聚乙烯醇纖維改性EPS混凝土性能試驗研究*

劉鳳利，韋凱言，楊飛華，馬保國，戰(zhàn)佳宇，李 沙

(1.河南大學 循環(huán)與功能建材實驗室，河南 開封 475004；2.固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室，北京 100041；3.武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

0 引 言

聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene，EPS)混凝土具有自重輕、保溫性好、吸音降噪以及節(jié)能利廢等優(yōu)點，是一種理想的新型輕量化墻體材料[1]。但是，EPS是一種有機、多孔、憎水的超輕骨料，其強度低、而且與水泥粘結(jié)性差，導致EPS混凝土存在界面過渡區(qū)缺陷多、吸水率大、收縮大，以及強度低、韌性差等問題。纖維是混凝土的常用增強材料，也有利于改善EPS混凝土上述性能，并發(fā)展其高比強、低收縮以及良好的抗變形性能[2]。

任杉杉等[3]研究表明聚丙烯纖維與木纖維混摻可顯著改善EPS砂漿的力學性能和抗裂性。Liu等[4]研究表明聚丙烯纖維可顯著提升EPS-水泥基界面間的結(jié)合強度，并通過纖維的橋連作用穩(wěn)定裂縫擴展，使得試件開裂后的整體穩(wěn)定性得以提升。巫緒濤等[5]在研究EPS混凝土強度與應力率的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)碳纖維可使EPS混凝土的抗劈裂性提升，抗變形性能顯著增強。然而，聚丙烯纖維存在彈性模量低、與水泥粘結(jié)強度低等問題。

PVA是一種具有高彈性模量、高縱橫比和裂縫橋接性能、親水性好、與水泥界面粘結(jié)強度高的纖維增強材料，并且具有綠色環(huán)保、分散性好等優(yōu)點，備受研究人員的關(guān)注[6-10]。研究[11-15]表明，PVA的摻入能夠顯著提高混凝土的劈裂抗拉強度和彎曲抗折強度，抗壓強度也有明顯的提高，但是也有研究顯示摻入PVA對混凝土的抗壓強度沒有影響，甚至降低。除此之外PVA混凝土的韌性和干燥收縮性能也得到顯著的改善。然而，目前以聚乙烯醇纖維(PVA)對EPS混凝土改性的研究鮮有報道。

本文選用PVA作為改性材料，研究不同PVA摻量對EPS混凝土的流動性、吸水率、力學性能、導熱系數(shù)、干縮性以及抗凍性能的影響，為EPS混凝土的性能優(yōu)化提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗采用的P·O 42.5級水泥和42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥(SAC)物理力學性能見表1.使用比表面積為21 m2/g，密度為2.1 g/cm3的硅灰(SF)和比表面積為325 m2/kg，密度為2.21 g/cm3的Ⅰ級粉煤灰(FA)作為摻合料；外加劑選取密度為1.39 g/cm3，粘度值為100 000 MPa·s的羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)和減水率為25%的聚羧酸高效減水劑(白色粉末)；骨料選用廢棄EPS制品回收經(jīng)再生發(fā)泡而成的，粒徑為3～5 mm，表觀密度為20 kg/m3的EPS顆粒；PVA主要技術(shù)參數(shù)見表2，形貌見圖1。

表1 水泥的物理力學性能

表2 PVA纖維的基本性能

圖1 PVA纖維形貌

1.2 試件制作與配合比

EPS混凝土配合比見表3。為了保證EPS顆粒能夠均勻分布，試驗根據(jù)“裹漿造殼原理”，采用自制HPMC溶液作為改性劑噴灑在EPS顆粒表面，待完全浸濕后加入膠凝材料使其形成核殼結(jié)構(gòu)。再將試驗所用原材料拌好，慢攪120 s，然后刮刀15 s后快攪120 s，加入改性EPS顆粒二次攪拌分散，得到料漿，將PVA纖維用部分拌合水分散均勻后加入到料漿中，攪拌3～5 min，直到PVA纖維能在EPS混凝土中均勻地分散開。根據(jù)不同測試要求將拌合物注入不同模具，24 h后脫模養(yǎng)護。

表3 EPS混凝土配合比

1.3 實驗方法

依據(jù)(GB/T 50081—2019)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行相關(guān)力學性能測試，其中立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度測試所用試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度測試試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm。導熱系數(shù)參照(GB/T 10295—2008)《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法》標準。流動度和吸水率測試分別參照(GB/T 8077—2012)《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》和(JGJ/T 12—2019)《輕骨料混凝土應用技術(shù)標準》。干縮性能依據(jù)(JC/T 603—2004)《水泥膠砂干縮試驗方法》進行測試?？箖鲂阅芤罁?jù)(GB/T 50082—2009)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVA摻量對EPS混凝土流動性與吸水率的影響

