方差分析

為分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于試驗(yàn)條件的改變所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)與試驗(yàn)誤差所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)嚴(yán)格區(qū)分，以及判斷所考察的因素的作用是否明顯，采用方差分析法對(duì)以上試驗(yàn)進(jìn)行分析。分析結(jié)果見(jiàn)表5。

圖1 各因素與試件尺寸之間的關(guān)系Fig.1 The relationship between factors and dimensions of test pieces

圖2 各因素與試件抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)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：預(yù)壓力與膨脹劑對(duì)試件尺寸影響較大，減水劑基本上沒(méi)有影響；預(yù)壓力與減水劑對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度影響顯著，膨脹劑對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度基本無(wú)影響。這與極差分析的結(jié)果一致。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析綜合本課題要求，在滿足本課題要求的前提下盡可能提高試件的強(qiáng)度。因此，本實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)組合為A3B2C2，預(yù)壓應(yīng)力為：17.8 k Pa，添加劑的添加量分別為：減水劑2.5%，膨脹劑4%。

3 結(jié)論

（1）聚苯乙烯輕質(zhì)混合土的密度隨著預(yù)壓力的增加而增加，添加劑的添加對(duì)試件的密度基本沒(méi)影響。

（2）聚苯乙烯輕質(zhì)混合土抗壓強(qiáng)度主要取決于預(yù)壓力和減水劑。預(yù)壓力在8.9～13.3 k Pa時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度顯著增加，當(dāng)預(yù)壓力大于13.3 k Pa后試件強(qiáng)度有所增加，但增加不再顯著；減水劑摻量在1%～2.5%范圍時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度顯著增加，當(dāng)摻量大于2.5%后試件的抗壓強(qiáng)度隨著減水劑摻量的增加而降低。膨脹劑對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度影響不大，但膨脹劑的摻量大于4%時(shí)對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度有一定損傷。

3）各因素對(duì)聚苯乙烯輕質(zhì)混合土尺寸影響的程度由大到小依次為：預(yù)壓力＞膨脹劑＞減水劑，其中預(yù)壓力和膨脹劑對(duì)試件尺寸影響顯著。但考慮到隨著添加劑摻量的增加對(duì)試件抗壓強(qiáng)度有一定損傷，添加劑的摻量不宜過(guò)大，試驗(yàn)結(jié)果表明減水劑摻量不大于2.5%，膨脹劑摻量不大于4%。

4）本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)組合為：預(yù)壓力17.8 k Pa，減水劑摻量2.5%，膨脹劑摻量4%。

［1］眭小龍.新型保溫輕質(zhì)混凝土空心砌塊——生土復(fù)合砌塊抗剪性能研究［D］.石河子：石河子大學(xué)，2012.

［2］付小健.新型保溫輕質(zhì)混凝土空心砌塊——生土復(fù)合砌塊抗壓性能研究［D］.石河子：石河子大學(xué)，2012.

［3］張小平，包承綱，李進(jìn)軍.泡沫輕質(zhì)材料在巖土工程中的應(yīng)用［J］.巖土工程技術(shù)，2000（1）：58－62.

［4］董金梅，劉漢龍，高玉峰等.聚苯乙烯輕質(zhì)混合土抗壓強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25（12）：1964－1968.

［5］馬時(shí)冬.聚苯乙烯泡沫塑料輕質(zhì)填土（s Ls）的特性［J］.巖土力學(xué)，2001，22（2）：245－248.

［6］付小建，何明勝，眭小龍，夏多田.聚苯乙烯輕質(zhì)混合土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.新型建材，2011（12）：42－44.

［7］眭小龍，何明勝，付小建.基于正交試驗(yàn)的EPS混合土抗壓強(qiáng)度的研究［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，29（2）：253－256.