再生聚苯乙烯在混凝土中的應(yīng)用研究綜述

羅甜恬，劉衛(wèi)森，郭英健，李成業(yè)，馬玉瑋

(廣州大學(xué),廣州大學(xué)-淡江大學(xué)工程結(jié)構(gòu)災(zāi)害與控制聯(lián)合研究中心，廣州 510006)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)與社會的高速發(fā)展，工業(yè)制造業(yè)與商品經(jīng)濟(jì)化逐漸完善，聚苯乙烯(Expanded Polystyrene，EPS)泡沫以其造價低、易于制備等特點被廣泛應(yīng)用于電器、精密儀器等貴重物品的包裝，以及快餐盒等餐飲容器[1]。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)初，我國聚苯乙烯泡沫塑料制品就已達(dá)60多萬噸[2]，此后每年以近10%的速度遞增[1]，到2020年，聚苯乙烯泡沫制品已達(dá)到160多萬噸。廢棄的聚苯乙烯泡沫是一種難以利用生物降解的高分子材料，若無法有效處理，會造成“白色污染”。目前，國內(nèi)外對聚苯乙烯泡沫的主要處理方法有焚燒法、填埋法[3]、熱分解制油法、塑料再生法[1]等，填埋和焚燒會造成二次污染，熱能回收和塑料再生法等又需要復(fù)雜工藝和昂貴設(shè)備，難以實現(xiàn)。因此，如何有效利用廢棄EPS，變廢為寶，減少EPS再利用的二次污染，對于社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

聚苯乙烯泡沫混凝土是一種有機(jī)無機(jī)復(fù)合的輕集料混凝土，是利用EPS泡沫顆粒與具有粘結(jié)性能的水泥漿體進(jìn)行結(jié)合，制備成符合規(guī)范設(shè)計的節(jié)能環(huán)?；炷羀4]。廢棄EPS，又稱再生EPS。將再生EPS顆粒應(yīng)用于混凝土，不僅可以有效解決“白色污染”問題，還可以極大減少建筑物的能耗。再生EPS混凝土不僅具有輕質(zhì)保溫、節(jié)能環(huán)保、防火等級高、隔聲效果好等特點[4-8]，還具有吸水率小、造價低、方便施工、易于安裝[9]等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者對EPS混凝土做了大量的研究。本文對再生EPS顆粒的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，對比了再生EPS與原生EPS的區(qū)別，闡述了目前所制備的再生EPS混凝土強度等級與力學(xué)性能之間的基本關(guān)系，以及其熱工性能、防火性能、隔聲吸波、變形性能等，為再生EPS混凝土理論和工程應(yīng)用提供參考。

1 EPS混凝土的定義與發(fā)展歷程

聚苯乙烯泡沫輕質(zhì)混凝土，是一種用發(fā)泡EPS顆粒作為輕骨料的礦物膠結(jié)混凝土[10]。由于輕質(zhì)的EPS顆粒替代了密度大的粗骨料，EPS混凝土容重大大減小。根據(jù)EPS顆粒摻入量的不同，EPS混凝土的容重在300～1 800 kg/m3，明顯小于普通混凝土的容重(2 300 kg/m3)，因此，使用EPS混凝土可減輕混凝土自重。同時，EPS混凝土還具有良好的隔聲吸波、防火耐火等性能，使得EPS混凝土在作為建筑外墻時，能發(fā)揮其保溫、隔聲、防火的作用。