流動度是表征混凝土工作性的重要指標。由圖2可知，當PVA摻量為0.8%時，漿體流動度降低到190 mm，而且EPS混凝土干密度僅為845 kg/m3，此時纖維分散均勻，漿體與EPS顆粒緊密粘結(jié)，EPS顆粒無上浮現(xiàn)象，混凝土粘聚性和勻質(zhì)性較好，滿足工作性要求。PVA分子中的羥基具有親水性，可以很好地抑制EPS混凝土泌水和離析，提高漿體勻質(zhì)性。若繼續(xù)增大摻量，流動度降低，纖維粘聚成團，澆筑成型困難，對EPS混凝土各項性能帶來負面影響。

吸水率是影響輕質(zhì)混凝土性能的重要參數(shù)，吸水率高表示EPS混凝土開口孔隙率高，對其強度和保溫隔熱性不利。由圖2可以看出，當PVA摻量為0.8%時其吸水率降低到1.3%，相較于未摻PVA時降低了27.7%。繼續(xù)增加纖維摻量至1.2%時，其吸水率仍低于空白組，可見摻入適量PVA可有效降低EPS混凝土的吸水率。原因在于，PVA具有親水性，其密度為1.2 g/cm3，直徑僅20 μm，長徑比為300。0.8%摻量下，每立方米EPS混凝土中PVA纖維可達數(shù)百萬根。大量PVA纖維均勻分布在水泥石基體和EPS-水泥石界面過渡區(qū)范圍內(nèi)，其優(yōu)異的裂縫橋接性能有利于限制混凝土內(nèi)部因原生缺陷和干縮等原因產(chǎn)生的微裂縫的擴展，使得水泥石基體和界面過渡區(qū)內(nèi)微裂縫大大減少，降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，其親水性也有利于抑制水分的遷移[16]，從而吸水率降低。但是摻量過大時，PVA明顯團聚，在混凝土內(nèi)部形成缺陷和孔洞，反而加大了吸水率。

圖2 PVA摻量對EPS混凝土流動度和吸水率的影響

2.2 PVA摻量對EPS混凝土力學性能的影響

PVA摻量對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和拉壓比的影響結(jié)果見圖3。由圖3(a)可以看出，隨著PVA摻量的增加，不同齡期下的EPS混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當PVA摻量為0.8%時，各齡期下的EPS混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度相較于未摻PVA時都有不同程度的提升，此時28 d抗壓強度和28 d劈裂抗拉強度分別為14.7和2.2 MPa，相較于未摻PVA時分別提升了18.5%和57.1%；如果繼續(xù)增加PVA摻量至1.6%時二者不增反降，降幅分別達到15%和22.7%，但是均高于未摻PVA組。

由圖3(b)可見，0.8%摻量下，7 d與28 d抗折強度分別為3.1和3.9 MPa，相較于未摻PVA時分別提升了82.4%和50%；繼續(xù)增加PVA至1.6%時抗折強度有所降低，但是仍高于未摻PVA組。拉壓比作為衡量混凝土韌性的一個參數(shù)，數(shù)值增高表明EPS混凝土的韌性提高。由圖中可知PVA摻量增加使其拉壓比持續(xù)增大，綜合考慮 PVA摻量對EPS混凝土抗壓強度和拉壓比的影響，摻量取0.8%時，PVA對其強度和韌性提升效果最優(yōu)。

圖3 PVA纖維摻量對EPS混凝土力學強度的影響

試驗結(jié)果表明摻入PVA纖維能夠增強EPS混凝土的力學性能，在摻量為0.8%時，對試件的抗壓強度、抗折強度以及劈裂抗拉強度提升效果最優(yōu)，且PVA的加入使EPS混凝土的拉壓比均遠高于未摻PVA組，因此增韌效果較好。

其增強、增韌機理解釋如下：與普通混凝土相比，由于EPS混凝土為有機無機復合材料，EPS-水泥石相容性差，其界面疏松多孔、界面缺陷多，更容易產(chǎn)生應力集中，導致強度降低。摻入PVA后，大量PVA纖維貫穿在水泥石以及EPS-水泥石界面過渡區(qū)范圍內(nèi)。與普通有機纖維相比，PVA自身具有親水特性，其表面的羥基與水泥水化產(chǎn)物的羥基形成氫鍵[17]，從而增強與水泥基體的粘結(jié)力。在水泥石基體內(nèi)，大量PVA纖維相當于無數(shù)加強筋根植在EPS混凝土中，與水泥石共同承受荷載，高抗拉強度的PVA纖維具有高延伸率和良好的橋接作用，能夠代替水泥石承擔拉應力，抵抗荷載以及基體的塑性收縮與干縮，減少裂縫的出現(xiàn)并限制裂縫的擴展[18]，減少了應力集中對強度的劣化作用；同理，PVA纖維可增強EPS-水泥石界面過渡區(qū)的強度。因此，PVA的上述作用使試件強度與韌性得以提高。但是若PVA摻量過大，易因分散困難而在混凝土內(nèi)部造成孔洞等缺陷，并影響基體對EPS顆粒的包覆效果，從而導致增幅效果下降。

