EPS混凝土組合墻板的研究進(jìn)展

聚苯乙烯（EPS）由于極低的密度、優(yōu)異的保溫隔熱性能而應(yīng)用建筑領(lǐng)域，尤其是墻板結(jié)構(gòu)中。聚苯顆粒組合墻板是將非生物可降解廢物轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)建筑產(chǎn)品。不僅可以緩解建筑材料資源過(guò)度開(kāi)發(fā)的問(wèn)題，而且對(duì)環(huán)保也有積極作用。從承載力、抗震性能、保溫隔熱、隔聲及能耗詳細(xì)介紹了EPS混凝土在墻板結(jié)構(gòu)中的研究進(jìn)展。論述了EPS混凝土在組合墻板中的研究存在的問(wèn)題，展望了未來(lái)的努力方向。

EPS混凝土； 組合墻； 組合板； 承載力； 保溫隔熱；

TU528.2A

［定稿日期］2023-03-23

［基金項(xiàng)目］浙江省自然基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：LHY22E080001），浙江省建設(shè)科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019K148），浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：Y201941058），國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110349037）

［作者簡(jiǎn)介］潘偉（2000—），男，本科，主要從事新型建筑材料研究工作。

［通信作者］于周平（1982—），女，博士，副教授，主要從事新型建筑材料研究工作。

0 引言

混凝土類型是影響建筑物成本的主要因素之一。厚大的墻板會(huì)增加結(jié)構(gòu)的自重，導(dǎo)致基礎(chǔ)龐大，增加建筑成本。輕質(zhì)混凝土通常比同強(qiáng)度的普通混凝土輕16％～35％［1］，可以設(shè)計(jì)截面更小的構(gòu)件，減少靜載，改善柱和基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)，降低建筑成本。聚苯乙烯（EPS）混凝土由于輕質(zhì)、能量吸收、隔熱隔音等特點(diǎn)而引起了人們極大的興趣［2］。EPS混凝土由EPS顆粒、砂、石、水、外加劑拌制而成。EPS顆粒呈圓球形，僅包含約2％的聚苯乙烯和約98％的空氣［3］。在墻體或樓板等部位使用EPS混凝土能降低建筑自重，減小能耗，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。EPS組合墻板有望成為廢料利用的主流墻材。此外，EPS大量用作包裝材料或絕緣材料，但是EPS無(wú)法生物降解而導(dǎo)致較為嚴(yán)重環(huán)保問(wèn)題［4］。EPS制備混凝土為解決環(huán)境污染問(wèn)題提供了途徑。本文綜述了聚苯顆粒混凝土在墻板結(jié)構(gòu)中的研究，對(duì)今后聚苯顆?；炷猎诮M合墻板結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

1 EPS混凝土組合墻

1.1 EPS混凝土組合墻的承載力

EPS混凝土由于質(zhì)量極輕的特性，主要用作墻體的填充材料。EPS混凝土與輕鋼框架形成承重、保溫一體化的組合墻。研究表明EPS混凝土填充的鋼框架組合墻比無(wú)填充的鋼框架墻體結(jié)構(gòu)能夠顯著地提高承載力［5］。袁泉等［6］研究發(fā)現(xiàn)輕鋼EPS泡沫混凝土組合墻體的受剪承載力為無(wú)填充材料墻體的3.3倍。EPS混凝土的填充可使冷彎型鋼框架墻體的橫向承載力提高84.6%［7］。李東彬等［8］研究發(fā)現(xiàn)EPS混凝土的強(qiáng)度越高，混凝土與鋼材之間的粘結(jié)力越大，輕鋼EPS混凝土組合墻的承載力隨著EPS混凝土強(qiáng)度的增大而增大。鋼絲網(wǎng)、纖維網(wǎng)有效提高EPS復(fù)合保溫墻力學(xué)性能［9］。EPS混凝土復(fù)合墻外設(shè)鋼網(wǎng)可以提高承載力約6%［10］。Amran等［11］研究了細(xì)長(zhǎng)比、厚度對(duì)夾有EPS板塊的輕質(zhì)泡沫混凝土復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合墻板的細(xì)長(zhǎng)比從28.57降低到13.33，其極限承載力增加了89％。