早在20世紀(jì)50年代，德國公司就已經(jīng)開始把EPS顆粒當(dāng)作道路填充材料來作為道路基層緩沖材料[11]，發(fā)現(xiàn)其可以有效改善路面皸裂的情況。70年代，Cook等[12-13]對EPS輕集料混凝土的強度等級與力學(xué)性能方面進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。70年代中期，挪威將EPS塊體作為填料置換軟土層，發(fā)現(xiàn)其效果優(yōu)良。80年代，澳大利亞將膨脹的EPS顆粒進(jìn)行化學(xué)處理，獲得了質(zhì)量均勻、性能較好的輕質(zhì)混凝土，應(yīng)用于實際工程中[14]。日本學(xué)者利用EPS顆粒研發(fā)出了輕質(zhì)混合土和泡沫混凝土，并對其力學(xué)性能進(jìn)行了分析研究[15]。90年代，美國學(xué)者將EPS混凝土稱為Geofoam(土工泡沫)[16]。我國對于EPS混凝土的研究起步較晚，20世紀(jì)初，馬時冬[17]對EPS制備的聚苯乙烯泡沫塑料輕質(zhì)填土(SLS)路堤進(jìn)行了穩(wěn)定分析和沉降計算，為EPS混凝土應(yīng)用于路堤工程提供了技術(shù)支持，比較了不同形狀的EPS顆粒及粒徑對EPS混凝土變形和強度的影響[18]，討論了利用廢棄EPS泡沫制備輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用可能性。程從密等[6]對EPS混凝土的組成、結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。陳兵等[7-9]對EPS混凝土的制作和應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，將外加劑與鋼纖維應(yīng)用到EPS混凝土中，制備了具有不同表觀密度且力學(xué)性能良好的EPS混凝土。此后，我國學(xué)者對EPS混凝土的研究逐步深入，為其工程應(yīng)用提供了堅實基礎(chǔ)。

2 再生EPS與原生EPS差異

圖1 EPS顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)[19]Fig.1 Internal structure of EPS particles[19]

EPS顆粒包括原生EPS和再生(廢棄)EPS兩種，均具有輕質(zhì)、多孔的特性，其微觀形貌如圖1所示[19]。原生EPS顆粒，是將聚苯乙烯原料放入特制的發(fā)泡機(jī)內(nèi)用蒸汽將其膨脹所得[10]。再生EPS顆粒是用專業(yè)的破碎機(jī)將廢棄聚苯乙烯泡沫破碎而成。相比于原生EPS，再生EPS在形態(tài)和價格方面存在明顯優(yōu)勢，表1從形狀、表面狀態(tài)、級配三方面對再生EPS與原生EPS進(jìn)行比較。由表可知，原生EPS顆粒粒徑較單一，有1～5 mm不等，密度約30 kg/m3，表面較光滑，與膠凝材料粘結(jié)不夠理想。再生EPS顆粒表面坑洼粗糙，部分顆粒開口，水泥漿體容易進(jìn)入孔隙，有利于EPS顆粒與水泥漿體的粘結(jié)，且再生EPS具有多粒徑，可形成一定的級配，更易形成緊密堆積結(jié)構(gòu)。

表1 再生(廢棄)EPS顆粒與原生EPS顆粒對比[20]Table 1 Comparison between recycled (waste) EPS particles and primary EPS particles[20]

3 再生EPS混凝土密度等級與力學(xué)性能

表2從干密度、抗壓強度、彎曲強度、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)等方面對比總結(jié)了EPS(泡沫)混凝土與普通混凝土的差別。

表2 EPS(泡沫)混凝土與普通混凝土物理力學(xué)性能比較[21]Table 2 Comparison of physical and mechanical properties between EPS (foamed) concrete and ordinary concrete[21]

由表可知，EPS混凝土的強度區(qū)間一般在5～40 MPa[21]，再生EPS混凝土的強度等級與許多因素相關(guān)，其中最重要的因素為EPS混凝土的設(shè)計密度。不同密度的EPS混凝土，所呈現(xiàn)的強度不一樣。普通EPS混凝土密度跨度較大，可分為低(300～600 kg/m3)、中(600～1 200 kg/m3)、高(1 200～1 800 kg/m3)三個密度等級[19]。再生EPS混凝土的密度，與同摻量下的原生EPS混凝土相比較小，但強度相當(dāng)。這是由于再生EPS顆粒粘結(jié)性能較好，過渡層強度較高。而EPS混凝土的密度與EPS顆粒的摻量有關(guān)，EPS顆粒替代粗骨料的比例越大，EPS混凝土密度越小，強度越低[22]。周可可等[23]研究了EPS體積率與混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、拉壓比、抗折強度之間的關(guān)系，并進(jìn)行了擬合，如圖2所示，其中fM為未摻EPS顆?？瞻讟拥牧⒎襟w抗壓強度，fc為摻EPS顆粒試樣的立方體抗壓強度。EPS混凝土的立方體抗壓強度與EPS體積率呈衰減指數(shù)關(guān)系，擬合參數(shù)與EPS顆粒級配有關(guān)；EPS混凝土劈裂抗拉強度、抗折強度與EPS顆粒體積率均呈線性關(guān)系；EPS混凝土拉壓比隨EPS體積率先增加后減小，主要是由于EPS混凝土有良好的變形能力。

