內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫(kù)防蒸發(fā)的EPS輕質(zhì)混凝土試驗(yàn)研究

內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫(kù)防蒸發(fā)的EPS輕質(zhì)混凝土試驗(yàn)研究

宋興亮， 侍克斌， 嚴(yán)新軍, 信玉良, 董秀斌

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊830052)

摘要：內(nèi)陸干旱區(qū)年蒸發(fā)量大，通過(guò)研制一種干硬后可漂浮于水面的輕質(zhì)混凝土，后期將其制成板狀結(jié)構(gòu)覆蓋于水庫(kù)水體之上，將大大減少平原水庫(kù)的無(wú)效蒸發(fā)，以期達(dá)到節(jié)水目的。EPS(聚苯乙烯泡沫塑料Expanded polystyrene sphere)是一種穩(wěn)定的、不吸水的、憎水性的、封閉式的超輕顆粒,用以取代混凝土的粗集料和細(xì)集料，通過(guò)加入適量的粉煤灰、高效引氣減水劑和對(duì)施工工藝的改良，可改善EPS顆粒與水泥漿體的黏結(jié)性，按照試驗(yàn)前事先制定好的要求，可制得表觀密度<500 kg/m3、抗折強(qiáng)度>1.5 MPa的EPS輕質(zhì)混凝土。該混凝土制成板可應(yīng)用于內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫(kù)的防蒸發(fā)節(jié)水技術(shù)上。

關(guān)鍵詞：內(nèi)陸干旱區(qū)；EPS；輕質(zhì)混凝土；防蒸發(fā)；節(jié)水

中圖分類號(hào)：TU528.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2013-10-21；修回日期：2013-12-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD25B04，2012BAD08B01)

作者簡(jiǎn)介：屈瑾(1990-)，女，甘肅白銀人，碩士研究生，主要從事混凝土數(shù)值模擬的研究，(電話)18629576680(電子信箱) latika124qj@163.com。

通訊作者：婁宗科(1962-)，男，陜西鳳翔人，教授，主要從事水工材料耐久性方面的教學(xué)與研究，(電話)13572412289(電子信箱) slxlzk@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.025

1研究背景

世界上有相當(dāng)一部分區(qū)域都屬于內(nèi)陸干旱區(qū)，這些區(qū)域的基本特征是年降水量小、年蒸發(fā)量大。在該區(qū)域有許多平原水庫(kù)，其特點(diǎn)是面積大、水深小、水庫(kù)無(wú)效蒸發(fā)損失很大。例如在新疆已建的477座水庫(kù)中，絕大多數(shù)都為平原水庫(kù)，這些水庫(kù)的總庫(kù)容約為59.3×108m3。根據(jù)已有研究成果估算，新疆水庫(kù)的年蒸發(fā)量為26.1×108m3，年滲漏量為8×108m3，合計(jì)每年損失水量約34.1×108m3[1-2]。

針對(duì)內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫(kù)無(wú)效蒸發(fā)損失很大的特點(diǎn)，旨在尋求符合我國(guó)國(guó)情，在現(xiàn)有科技、工藝和材料水平條件下，研制出一種在風(fēng)浪條件下，滿足防滲、抗風(fēng)、抗凍、抗老化、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、廉價(jià)，抑制蒸發(fā)效果良好的固體覆蓋物材料。

早在20世紀(jì)70年代，Cook就對(duì)EPS作為混凝土的集料進(jìn)行了研究[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)EPS輕質(zhì)混凝土的研究起步相對(duì)較晚，經(jīng)過(guò)10多年的研究和探索，現(xiàn)多用于墻體保溫材料。但將其應(yīng)用于干旱區(qū)平原水庫(kù)防蒸發(fā)節(jié)水技術(shù)上鮮見(jiàn)，均處在探索階段?，F(xiàn)代社會(huì)越來(lái)越重視保護(hù)環(huán)境，廢棄的聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)由于其自身的特點(diǎn)性能穩(wěn)定，不易降解，容易產(chǎn)生“白色垃圾”，對(duì)環(huán)境污染很大。倘若采用原生或破碎后再生的EPS顆粒，將其作為骨料取代粗集料和細(xì)集料，以水泥、粉煤灰為膠結(jié)料，加入適量的高效引氣減水劑，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而制成EPS輕質(zhì)混凝土,不但可以降低能耗和減少環(huán)境污染，將其與平原水庫(kù)蒸發(fā)量大的實(shí)際情況結(jié)合起來(lái)，研制出一種可漂浮于平原水庫(kù)上的固體覆蓋物，并對(duì)該固體覆蓋物包裹一層憎水材料，可顯著減少平原水庫(kù)的無(wú)效蒸發(fā)。