Abd等［12］研究發(fā)現(xiàn)含有30％的EPS和0.5％的鋼纖維是輕質(zhì)混凝土的最佳摻量，其混凝土的抗壓強(qiáng)度為19.51 MPa，密度為1939 kg/m3，可用于制作承重墻。墻體的最大承載力達(dá)到853.40 kN，最大撓度為12.95 mm，符合承重墻的要求。Jayasinghe等［13］通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了EPS替代50％粗集料的混凝土與水泥纖維板生產(chǎn)的輕質(zhì)墻板的受壓性能和受彎性能。結(jié)果表明復(fù)合墻板具有足夠的抗壓強(qiáng)度和相當(dāng)高的抗彎能力能有效地用于單層房屋的承重墻和多層建筑的非承重墻。

Sharafi等［14］提出墻體開(kāi)口的尺寸和位置是輕質(zhì)鋼框架復(fù)合墻橫向承載力的影響因素。楊偉軍等［10］通過(guò)有通過(guò)限元分析得出復(fù)合墻最理想的開(kāi)孔率為30%。輕鋼輕鋼模網(wǎng)改性EPS混凝土復(fù)合墻的破壞屬于呈剪切型破壞，形態(tài)與框架填充墻類似［15］。

1.2 EPS混凝土組合墻的抗震性能

EPS混凝土復(fù)合墻具有良好的變形能力和抗震性能，延性系數(shù)和耗能能力隨著軸壓比的增加而提高［8、15］。與無(wú)填充的鋼框架墻體相比，EPS混凝土填充的鋼框架組合墻在側(cè)向剛度、抗震性能和耗能的能力方面均有顯著提高［5］。袁泉等［6］發(fā)現(xiàn)輕鋼EPS泡沫混凝土組合墻體的初始抗側(cè)剛度是無(wú)填充材料墻體的4倍。封葉等［9］研究表明EPS改善了復(fù)合保溫墻的脆性提高了延性，鋼絲網(wǎng)、纖維網(wǎng)有效提高EPS復(fù)合保溫墻延性。Mousavi等［16］用輕質(zhì)EPS混凝土，鍍鋅鋼網(wǎng)和鋼板制作了組合墻，研究結(jié)果表明組合墻延性好，具有穩(wěn)定的滯回曲線。Lee等［17］研究了超高性能混凝土復(fù)合材料和EPS制成夾芯板的抗彎性能，發(fā)現(xiàn)鋼纖維和玻璃纖維增強(qiáng)塑料網(wǎng)可以增強(qiáng)的組合墻板的延性和抗震性能。Wibowo等［18］研究發(fā)現(xiàn)預(yù)制EPS鋼筋混凝土薄墻在中低度地震區(qū)側(cè)向偏移量為1%時(shí)，峰值荷載下降了20%，并提出預(yù)制EPS鋼筋混凝土薄墻不適用于高度地震區(qū)。而雙壁EPS鋼筋混凝土薄板墻抗側(cè)移效果更好，可適用高度區(qū)。

1.3 EPS混凝土組合墻的保溫隔熱

李燚等［19］采用巖棉板（外模板）與水泥硅鈣板（內(nèi)模板）作為永久免拆模板，澆筑EPS混凝土制備具有保溫隔熱功能的輕質(zhì)填充墻體。王慶華等［20］研究了含EPS顆粒的保溫砂漿和EPS板對(duì)輕質(zhì)保溫墻板（圖1）的熱工性能發(fā)現(xiàn)當(dāng)墻體面密度增加2%，其傳熱阻和熱惰性指標(biāo)分別增加了34%、23%，而導(dǎo)熱系數(shù)降低25%，提出墻體的面密度影響是熱工性能的關(guān)鍵因素。EPS混凝土板厚、保溫砂漿的面層厚度和肋厚在一定程度上也會(huì)改善墻板的熱工性能，增加EPS板厚的效果更好，其次是保溫砂漿層厚度。Ali等［21］將量為水泥用量1%的EPS顆粒為原材料配置混凝土混合物澆筑建筑外墻，并在墻體中埋設(shè)聚氯乙烯管制備耐熱墻板。發(fā)現(xiàn)在聚氯乙烯管通冷水的耐熱墻板具有良好的隔熱作用，其內(nèi)表面溫度比對(duì)照墻板低3 ℃。