王武祥[20]利用增粘劑改善了EPS混凝土力學(xué)性能較差的問題，成功制備了300 kg/m3的再生EPS超輕混凝土，其抗壓強度大于0.75 MPa。

程從密[19]提出決定EPS混凝土強度的因素主要包括三個方面：孔、基質(zhì)強度、過渡層，這可以與EPS混凝土數(shù)值模擬的基礎(chǔ)理論聯(lián)系起來。EPS輕集料混凝土構(gòu)造如圖3所示。在高密度EPS輕集料混凝土中，EPS顆粒分布均勻，孔隙較少；在低密度EPS輕集料混凝土中，EPS難以分布均勻，產(chǎn)生了許多孔隙，從而解釋了低密度再生EPS混凝土強度較低的原因。大多數(shù)學(xué)者為了提高EPS混凝土的強度，選擇合理的EPS摻量，制作成適中密度的再生EPS混凝土。EPS顆粒摻量主要影響孔、過渡層兩方面。吉晨彬等[24]提出了再生EPS泡沫級配理論，研究了EPS顆粒級配對再生EPS保溫砂漿抗壓強度、抗折強度、粘結(jié)強度、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)等性能的影響。吉晨彬等[24]按照細(xì)度模數(shù)(見式(1))將再生EPS泡沫分為粗(Mx=3.0～2.3)、中(Mx=3.0～2.3)、細(xì)粒徑(Mx=3.0～2.3)三種規(guī)格。

(1)

式中：A1、A2、A3、A4、A5、A6為累計篩余量。用一套孔徑凈尺寸為4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、600 μm、300 μm及150 μm的標(biāo)準(zhǔn)篩將500 g干燥再生EPS由粗到細(xì)依次過篩，然后稱得余留在各個篩上的篩余量，計算出分計篩余量a1、a2、a3、a4、a5和a6(各篩上的篩余量占砂樣總量的百分率)。

圖2 不同力學(xué)性能與EPS體積率之間的關(guān)系(1 mm,5 mm為EPS粒徑)[23]Fig.2 Relationship between different mechanical properties and EPS volume fraction (EPS particle size is 1 mm, 5 mm)[23]

圖3 EPS輕集料混凝土構(gòu)造[19]Fig.3 Construction of EPS lightweight aggregate concrete[19]

并且，吉晨彬等[24]通過實驗得出，中粒徑、2區(qū)(如表3所示)EPS所制作的保溫砂漿綜合性能最好。潘武略等[25]采用自配的引氣劑和摻合料技術(shù)，減少再生EPS混凝土中孔的分布，同時，用粉煤灰替代部分水泥，改善基質(zhì)的致密度，研究了引氣劑摻量、粉煤灰摻量、膠砂比、水灰比對再生EPS混凝土和易性及強度的影響。

不同EPS體積摻量(VEPS)的再生EPS混凝土，其破壞形態(tài)也不同。圖4比較了不同EPS摻量的再生EPS混凝土的沖擊破壞形態(tài)，由圖可知[26]，應(yīng)變率在21.7～76.0 s-1之間，EPS體積摻量為30%以上時，EPS混凝土破而不碎；EPS顆粒體積摻量越大，臨界破壞時的應(yīng)變率越大，所能承受的吸收能越大，緩沖吸能特性越好。文獻(xiàn)[19]發(fā)現(xiàn)，密度小于500 kg/m3的超輕EPS混凝土主要表現(xiàn)為塌孔破壞，而密度約為1 800 kg/m3的高密度EPS混凝土主要表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展破壞。眾多研究表明[19,23,26]，再生EPS混凝土具有更好的韌性。甘偉等[27]發(fā)現(xiàn)，密度小于800 kg/m3時，EPS輕集料混凝土抗壓強度小于5 MPa，密度大于1 600 kg/m3時，EPS輕集料混凝土抗壓強度可超過15 MPa。