2.3 PVA摻量對EPS混凝土導熱系數(shù)的影響

EPS混凝土導熱系數(shù)低，保溫性能好，而PVA自身導熱系數(shù)更是低于EPS混凝土的導熱系數(shù)，適量摻入有利于其熱工性能。由圖4可見，0.8%纖維摻量下，導熱系數(shù)最小，僅為0.161 W/(m·K)，原因是適量PVA的摻入能夠填充在EPS混凝土內(nèi)部的孔壁、孔間隙以及裂縫等缺陷處，從而密實度提高，氣體對流現(xiàn)象減弱[19]，使熱量傳遞速率減小、溫度傳遞困難。同時，低導熱性的PVA 亂向分布于基體中，相當于增大了傳熱路徑的長度，使導熱系數(shù)降低，即改善了EPS混凝土的熱工性能。但是摻量過大時，PVA團聚不能均勻分散，在混凝土內(nèi)部形成孔洞等宏觀缺陷，對混凝土導熱性的影響有限。

圖4 PVA摻量對EPS混凝土導熱系數(shù)的影響

2.4 PVA摻量對EPS混凝土干縮的影響

圖5為PVA對EPS混凝土干縮的影響結(jié)果?？梢奝VA/EPS混凝土各齡期干縮率均低于未摻PVA空白組的相應值，表明摻入PVA對EPS混凝土干縮變形有顯著的改善。從纖維摻量對EPS混凝土28 d齡期下的影響結(jié)果可知，摻量在0.8%時的干縮率為5.952×10-4，相較于未摻纖維時的1.1344×10-3，降幅最大，達到了47.5%，EPS混凝土的干縮變形得到了有效控制。與文獻[2]利用鋼纖維和復合纖維降低EPS混凝土的干燥收縮率效果相似。

圖5 PVA摻量對混凝土干縮性能的影響

2.5 PVA摻量對EPS混凝土抗凍性的影響

圖6為PVA摻量對EPS混凝土質(zhì)量損失率和強度損失率的影響結(jié)果。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同PVA摻量的試件都出現(xiàn)了一定程度的質(zhì)量損失，從圖6(a)中可知當PVA摻量為0.8%時，試件質(zhì)量損失率整體處于較低水平。當凍融循環(huán)次數(shù)達到25次時，質(zhì)量損失率仍小于0.3%。原因是適量PVA在混凝土中亂向分布，對EPS顆粒與基體的粘結(jié)性有益，一定程度上抑制EPS顆粒的剝落，增大結(jié)構(gòu)密實度，有效緩解EPS混凝土因凍融循環(huán)造成的質(zhì)量損失。而纖維摻量過大時，易團聚，在混凝土中造成缺陷，使試件飽和吸水率增大，內(nèi)部產(chǎn)生的凍脹應力也增大，易發(fā)生EPS顆粒與基體剝落現(xiàn)象，導致整體質(zhì)量損失增快。

圖6 PVA摻量對EPS混凝土抗凍性的影響

由圖6(b)可見當PVA摻量為0.8%時，EPS混凝土的抗壓強度損失整體較為平緩，在凍融循環(huán)25次時，強度損失僅為11.2%，較未摻PVA組下降了38.1%。在凍融循環(huán)下試件發(fā)生強度損失的原因是裂紋的失穩(wěn)擴展。水分在其內(nèi)部微裂縫中遷移，結(jié)冰膨脹，引起的結(jié)冰壓力使原始的微裂縫擴張并誘發(fā)新裂縫的產(chǎn)生[20]，EPS混凝土基體結(jié)構(gòu)逐漸松散，強度降低。當摻入適量PVA時，首先PVA與膠漿粘結(jié)在一起可以更好地包覆EPS顆粒，改善界面過渡區(qū)性能；另外，PVA的橋聯(lián)作用，可以加強混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，抑制水分的遷移，約束裂縫的發(fā)展；同時，PVA在基體中承擔抗拉作用，可以有效抑制微裂縫的擴張，從而使EPS混凝土韌性提升，在凍融循環(huán)下不易發(fā)生破壞。

3 結(jié) 論

(1)摻入PVA對EPS混凝土的容重影響不大，流動性和吸水率明顯降低，在摻量為0.8%時，吸水率降幅效果最明顯達到27.7%，此時流動度滿足工作性要求。

(2)當PVA摻量不超過0.8%時，對EPS混凝土的抗壓、劈裂抗拉、抗折強度有提升效果，繼續(xù)增加反而會使其降低，此時拉壓比增大，材料的韌性和延性得到了良好的改善。

(3)當PVA摻量為0.8%時，EPS混凝土的導熱系數(shù)降低到0.161 W/(m·K)，此時材料的保溫隔熱性能最優(yōu)。并且各齡期EPS混凝土干縮率均有明顯的降低，PVA的摻入可以有效地控制試件的干縮變形。

(4)適量PVA的摻入可以增強EPS混凝土的抗凍融循環(huán)能力，有效降低凍融循環(huán)時試件的質(zhì)量與強度損失，在摻量為0.8%時質(zhì)量與強度損失均最小。