1.4 EPS混凝土組合墻的其他性能

朱永明等［22］采用試驗(yàn)和有限元分析方法研究了EPS混凝土復(fù)合墻板的隔聲性能，結(jié)果表明該組合墻均能滿足綠色建筑外墻隔聲的高要求指標(biāo)。Miskinis等［23］發(fā)現(xiàn)EPS顆粒對(duì)組合墻墻體的隔音效果沒(méi)有明顯的影響，但是可以提高墻體的隔熱性能，最高達(dá)4.88 m2·K/W。

Dissanayake等［4］通過(guò)試驗(yàn)分析了厚度為100 mm的燒結(jié)黏土磚墻，水泥砂塊砌成的墻體、EPS混凝土外墻的能量消耗，結(jié)果是水泥砂塊墻體的能耗最省，其次是EPS板墻體。EPS混凝土墻體的能耗隨厚度增加而增加，而100 mm和150 mm厚的EPS混凝土墻體的能耗增幅不大。綜合考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、能耗和環(huán)保因素提出100 mm或150 mm厚的EPS混凝土預(yù)制墻板有可能成為主流墻材。

2 EPS混凝土組合板

Lumin Wang等［24］以EPS顆粒為骨料，用水泥和建筑膠粉拌制輕質(zhì)混凝土，使用鋼制模具和廢舊的窗戶紗網(wǎng)制作成圓環(huán)形EPS塊。以環(huán)形的EPS塊為填充材料，制作了鋼筋混凝土組合板。試驗(yàn)結(jié)果表明此類EPS混凝土組合板特別適用于雙向板。Saheed等［25］用EPS顆粒分別以15%～30％的百分比替代粗集料，采石場(chǎng)粉塵分別以7.5％～22.5％替代細(xì)骨料來(lái)制備輕質(zhì)膨脹聚苯乙烯泡沫混凝土，預(yù)制了厚度為200 mm，跨度分別為3.5 m、4.5 m和6.0 m的EPS混凝土C形樓板。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用EPS珠粒代替20%粗骨料的混凝土 C形樓板自重降低了20％，而極限承載力與普通混凝土樓板幾乎相等；預(yù)制的混凝土C形板的延性比和能量吸收性能更好，但撓度更大、抗彎剛度更低。Amran等［26］研究表明高寬比對(duì)預(yù)制聚苯顆粒混凝土夾芯板的承載力無(wú)影響；開(kāi)裂荷載是極限荷載的40%～51%；夾芯板的韌性好，在破壞前有較大的變形。Mohamad［27］研究了發(fā)現(xiàn)EPS板塊和輕質(zhì)泡沫混凝土作為隔離層預(yù)制夾芯板的開(kāi)裂荷載是極限荷載的40％至80％，極限荷載隨著泡沫混凝土強(qiáng)度的增加而增加。Vakhshouri等［28］提出BP1蠕變模型可以分析EPS輕質(zhì)混凝土板在兩種載荷水平下隨時(shí)間變化的行為；隨著載荷水平增加，撓度預(yù)測(cè)效果更好（圖2）。

3 結(jié)論與展望

EPS混凝土具有質(zhì)量輕、優(yōu)異的保溫隔熱性能而應(yīng)用廣泛于墻板結(jié)構(gòu)中，本文從EPS混凝土組合墻和板兩種構(gòu)件展開(kāi)綜述，重點(diǎn)對(duì)EPS組合墻的承載能力、延性、抗震性能及保溫隔熱性能進(jìn)行了歸納與分析，得出下述結(jié)論。