表3 再生EPS顆粒級配[24]Table 3 Particle qradation of recycled EPS[24]

EPS混凝土的破壞過程與普通混凝土類似，呈現(xiàn)彈性階段、裂縫出現(xiàn)階段以及完全破壞三個階段。但不同的是，前期抗壓強度增幅較大，隨著壓力的增大，彈性階段的斜率增大，即彈性模量增大。有研究表明[28]，EPS混凝土彈性模量隨EPS顆粒體積摻量的增加而明顯下降，EPS顆粒體積摻量每增加10%，彈性模量降低40%，抗壓強度值為5～17.5 MPa時，相應(yīng)的彈性模量為5～20 GPa。

Magnan和Serratrice[29]早在20世紀(jì)末就已提出EPS骨料密度與彈性模量之間的換算公式，如式(2)所示：

Eeps=0.479ρ-2.875

(2)

式中：Eeps為EPS骨料的彈性模量；ρ為EPS的密度。

劉媛春[30]在Power理論和Roy提出的強度模型的基礎(chǔ)上，建立了關(guān)于水灰比、EPS粒徑及含量的EPS混凝土強度模型，并進(jìn)行了驗證。計算公式如下：

(3)

表4 EPS粒徑相關(guān)系數(shù)α[30]Table 4 Correlation coefficient α of EPS particle size[30]

新加坡國立大學(xué)的Babu等[31]總結(jié)了密度為200～2 000 kg/m3的EPS混凝土抗壓強度和密度的經(jīng)驗關(guān)系式，如式(4)所示：

fc=10.3×γ1.918×10-6

(4)

式中:fc為混凝土抗壓強度;γ為混凝土拌合物的密度。

胡俊[21]通過擬合，得出EPS混凝土劈裂強度與抗壓強度的關(guān)系，如式(5)所示：

(5)

式中:ft是不含硅灰的EPS混凝土劈裂強度；σy是不含硅灰的EPS混凝土單軸抗壓強度。

一些學(xué)者針對EPS混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在EPS混凝土數(shù)值模擬中，研究者通常采用圓形骨料投放模型，暫未對原生EPS顆粒和再生EPS顆粒進(jìn)行區(qū)分。劉芬等[32-33]從細(xì)觀角度出發(fā)，借助計算機(jī)建立EPS泡沫填充混凝土非均勻細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)，通過數(shù)值仿真模擬，對EPS混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，闡述了EPS體積含量和EPS顆粒粒徑對EPS泡沫填充混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，EPS顆粒位置分布對彈性模量影響不大，隨著EPS顆粒體積含量增加，EPS混凝土彈性模量、抗壓強度、平臺應(yīng)力以及吸能能力均下降。對于表面坑洼的再生EPS顆粒使用圓形顆粒模擬是否影響模擬結(jié)果還有待研究。

4 EPS混凝土其他性能

除了力學(xué)性能之外，EPS混凝土的熱工性能、防火性能、隔聲吸波性能、變形性能也是學(xué)者們研究的重點。

4.1 熱工性能

EPS混凝土應(yīng)滿足格構(gòu)建筑體系的基本要求，導(dǎo)熱系數(shù)λ≤0.10～0.14 W/(m·K)。研究表明，隨著EPS混凝土容重的增大，其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，熱工性能變差[34]。王武祥[20]制作的密度小于300 kg/m3的再生EPS超輕混凝土，其導(dǎo)熱系數(shù)均小于0.070 W/(m·K)。陳明鳳等[34]制作的密度為500 kg/m3的EPS保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.089 W/(m·K)。當(dāng)再生EPS混凝土的密度從300 kg/m3到1 800 kg/m3變化時，相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.07～0.723 0 W/(m·K)[35]。

