EPS混凝土泡沫顆粒改性方法及其最佳粒徑探究

郝國偉

（山西五建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

EPS 混凝土是“聚苯乙烯泡沫混凝土”的簡稱，該類型混凝土具有自重小、易成型等優(yōu)點(diǎn)[1]，其在輕質(zhì)裝配式預(yù)制構(gòu)件制備領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。但在實(shí)際應(yīng)用中，其泡沫顆粒（以下簡稱“EPS 顆?！保┰魉暂^大、對無機(jī)膠凝材料排斥性較大的技術(shù)缺陷凸顯，從而影響EPS 混凝土的使用性能。為了消除EPS 顆粒帶來的技術(shù)缺陷，對EPS 顆粒進(jìn)行改性。本文就EPS 混凝土EPS顆粒改性方法及其最佳粒徑進(jìn)行探究。

1 我國中北地區(qū)EPS 混凝土的原材料及配比設(shè)計(jì)

1.1 原材料性能指標(biāo)

我國中北地區(qū)所使用的EPS 混凝土主要由EPS 顆粒、水泥、硅灰、粉煤灰、化學(xué)外加劑、聚丙烯醇纖維組成，其中，EPS顆粒：建筑施工現(xiàn)場所使用的EPS顆粒粒徑為4mm，干密度為1.307g/cm3，流動(dòng)度為170mm，坍落度為95mm；水泥：一般采用規(guī)格型號為42.5#的普通硅酸鹽水泥，其密度為3.09g/cm3，流動(dòng)度為197mm，比表面積為350m2/kg，水泥試塊在第3d 和第8d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為32.4MPa、48.1MPa，抗折強(qiáng)度分別為5.1MPa、8.7MPa，初凝和終凝時(shí)間分別為185min 和236min；硅灰：硅灰比表面積為21m2/kg，密度為2.1g/cm3，其原料的化學(xué)成分中，SiO2約為95.06%、Al2O3約為0.25%、CaO約為0.65%、SO3約為0.47%、Fe2O3約為0.08%、MgO 約為0.59%、Na2O 約為0.09%、K2O 約為0.27%，其燒失量平均值為2.33%；粉煤灰：粉煤灰比表面積為325m2/kg，密度為2.21g/cm3，4.6μm 的篩孔篩余量為9.6%，需水量比為93%，其原料化學(xué)成分中，SiO2約為47.84%、Al2O3約為30.43%、CaO 約為4.81%、SO3約為1.33%、Fe2O3約為5.12%、MgO 約為0.50%、TiO2約為1.63%、Na2O 約為0.42%、K2O約為1.50%，其燒失量為5.0%；化學(xué)外加劑：EPS 混凝土在拌制過程中還混合有保水增稠劑，保水增稠劑的主要類型為羥丙基甲基纖維素醚（HPMC），該類型保水增稠劑的密度平均值為1.39g/cm3，黏度平均值為100000MPa·s；聚丙烯醇纖維：是一種能夠明顯增強(qiáng)EPS 混凝土韌性的材料，其纖維直徑約為20μm、纖維長度約為6mm，抗拉強(qiáng)度約為1089MPa，楊氏模量約為28GPa，延伸率約為7.5%。

1.2 EPS混凝土的配比設(shè)計(jì)

我國中北地區(qū)各類建筑使用的EPS 混凝土的配合比平均值見表1。

表1 中北地區(qū)各類建筑EPS混凝土配合比平均值

根據(jù)上述內(nèi)容控制EPS 混凝土各項(xiàng)原材料的技術(shù)指標(biāo)，并按表1 所示的配合比制備EPS 混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊，并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試與抗折強(qiáng)度測試，得出EPS 混凝土試塊在第7d、第14d、第28d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為10.09MPa、14.45MPa 和16.87MPa，抗折強(qiáng)度分別為2.78MPa、3.24MPa和3.81MPa。

2 EPS顆粒的改性方法

2.1 EPS顆粒的改性機(jī)理

EPS混凝土的關(guān)鍵材料EPS顆粒屬于有機(jī)物顆粒，其外表面體現(xiàn)出較強(qiáng)的憎水性[2]。然而水泥、硅灰、粉煤灰、水、保水增稠劑、聚丙烯醇纖維等混合而成的無機(jī)膠凝材料與EPS 顆粒之間，因材料特性不同不僅較難發(fā)生交互融合，而且EPS 顆粒還明顯降低無機(jī)膠凝材料的粘聚性[3]。此外，由于EPS 顆粒的自重較輕，該類型顆粒通過拌合方式位于EPS 混凝土構(gòu)件內(nèi)部時(shí)，可視為“孔洞”，因此EPS 混凝土呈現(xiàn)出勻質(zhì)性較差的特點(diǎn)。故而需通過一些技術(shù)措施對EPS 進(jìn)行改性，以降低EPS 顆粒自身特性對EPS 混凝土形成的消極影響，從整體上提升EPS混凝土的使用性能。