EPS在組合墻板結(jié)構(gòu)中主要以EPS顆粒形式作為原材料制備EPS混凝土，將EPS混凝土澆筑到鋼框架或模板中形成裝配整體式組合式墻板。此外，EPS以板塊的形式添加到組合結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中形成夾心墻板結(jié)構(gòu)。EPS組合墻板具有良好的變形能力和延性。由于EPS強(qiáng)度極低，EPS組合墻主要用于填充墻，破壞形式類似于框架填充墻。此外，組合墻板的承載力隨EPS混凝土的強(qiáng)度增大而增大，鋼絲網(wǎng)、纖維等材料也可以提高EPS組合墻的承載力和延性。EPS混凝土能夠降低組合墻的導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫隔熱的性能，但對(duì)隔音性能沒(méi)有明顯的改善。EPS組合板的研究不多，其中EPS混凝土主要用于預(yù)制組合板的制作。

綜合上述的研究結(jié)果仍存在如下問(wèn)題：在聚苯顆粒組合墻的研究中的抗壓彎性能、抗震性能、保溫隔熱性能試驗(yàn)研究較多、理論分析較少。而組合墻體的種類較多，研究不系統(tǒng)全面，研究結(jié)果可對(duì)比性不強(qiáng)。因此，EPS組合墻板的主流類型有待于進(jìn)一步研究與確定，EPS混凝土與鋼框架或鋼筋的協(xié)同作用機(jī)理有待于進(jìn)一步分析與闡述。

參考文獻(xiàn)

［1］ Radonjanin V， Maleev M， Marinkovic S ， et al. Green recycled aggregate concrete［J］. Construction amp; Building Materials， 2013， 47（Complete）：1503-1511.

［2］ Nogueira C L， Rens K L. Ultrasonic wave propagation in EPS lightweight concrete and effective elastic properties［J］. Construction and Building Materials， 2018（184）： 634-642.

［3］ Aciu C ， Manea D L ， Molnar L M ， et al. Recycling of polystyrene waste in the composition of ecological mortars［J］. Procedia Technology， 2015（19）：498-505.

［4］ Dissanayake D， Jayasinghe C， Jayasinghe M T R. A comparative embodied energy analysis of a house with recycled expanded polystyrene （EPS） based foam concrete wall panels［J］. Energy and Buildings， 2017（135）： 85-94.

［5］ 尚仁杰，寅志強(qiáng).鋼框架-聚苯顆粒混凝土灌注墻抗側(cè)力試驗(yàn)研究［J］.鋼結(jié)構(gòu)（中英文），2019，34（7）：7-11.

［6］ 袁泉， 楊逸， 呂東鑫， 等. 輕鋼聚苯顆粒泡沫混凝土組合墻體受剪性能試驗(yàn)研究［J］. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2018， 39（11）： 104-111.

［7］ Parastesh H， Pakizeh M R， Hejazi F. Performance of Cold-Formed steel frames In-filled by polystyrene light weight concrete subjected to lateral load［C］//Global Civil Engineering Conference. Springer， Singapore， 2017： 349-371.

［8］ 李東彬，黃強(qiáng)，李紅超，等.輕混凝土強(qiáng)度對(duì)輕鋼聚苯顆粒混凝土墻體抗震性能影響的試驗(yàn)研究［J］.建筑科學(xué)，2019，35（9）：60-65.

［9］ 封葉，王慶華，劉家欽，等.EPS顆粒-EPS板復(fù)合保溫墻板的力學(xué)性能研究［J］.新型建筑材料，2014，41（7）：10-12+15.

［10］ 楊偉軍，羅瑞峰.輕鋼模網(wǎng)改性聚苯顆?；炷翂κ軌盒阅苎芯浚跩］.交通科學(xué)與工程，2020，36（3）：19-27.