4.2 防火性能

EPS顆粒本身是可燃性材料，而再生EPS混凝土作為保溫材料時，需要達(dá)到國家對建筑材料阻燃性的“A”級標(biāo)準(zhǔn)。我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 8624—1997)將建筑材料的燃燒性能分為以下A1、A2、B1、B2、B3五種等級：A級為不燃性建筑材料，幾乎不發(fā)生燃燒；A1為不燃材料，不起明火；A2為不燃材料，起火有少量煙；B1、B2、B3分別為難燃、可燃、易燃三種材料。再生EPS混凝土的難燃性主要是通過摻入阻燃劑來實現(xiàn)。竇家林[36]通過設(shè)計不同阻燃劑種類和含量的對比實驗，研究其對聚苯乙烯發(fā)泡制品阻燃性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在EPS制品中加入無機(jī)阻燃劑氫氧化鎂可以降低其自熄時間，氫氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%時，材料達(dá)到難燃級別。張苗等[37]通過實驗研究了ESP外保溫材料的火災(zāi)蔓延規(guī)律和影響因素，發(fā)現(xiàn)其火中蔓延速率隨時間變化呈指數(shù)型增長；火災(zāi)蔓延速率與“耦合燃燒度”呈正相關(guān)，而“耦合燃燒度”與材料厚度也呈正相關(guān)；不同火源位置下，“耦合燃燒度”大小不同，具體表現(xiàn)為：中火>底火>頂火>邊角火。歐陽康[38]也證明了EPS混凝土是A1級的不燃性材料，當(dāng)EPS體積率為50%時，其單體燃燒試驗中無任何毒性煙氣產(chǎn)生，熱釋放量相對較低，試驗質(zhì)量損失率幾乎為零。

4.3 隔聲吸波性能

圖5 EPS摻量對EPS混凝土收縮變形的影響[7]Fig.5 Effect of EPS content on the drying shrinkage of EPS concrete[7]

管洪濤等[39]研究了EPS顆粒填充率和試樣厚度對EPS水泥漿體吸波性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)EPS填充率為60%(體積分?jǐn)?shù))，試樣厚度為20 mm時，EPS水泥漿體在8～18 GHz頻率內(nèi)對電磁波的反射率均在8 dB以上，反射率大于10 dB的帶寬達(dá)到了6.2 GHz。徐臘梅等[40]研究了不同摻量的再生EPS顆粒對水泥基材料吸波性能的影響，當(dāng)EPS體積摻量分別為48%和60%時，EPS水泥基吸波材料的反射率在8～18 GHz頻段內(nèi)均低于-12 dB，反射率最小值為-25 dB，并且，研究發(fā)現(xiàn)，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的炭黑與EPS共同作用，可以提高材料的吸波性能。

4.4 變形性能

干縮性能是EPS混凝土的變形性能之一，EPS混凝土干縮比普通混凝土大。陳兵等[7]認(rèn)為影響EPS混凝土收縮性能的主要因素包括EPS骨料的彈性模量和漿體的體積分?jǐn)?shù)。EPS摻量對EPS混凝土收縮變形的影響如圖5所示，隨著EPS摻量增加，收縮變形逐漸增大。EPS體積摻量為55%時，微應(yīng)變達(dá)到1 121，是普通混凝土的2倍，對其應(yīng)用有不利影響。而利用鋼纖維可以顯著改善EPS混凝土的收縮性能，使其90 d收縮變形量減小至610微應(yīng)變，控制在普通混凝土的合理收縮范圍內(nèi)。