要求該EPS輕質(zhì)混凝土體積密度ρ≤500 kg/m3；抗折強(qiáng)度f(wàn)≥1.50 MPa。

2試驗(yàn)配比及制作

2.1　原料與配比

EPS顆粒：采用原生EPS顆粒，新疆烏魯木齊天雄時(shí)代鋼結(jié)構(gòu)有限公司生產(chǎn)，發(fā)泡級(jí)，平均粒徑3.0 mm，堆積密度為12.2 kg/m3；水泥：采用新疆天山水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為52 MPa；采用新疆瑪納斯電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；外加劑為高效引氣減水劑、防水劑；采用實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。試驗(yàn)配方見(jiàn)表1。

2.2　試件制作

2.2.1攪拌工藝

攪拌工藝對(duì)EPS輕質(zhì)混凝土的成型、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度性能等都有著極其重要的影響。采用假設(shè)表觀密度法，通過(guò)前人的研究表明粉煤灰按膠凝材料質(zhì)量的30%替代時(shí)強(qiáng)度最大，同時(shí)質(zhì)量最輕[4]。

表1　EPS輕質(zhì)混凝土試驗(yàn)用料配方 Table 1　Proportioning of EPS light-weighted concrete

本實(shí)驗(yàn)混凝土全部采用人工拌合。首先將水泥和粉煤灰干拌5 min，待拌合均勻后加入水和高效引氣減水劑。為防止EPS顆粒飛濺，緩緩將EPS顆粒倒于水上，邊拌合邊倒，使EPS顆粒表面被水濕潤(rùn)，如此本來(lái)具有惰性特性的EPS顆粒因?yàn)樗臐駶?rùn)覆蓋而使自身也具有活性。最后再充分拌合5 min。此步非常關(guān)鍵，是筆者在大量的試件制備過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的。它可以密實(shí)混凝土的內(nèi)部，使組分均勻，大大提高混凝土的強(qiáng)度，因?yàn)槿绻苯訉⑺性霞尤氲饺萜髦袛嚢瑁珽PS顆粒因?yàn)樽陨碇亓勘容^輕，拌合過(guò)程中易四處飛濺，再加上其本身表面比較光滑不親水、活性差，導(dǎo)致EPS顆粒不能與水泥基很好地結(jié)合，最后使得混凝土整體結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度和性能降低。因此該攪拌方法是非常有效的。圖1是EPS基礎(chǔ)顆粒，圖2(a)是初拌的拌合物,圖2(b)是拌合均勻后的EPS混凝土。從圖1中可以看出,EPS顆粒分布比較均勻,沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)塊現(xiàn)象，制作的EPS混凝土質(zhì)量達(dá)到預(yù)期的要求。

該混凝土大面積推廣生產(chǎn)時(shí)，可采用全封閉式砂漿攪拌機(jī)，適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，拌合均勻。

圖1　EPS顆粒 Fig.1　EPS particles

圖2　拌合物及成型的EPS混凝土 Fig.2　Mixture materials and molded EPS

2.2.2制作工藝

將攪拌均勻的拌合物分層裝入試模，振動(dòng)時(shí)必須在混凝土上覆蓋一塊大小和混凝土上表面一樣的鐵板,避免在振動(dòng)過(guò)程中由于EPS顆粒太輕而導(dǎo)致其從混凝土表面浮出現(xiàn)象的發(fā)生[5]。振動(dòng)時(shí)間對(duì)EPS混凝土強(qiáng)度的影響也是一個(gè)非常重要的因素,時(shí)間過(guò)短孔隙比較多,各組不能很勻稱地分布,時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)使組分分層,因此要把握好振動(dòng)時(shí)間，同時(shí)控制好振動(dòng)頻率,其標(biāo)準(zhǔn)是看有沒(méi)有EPS顆粒浮出漿體表面，通過(guò)前人的研究表明振動(dòng)10 s時(shí)振動(dòng)效果最好[6]。在推廣生產(chǎn)時(shí)亦采用此振動(dòng)方法。