［11］ Amran Y H M， Alyousef R， Alabduljabbar H， et al. Influence of slenderness ratio on the structural performance of lightweight foam concrete composite panel［J］. Case Studies in Construction Materials， 2019（10）： e00226.

［12］ Abd Rahim J， Hamzah S H， Saman H M. Expanded polystyrene fibred lightweight concrete （EPSF-LWC） as a load bearing wall panel［J］. Jurnal Teknologi， 2015， 76（9）.

［13］ Jayasinghe， M， T， et al. Structural feasibility of Expanded Polystyrene （EPS） based lightweight concrete sandwich wall panels［J］. Construction amp; Building Materials， 2017.

［14］ Sharafi P， Mortazavi M， Usefi N， et al. Lateral force resisting systems in lightweight steel frames： recent research advances［J］. Thin-Walled Structures， 2018（130）： 231-253.

［15］ 崔成臣. 輕鋼EPS混凝土剪力墻抗震性能研究［D］.北京：清華大學(xué)，2016.

［16］ Mousavi S A ， Zahrai S M ， Bahrami-Rad A . Quasi-static cyclic tests on super-lightweight EPS concrete shear walls［J］. Engineering Structures， 2014， 65（15）：62-75.

［17］ Lee J H， Hong S G， Ha Y J. Sandwich panels of ultra-high performance concrete composite with expanded polystyrene［J］. Journal of Asian Concrete Federation， 2017， 3（2）： 90-97.

［18］ Wibowo A ， Wijatmiko I ， Nainggolan C R . Cyclic behaviour of expanded polystyrene （EPS） sandwich reinforced concrete walls［J］. Advances in Materials Science and Engineering， 2018.

［19］ 李燚，黃凱.ZL現(xiàn)澆聚苯顆粒泡沫混凝土復(fù)合保溫墻體［J］.建設(shè)科技，2013（21）：61-62.

［20］ 王慶華，封葉，汪純鵬，等.EPS顆粒-EPS板復(fù)合保溫墻板的熱工性能研究［J］.新型建筑材料，2014，41（3）：48-51.

［21］ Ali U N， Nor N M， Yusuf M A， et al. Application of water flowing PVC pipe and EPS foam bead as insulation for wall panel［C］//AIP Conference Proceedings. AIP Publishing LLC， 2018， 1930（1）： 020011.

［22］ 朱永明，周建民，司遠(yuǎn)，等.聚苯顆?；炷翉?fù)合墻板隔聲性能試驗(yàn)研究與理論分析［J］.力學(xué)季刊，2015，36（1）：115-124.

［23］ Miskinis K， Dikavicius V， Buska A， et al. Influence of EPS， mineral wool and plaster layers on sound and thermal insulation of a wall： a case study［J］. Applied Acoustics， 2018（137）： 62-68.

［24］ Wang L M， Zhang D Y， Liang X P. Design and Construction of the Slab with Novel Filled Material［C］//Advanced Materials Research. Trans Tech Publications Ltd， 2011， 168： 1025-1029.

［25］ Saheed S ， Amran Y H M ， El-Zeadani M ， et al. Structural behavior of out-of-plane loaded precast lightweight EPS-foam concrete C-shaped slabs［J］. Journal of Building Engineering， 2020（33）：101597.

［26］ Amran Y H M， Rashid R S M， Hejazi F， et al. Structural behavior of laterally loaded precast foamed concrete sandwich panel［J］. International Journal of Civil， Environmental， Structural， Construction and Architectural Engineering， 2016， 10（3）： 255-263.

［27］ Mohamad N， Khalil A I， Abdul Samad A A， et al. Structural behavior of precast lightweight foam concrete sandwich panel with double shear truss connectors under flexural load［J］. International Scholarly Research Notices， 2014.

［28］ Vakhshouri B， Nejadi S， Erkmen E. Advances in numerical analysis of creep effect in time-dependent deflection of light-weight concrete slabs［J］. Mechanics of Advanced Materials and Structures， 2020， 27（18）： 1563-1570.