5 影響EPS混凝土性能的因素

影響再生EPS混凝土性能的因素包括再生EPS顆粒級配和摻量、纖維摻量、改性劑及礦物摻合料等。其中，再生EPS顆粒級配與摻量是影響EPS混凝土性能的主要因素。

5.1 EPS顆粒級配和摻量

再生ESP顆粒的摻量影響情況已在第3節(jié)提到，此處主要闡述EPS顆粒級配的影響情況。

周可可等[23]利用不同比例的1 mm與5 mm EPS顆粒，制作了EPS體積含量9%～46%的再生EPS混凝土，研究發(fā)現(xiàn)再生EPS混凝土的抗壓強度與EPS顆粒的體積率之間呈近似衰減指數(shù)關(guān)系，其關(guān)系與EPS顆粒的粒徑和組成有關(guān)。白二雷等[41]配置了不同體積摻量的EPS混凝土，研究了EPS顆粒對混凝土的增韌效應(yīng)。結(jié)果表明，20%EPS體積摻量的混凝土韌性改善效果最佳。隨著EPS顆粒摻量的增加，EPS混凝土韌性呈先增大后減小的趨勢。

5.2 纖 維

研究者們采用加入纖維的方法來改善混凝土的結(jié)構(gòu)緊密性。用于EPS混凝土的纖維種類包括：鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維等?？紤]到EPS混凝土輕質(zhì)、價格實惠、方便施工的特性，大多數(shù)研究通常采用聚丙烯纖維。歐陽康[38]結(jié)合EPS工作性及力學(xué)性能的增強效果，發(fā)現(xiàn)鋼纖維體積摻量為2%，聚丙烯纖維體積摻量為0.1%時，EPS混凝土具有最佳性能，在相同EPS體積率(20%、30%、40%)時，纖維的摻入量最大可將EPS混凝土抗折強度分別提高13.2%、2.9%、20.4%。相對普通EPS混凝土，纖維EPS混凝土的收縮性能、抗?jié)B性能及抗凍性能都有很大的提升。陳友治等[42]分別制備了體積摻量0.5%、1.0%、2.0%的鋼纖維以及0.03%、0.05%、0.1%的聚丙烯纖維混雜的纖維EPS混凝土，發(fā)現(xiàn)低摻量的混雜纖維對纖維EPS混凝土抗壓強度提高較小，但對韌性提高較大；相比普通混凝土，纖維的加入對抗折強度的改善更為明顯，體現(xiàn)出良好的韌性。陳兵等[7]研究表明，鋼纖維可以顯著改善EPS混凝土的收縮性能和提高其劈裂抗拉強度。陳懷軍等[43]輔以尼龍纖維配置了保溫性能良好的EPS-石膏-礦渣墻體材料，通過實驗得出，尼龍纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，其韌性、強度及抗凍融性最佳。另外，石棉纖維、玻璃纖維等相關(guān)的研究較少，這與纖維材料來源難、造價高、制作工藝復(fù)雜等都有一定的關(guān)系。

5.3 改性劑

EPS顆粒屬于有機(jī)材料，表面憎水，無機(jī)膠凝材料對其無法潤濕，所以攪拌過程中會出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。這是EPS混凝土制作過程中所面臨的主要問題。關(guān)于此問題，大多數(shù)學(xué)者主要從以下兩個方面來入手。

一方面，對原材料EPS表面進(jìn)行改性。有學(xué)者提出利用增粘劑的耦聯(lián)和粘接雙重作用，采用預(yù)處理表面造“硅酸鹽”外殼，實現(xiàn)EPS表面變?yōu)椤盁o機(jī)化”，使EPS表面形成親水性無機(jī)薄層。吳月月等[44]通過對施工工藝的改良，使EPS顆粒表面形成一層“硅酸鹽”外殼，使其表面由憎水性轉(zhuǎn)換為親水性。王武祥[20]提出，增粘劑由于其中的引氣組分，將微細(xì)球形氣泡引入水泥漿體中可增大漿體體積，從而包裹EPS顆粒，使水泥漿體粘度提高，有效阻止EPS顆粒上浮。陳兵等[7]提出微硅粉能顯著改善EPS顆粒與水泥漿體的粘結(jié)性能以及在水泥基體中的分散性能，但微硅粉價格稍貴。周可可等[23]研究表明5 mm的EPS顆粒比1 mm的EPS顆粒更容易出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。董素芬等[45]為解決EPS顆粒上浮的問題，采用如下方法：先將EPS用水完全潤濕，浸泡24 h后，于室溫陽光下晾曬48 h，再用塑料袋封存待用。另一方面，從攪拌工藝入手，考慮到再生EPS表面要形成穩(wěn)定的水泥砂漿，成型采用水泥包裹法。即先讓EPS表面包裹水泥等膠凝材料，再將其與其他材料進(jìn)行混合攪拌，從而防止EPS在混凝土中分散不均勻的問題，也可以使成型后再生EPS顆粒之間粘結(jié)力更大，以保證必要的強度和流動性。