新拌混凝土的塌落度反映了混凝土在重力作用下克服內(nèi)部黏聚力而發(fā)生流動(dòng)的性能。由于本試驗(yàn)采用的是原生EPS，顆粒呈球形，表面較光滑，使拌合物流動(dòng)性得到改善，有利于澆搗成形。在制作過(guò)程中測(cè)得其塌落度大致在16 ～20 cm。塌落度試驗(yàn)參照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》[7]。

2.3　試件養(yǎng)護(hù)與測(cè)試

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)選用100 mm×100 mm×100 mm立方體試模,抗折強(qiáng)度試驗(yàn)選用160 mm×40 mm×40 mm長(zhǎng)方體試模,測(cè)試齡期為28 d。試件成型24 h后脫模,脫模后在試件外表面用刷子分別刷2 ～3 mm厚摻入防水劑的水泥漿，0.30，0.35，0.40，0.45水膠比的試件分別刷0.65，0.60，0.55，0.50水膠比的水泥漿，見(jiàn)圖3(a)和圖3(b)。待24 h試件表面硬化后，將其置于溫度為20±2℃、濕度為90%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期。養(yǎng)護(hù)至28 d后擦干試件表面水分，用電子秤稱其質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺測(cè)其尺寸，計(jì)算試樣體積，進(jìn)而計(jì)算出試樣密度。立方體抗壓強(qiáng)度的測(cè)試在2 000 kN的壓力機(jī)上進(jìn)行,加載速度為0.8 kN/s；抗折強(qiáng)度測(cè)試在最大負(fù)荷為500 kg的電動(dòng)抗折儀上進(jìn)行；所有試驗(yàn)連續(xù)而勻速加載。

圖3　成型后的抗折和抗壓試件 Fig.3　Specimens for flexural and compressive tests

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，EPS顆粒在混凝土攪拌過(guò)程中易產(chǎn)生離析，其與水泥漿體界面黏結(jié)力表現(xiàn)較差。因此采用了邊拌合邊倒入EPS顆粒，使EPS顆粒表面被水所濕潤(rùn)的拌制方法，以增強(qiáng)EPS顆粒和水泥漿體的黏結(jié)性。

通過(guò)圖2(b)可以看出拌制的EPS輕質(zhì)混凝土和易性、流動(dòng)性良好，沒(méi)有出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。這是由于高效引氣減水劑的引入使單位用水量大幅度減少，以及水溶性高分子化合物增加液相的黏度[8]，引氣減水劑又可明顯地降低混凝土表面張力，所以改善了新拌混凝土的和易性，減少了泌水和離析現(xiàn)象的發(fā)生。并且本實(shí)驗(yàn)全部采用的是原生EPS顆粒,其表面較光滑,顆粒呈球形,使得拌合物更易于流動(dòng)，有利于澆筑成型。加入EPS混凝土中的高效引氣減水劑能夠產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定、封閉、不易破壞、互不連通的微細(xì)氣泡,這些微細(xì)的氣泡充實(shí)了硬化后混凝土內(nèi)部的孔隙,隔斷了內(nèi)部的毛細(xì)管通道,阻礙了混凝土的吸水性和滲水作用，可大大提高EPS混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和抗鹽凍性，改善了EPS混凝土的耐久性能，并且由于此種EPS混凝土制成的板漂浮于水面上，所以承受的水壓力很小。

