EPS混凝土試驗(yàn)、本構(gòu)模型及節(jié)能評(píng)價(jià)研究

劉嫄春

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080）

（作者電子信箱，劉嫄春：yuanchun＿liu＠126．com）

發(fā)泡聚苯乙烯（expanded polystyrene，簡(jiǎn)稱EPS）混凝土是一種新型節(jié)能建筑材料。由于利用廢棄的塑料泡沫作為主要骨料代替混凝土中的部分沙石，所以具有輕質(zhì)、保溫、節(jié)能、利廢、環(huán)保的特性，EPS混凝土的材料研發(fā)與工程應(yīng)用在建筑領(lǐng)域和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中固體廢棄物回收利用方面逐漸成為研究熱點(diǎn)。本文在國(guó)內(nèi)外EPS混凝土前期工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)東北地區(qū)建筑高能耗問(wèn)題，從宏觀、粗觀、細(xì)觀、微觀4個(gè)層次對(duì)EPS混凝土的材料組成、結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了深入的研究，制備一種適用于東北地區(qū)的EPS混凝土材料，進(jìn)行EPS混凝土的配比及各項(xiàng)性能試驗(yàn)，并建立了該EPS混凝土的損傷本構(gòu)模型，為EPS混凝土在東北地區(qū)的工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。針對(duì)東北地區(qū)的氣候環(huán)境，構(gòu)建了適用于東北嚴(yán)寒地區(qū)的建筑節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為對(duì)東北地區(qū)的建筑節(jié)能做出更加科學(xué)的評(píng)價(jià)提供了有利工具，有利于促進(jìn)建筑節(jié)能技術(shù)和新型建筑節(jié)能材料在東北地區(qū)的推廣應(yīng)用。本文的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

首先，對(duì)不同配比的EPS混凝土進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得出EPS混凝土抗壓強(qiáng)度與EPS混凝土密度之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)EPS混凝土的各組成成分對(duì)其力學(xué)性能的影響分別進(jìn)行了研究。分析了不同EPS顆粒粒徑大?。?～3mm、3～6mm），不同體積含量（56%、64%、67%）對(duì)EPS混凝土性能的影響。研究了不同硅灰摻量（1%、10%、18%）對(duì)EPS混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。加入不同比例的聚丙烯纖維的EPS混凝土的試驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯纖維最優(yōu)摻入量為1．3～2．0kg／m3?；诓煌冶葘?duì)抗壓強(qiáng)度影響的分析結(jié)果，建立了可用于配合比設(shè)計(jì)的EPS混凝土強(qiáng)度模型。對(duì)不同強(qiáng)度的EPS混凝土單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系特征進(jìn)行了分析，對(duì)于強(qiáng)度較低的EPS混凝土的整個(gè)壓縮曲線表現(xiàn)出明顯的3個(gè)不同的階段：彈性階段、坍塌平臺(tái)階段、應(yīng)變軟化階段；對(duì)于強(qiáng)度大于3MPa的EPS混凝土，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線可以概括為彈性、強(qiáng)化、軟化3個(gè)階段。通過(guò)掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)EPS混凝土的微觀形貌進(jìn)行表征，揭示了EPS混凝土受力破壞機(jī)理以及聚丙烯纖維的增強(qiáng)作用機(jī)理。通過(guò)快速凍融試驗(yàn)與濕遷移試驗(yàn)對(duì)EPS混凝土的耐久性能進(jìn)行了研究。通過(guò)X射線衍射化學(xué)成分分析試驗(yàn)確定了EPS混凝土的主要化學(xué)成分。

其次，在連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和經(jīng)典塑性力學(xué)的理論框架下，基于混凝土損傷本構(gòu)模型的研究基礎(chǔ)，給出了EPS混凝土彈塑性損傷本構(gòu)模型。通過(guò)確定合適的損傷變量，基于彈性Helmholtz自由能建立損傷本構(gòu)方程，在有效應(yīng)力空間定義屈服面來(lái)考慮塑性變形，進(jìn)行了彈塑性損傷本構(gòu)模型的基本公式的推導(dǎo)，用試驗(yàn)結(jié)果確定模型參數(shù)，給出了單軸受壓／受拉情況下EPS混凝土材料的損傷演化方程、塑性變形的計(jì)算公式和損傷本構(gòu)方程，通過(guò)與EPS混凝土單調(diào)加載作用下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)EPS混凝土彈塑性損傷模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，EPS混凝土材料的損傷演化行為可以被該模型較好地描述。

再次，把EPS混凝土看作由EPS圓形骨料和砂漿基體組成的兩相復(fù)合材料進(jìn)行細(xì)觀數(shù)值模擬研究，建立兩種不同的EPS骨料分布模型，分析EPS骨料的變形和相對(duì)位置對(duì)EPS混凝土應(yīng)力分布的影響。通過(guò)數(shù)值模擬與理論公式的推導(dǎo)揭示了EPS混凝土單軸受壓破壞的機(jī)理。根據(jù)不同時(shí)間步的應(yīng)力分布圖，分析了EPS混凝土在強(qiáng)化階段、軟化階段的裂縫形式。

最后，運(yùn)用模糊綜合評(píng)定的系統(tǒng)工程方法，考慮新型節(jié)能材料在現(xiàn)代建筑中的使用和對(duì)建筑節(jié)能的影響，依據(jù)東北地區(qū)氣候特征，進(jìn)行建筑節(jié)能指標(biāo)分析，建立東北嚴(yán)寒地區(qū)建筑節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行試評(píng)價(jià)說(shuō)明該評(píng)價(jià)方法的可操作性。