改性劑的加入可以改善EPS混凝土的性能，常用的改性劑包括乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯醇(PVA)、聚醋酸乙烯乳液、三乙醇胺和乳膠粉乳液。研究表明[46]，加入EVA改性劑，水解生成的乙酸根離子與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成水合乙酸鈣，使Ca(OH)2晶體含量降低，可提高C-S-H凝膠的密度和質(zhì)量，使結(jié)構(gòu)更加緊密，優(yōu)化了水化產(chǎn)物的組成結(jié)構(gòu)，提高了抗壓、抗折強度。

總之，針對改性劑的使用，再生EPS顆粒和原生EPS顆粒區(qū)別不大。實驗表明，相對表面光滑的原生EPS顆粒，再生EPS顆粒的粘結(jié)性、結(jié)合力較好。

5.4 礦物摻合料

普通硅酸鹽水泥制作過程不環(huán)保，價格昂貴，可以加入硅灰、粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣來替代部分水泥，不僅可以廢物再利用，還可以充分發(fā)揮其特性，制作成性能優(yōu)異的再生EPS混凝土。

粉煤灰在EPS混凝土中主要發(fā)揮火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)?；鹕交倚?yīng)是粉煤灰與Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H，該效應(yīng)隨著齡期的增長而逐漸顯現(xiàn)。微集料效應(yīng)是指，粉煤灰可以改善集料的級配、流動性，增加密實度。王正權(quán)[47]研究表明，不同等級的粉煤灰都有特定的最佳摻量，需要實驗驗證，對于抗壓強度值來說40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是粉煤灰的最佳摻量。

礦渣是高爐電廠等燃燒煤之后排出的廢渣。再生EPS混凝土中摻入礦渣可以降低水化熱，提高混凝土的耐久性。通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生EPS混凝土中加入礦渣時，往往都會采用EPS-石膏-礦渣復(fù)合體系。李久明等[48]以石膏-礦渣膠凝材料為無機(jī)粘結(jié)材料，廢棄EPS為骨料，制備出了有一定強度、造價低廉、保溫性能良好的EPS-石膏-礦渣墻體保溫材料，并研究了EPS顆粒含量與該復(fù)合材料各性能之間的關(guān)系。陳懷軍等[43]通過研究得出EPS-石膏-礦渣墻體材料的合理配方：EPS顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%，石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%，工業(yè)礦渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，硅酸鹽水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，水灰比為0.6，尼龍纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%。武萍[49]對石膏基膠凝材料復(fù)合EPS保溫材料進(jìn)行了試驗研究，為了克服石膏的不耐水性，利用礦渣、石灰、水泥等材料對石膏進(jìn)行改性。結(jié)果表明，經(jīng)過改性的復(fù)合體系有較高的強度和軟化系數(shù)。

微硅粉在EPS混凝土中發(fā)揮填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)和界面效應(yīng)，從而增加EPS混凝土的密實度，提高EPS混凝土的界面粘結(jié)強度。研究表明，微硅粉摻量為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，綜合力學(xué)性能最佳[26]。圖6為EPS混凝土是否摻入微硅粉對比圖，由圖可知：未摻入微硅粉時，EPS顆粒上浮嚴(yán)重，是由漿體泌水性大，水分向上移動導(dǎo)致EPS顆粒上浮，EPS顆粒分散，與漿體粘結(jié)較差；摻入微硅粉時，EPS顆粒分布均勻，微硅粉比表面積大，可吸附水分，減少泌水，改善漿體聚合性，使?jié){體稠密，與EPS顆粒結(jié)合緊密，從而抑制上浮?？梢姡瑩饺胛⒐璺鄣腅PS混凝土明顯粘結(jié)性能較好。