2.2 EPS顆粒的改性方式

根據(jù)“裹漿造殼”原理，本次擬在EPS 顆粒的外表面均勻涂抹改性劑溶液，以降低其自身外表面的憎水性，以及降低其與無機(jī)膠凝材料之間的互融排斥性，從而達(dá)到提升EPS 顆粒與無機(jī)膠凝材料之間粘聚力的效用，以期從整體上提升EPS 混凝土的力學(xué)性能。本次采用專家問卷調(diào)查的方式，通過向EPS 混凝土施工技術(shù)領(lǐng)域具有豐富從業(yè)經(jīng)驗(yàn)、且具有副高級及以上職稱的專家進(jìn)行問卷，根據(jù)有關(guān)專家的問卷反饋意見，使用HPMC高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料對EPS顆粒進(jìn)行拌合浸泡，拌合浸泡前后的EPS 顆粒分別如圖1（a）和圖1（b）所示。從圖1（a）和圖1（b）的對比可以看出，通過HPMC高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料的充分拌合、浸泡，EPS 顆粒外表面被罩上了一層HPMC 高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料“涂層”，以降低其外表面的憎水性以及對無機(jī)膠凝材料的排斥性。

圖1 使用HPMC高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料拌合浸泡前后的EPS顆粒

2.3 改性效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證HPMC 高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料對EPS 顆粒的改性效果，本次設(shè)置9 組試驗(yàn)組和1 組對照組，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 EPS顆粒改性試驗(yàn)效果對比（試驗(yàn)組與對照組的性能對比）

綜合上述，EPS顆粒經(jīng)HPMC高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料拌合浸泡8d 后，其外表面憎水性及其對無機(jī)膠凝液體的排斥性基本達(dá)到了改性的最佳效果，故而本次探究決定統(tǒng)一以HPMC 高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料拌合浸泡8d，作為后續(xù)研究的試驗(yàn)控制條件。

3 改性泡沫顆粒最佳粒徑的確定

前文基于試驗(yàn)得出了使用HPMC 高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料能夠?qū)PS 顆粒起到改性效果，且使用HPMC 高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料拌合浸泡8d的EPS顆粒改良效果最佳。但是，由于目前市面上的EPS 顆粒粒徑有3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm 等5種規(guī)格，使用哪一種粒徑規(guī)格制備的EPS 混凝土性能最佳，還需再次經(jīng)試驗(yàn)測定。按照上文材料特性以及表1 所示配比，分別將3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm粒徑的EPS顆粒分別與HPMC 高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料拌合浸泡8d 后，用于制作EPS混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊，試塊的性能測試結(jié)果表3。

表3 不同粒徑EPS顆粒經(jīng)改性后制得的試塊性能

通過表3 結(jié)果可以看出，EPS 混凝土試塊中的EPS顆粒從3mm 逐漸增大至5mm 的過程中，試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大、再減小的變化趨勢，由此可以看出，改性EPS 顆粒的粒徑對于EPS 混凝土的力學(xué)性能也存在明顯影響，且從本次探究的結(jié)果來看，3.5mm應(yīng)作為改性EPS顆粒的最佳粒徑。

4 結(jié)束語

本文針對EPS 混凝土推廣應(yīng)用中因EPS 顆粒憎水性較大、對無機(jī)膠凝材料排斥性較大而出現(xiàn)的技術(shù)缺陷，對EPS 顆粒進(jìn)行改性試驗(yàn)：一方面采用HPMC 高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料對EPS 顆粒進(jìn)行拌合浸泡，研究EPS顆粒憎水性和對無機(jī)膠凝材料排斥性的變化；另一方面對不同粒徑改性EPS 顆粒對混凝土力學(xué)性能影響進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明：EPS顆粒外表面經(jīng)HPMC高流態(tài)早強(qiáng)膠凝材料拌合浸泡8d 時(shí)的改性效果最佳，改性EPS 顆粒的粒徑為3.5mm 時(shí)對應(yīng)制作的混凝土性能最佳。