通過(guò)表2中的試件28 d抗壓抗折強(qiáng)度值發(fā)現(xiàn)其規(guī)律并不符合常規(guī)。在實(shí)際應(yīng)用中該EPS輕質(zhì)混凝土制成的混凝土板，在全天候的外界條件下主要承受風(fēng)浪力作用，所以主要從抗折強(qiáng)度衡量板的強(qiáng)度。而EPS顆粒和水泥漿界面的黏結(jié)強(qiáng)度很好地反應(yīng)了板的抗折強(qiáng)度。由于EPS顆粒自身易變形，具有很強(qiáng)韌性的性質(zhì)決定了其抗折抗壓強(qiáng)度規(guī)律并不滿足常規(guī)混凝土的規(guī)律。并且由于摻入高效引氣減水劑，使試件抗折強(qiáng)度有顯著的提高。

本試驗(yàn)過(guò)程尚不規(guī)范，試驗(yàn)樣本仍然存在不足的因素，并沒(méi)有找到其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度之間的規(guī)律，有待作者及后續(xù)研究人員繼續(xù)更深入細(xì)致的研究。

表2　各配合比試件的強(qiáng)度和密度 Table 2　Strength and density of specimens made of different proportions

通過(guò)試件測(cè)試其力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)EPS輕質(zhì)混凝土屬于延性破壞，不同于普通混凝土表現(xiàn)為脆性破壞。在加壓過(guò)程中荷載壓力促使EPS輕質(zhì)混凝土試件內(nèi)部產(chǎn)生大量不規(guī)則的微小裂紋，并使試件本身產(chǎn)生變形，但這些微小裂紋并沒(méi)有形成相互貫通可控制強(qiáng)度的宏觀裂縫[9]。試件破壞過(guò)程是逐漸變化的，即使破壞后其形體依然較為完整，這反應(yīng)了EPS混凝土具有一定的緩沖吸能特性，見(jiàn)圖4(a)和圖4(b)。

圖4　試件破壞后的形狀 Fig.4　Shape of the specimens after failure

4結(jié)論

EPS輕質(zhì)混凝土的密度主要取決于EPS顆粒和水泥的用量：EPS顆粒用量越大,相應(yīng)的水泥的用量就減小，EPS混凝土密度就越低。但水泥在混合材料中所起到的黏聚顆粒的作用將減小，EPS混凝土強(qiáng)度就越低，二者呈反相關(guān)性。

通過(guò)添加高效引氣減水劑發(fā)揮其引氣作用，能夠顯著提高EPS混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、耐久性和抗折強(qiáng)度，使混凝土的各項(xiàng)性能得到很大改善。

本試驗(yàn)EPS輕質(zhì)混凝土的最佳配方為:水膠比為0.45時(shí)，即水用量93 g、水泥用量145 g、粉煤灰用量62 g、EPS顆粒用量10.20 g、減水劑按膠凝材料質(zhì)量的1%添加，此時(shí)試件密度為435.21 kg/m3，28 d抗折強(qiáng)度為2.21 MPa，抗壓強(qiáng)度為0.37 MPa，滿足研究目標(biāo)所提出的要求。將此種EPS輕質(zhì)混凝土制成板，應(yīng)用于內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫(kù)的防蒸發(fā)節(jié)水技術(shù)上會(huì)是一種新思路新方法。

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(編輯：王慰)

A Light-weighted Concrete Made of EPS to Prevent ReservoirEvaporation in Inland Arid Plain Area

SONG Xing-liang, SHI Ke-bin, YAN Xin-jun, XIN Yu-liang, DONG Xiu-bin

(School of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China)

Abstract:A light-weighted concrete is developed to reduce the invalid evaporation and save water in inland arid plain areas. It could float on water surface after drying and so is made into plate-like structure overlying on the water surface in reservoir. EPS (expanded polystyrene sphere) is a super-light closed particle which is stable, non-water-absorbent, and hydrophobic. It is used to replace the coarse and fine aggregates in concrete, and by adding an appropriate amount of fly ash, efficient air-entraining water-reducing agent and improving the production technique, the cohesiveness between EPS particles and cement mortar is improved. According to requirements set before the test, the light-weighted concrete with apparent density less than 500 kg/m3 and flexural strength larger than 1.5 MPa is produced. Plates made of this light-weighted concrete could be applied to preventing the evaporation in reservoirs in inland arid plain areas.

Key words:inland arid areas; EPS; light-weighted concrete; evaporation prevention; water conservation

2015,32(04):129-132，138