圖6 EPS混凝土是否摻入微硅粉對比圖[26]Fig.6 Comparison of whether concrete mixed with micro silica fume[26]

6 實際工程應(yīng)用

由于再生EPS混凝土具有優(yōu)良的性能，在工程中應(yīng)用廣泛。再生EPS混凝土除了應(yīng)用于保溫路基之外，主要是作為墻體材料應(yīng)用于建筑中。表5介紹了幾種具有發(fā)展前途的建筑體系。

表5 EPS混凝土在建筑中的發(fā)展體系[10]Table 5 Development system of EPS concrete in architecture[10]

在建筑材料方面，EPS混凝土由于其輕質(zhì)保溫、吸波耐火等特點，已逐漸被制作成EPS砌塊、EPS砂漿、EPS保溫板等[50]，如圖7所示。

EPS砌塊和EPS保溫板主要應(yīng)用于保溫墻材、樓板或墻板。與傳統(tǒng)砌塊相比，EPS砌塊和保溫板具有輕質(zhì)、高強、保溫、隔聲、耐火等優(yōu)點[36,51-54]，不僅綠色環(huán)保，還可以減少建筑物能耗。而EPS砂漿主要應(yīng)用于聚苯乙烯保溫砂漿外墻系統(tǒng)中[55-56]。在外墻保溫系統(tǒng)中，通過比較發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯保溫砂漿外墻系統(tǒng)具有易于施工安裝、傳熱系數(shù)低、保溫性能好、不燃、干縮率低、耐酸堿腐蝕等特點[6-10,57-59]。楊凱[56]研究表明，EPS作為輕集料來配置保溫砂漿，作為外墻保溫系統(tǒng)中的保溫層，與抗裂防護(hù)層、抗?jié)B保護(hù)面層(或是面層抗?jié)B抗裂二合一砂漿層)協(xié)同使用，保溫性能良好。使用超輕EPS顆粒可以配備出保溫隔熱性能很好的隔熱產(chǎn)品，不僅可以有效降低建筑能耗，還能大量減少碳排放，實現(xiàn)綠色建材的目標(biāo)。

圖7 EPS工程應(yīng)用產(chǎn)品Fig.7 EPS engineering application products

7 結(jié)語與展望

在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的21世紀(jì)，利用再生EPS顆粒制成的EPS混凝土是一種性能優(yōu)越的綠色環(huán)保材料，成為了當(dāng)今學(xué)者們研究的熱點。目前，EPS混凝土的研究逐漸深入，發(fā)現(xiàn)了其眾多優(yōu)越的性能及應(yīng)用途徑。主要總結(jié)如下：

(1)再生EPS顆粒屬于廢物再利用，再生EPS顆粒表面粗糙坑洼，能夠更有效地與水泥漿體結(jié)合，并且，由廢棄的EPS泡沫制品破碎而得來的EPS顆粒，擁有良好的級配。經(jīng)過人工整合，可得到符合富勒級配的EPS顆粒緊密堆積結(jié)構(gòu)，提高EPS混凝土各方面力學(xué)性能。

(2)再生EPS顆粒制成的EPS混凝土，力學(xué)強度隨著再生EPS顆粒摻量增大而減小，再生EPS混凝土的密度較同摻量的原生EPS混凝土較小。

(3)再生EPS顆粒具有良好的保溫隔熱、隔聲吸波、防火性能，但目前關(guān)于再生EPS顆?；炷僚c原生EPS混凝土在其他性能方面的差異研究較少。

再生EPS顆粒應(yīng)用于混凝土?xí)r，需重點解決EPS顆粒上浮與分散不均勻的問題，EPS表面改性處理是關(guān)鍵處理措施，從而來改變EPS的憎水性。目前，再生EPS混凝土已逐步應(yīng)用于保溫路基、保溫墻體等方面，它能夠大量減少建筑物能耗，是一種節(jié)能環(huán)保友好型建筑材料。工業(yè)廢棄物礦渣、粉煤灰與再生EPS顆粒結(jié)合也是未來研究的一大熱點，再生EPS混凝土將是未來具潛力的環(huán)保建筑材料之一。