EPS混凝土試驗、本構模型及節能評價研究

劉嫄春

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080）

（作者電子信箱，劉嫄春：yuanchun＿liu＠126．com）

發泡聚苯乙烯（expanded polystyrene，簡稱EPS）混凝土是一種新型節能建筑材料。由于利用廢棄的塑料泡沫作為主要骨料代替混凝土中的部分沙石，所以具有輕質、保溫、節能、利廢、環保的特性，EPS混凝土的材料研發與工程應用在建筑領域和環境科學領域中固體廢棄物回收利用方面逐漸成為研究熱點。本文在國內外EPS混凝土前期工作的基礎上，針對東北地區建筑高能耗問題，從宏觀、粗觀、細觀、微觀4個層次對EPS混凝土的材料組成、結構及性能進行了深入的研究，制備一種適用于東北地區的EPS混凝土材料，進行EPS混凝土的配比及各項性能試驗，并建立了該EPS混凝土的損傷本構模型，為EPS混凝土在東北地區的工程應用奠定了理論基礎。針對東北地區的氣候環境，構建了適用于東北嚴寒地區的建筑節能評價指標體系，為對東北地區的建筑節能做出更加科學的評價提供了有利工具，有利于促進建筑節能技術和新型建筑節能材料在東北地區的推廣應用。本文的研究對實現國家節能降耗和可持續發展具有重要意義。

首先，對不同配比的EPS混凝土進行了力學性能試驗。通過試驗數據回歸分析得出EPS混凝土抗壓強度與EPS混凝土密度之間的函數關系。對EPS混凝土的各組成成分對其力學性能的影響分別進行了研究。分析了不同EPS顆粒粒徑大小（2～3mm、3～6mm），不同體積含量（56%、64%、67%）對EPS混凝土性能的影響。研究了不同硅灰摻量（1%、10%、18%）對EPS混凝土抗壓強度的影響。加入不同比例的聚丙烯纖維的EPS混凝土的試驗結果表明，聚丙烯纖維最優摻入量為1．3～2．0kg／m3。基于不同水灰比對抗壓強度影響的分析結果，建立了可用于配合比設計的EPS混凝土強度模型。對不同強度的EPS混凝土單軸受壓應力－應變關系特征進行了分析，對于強度較低的EPS混凝土的整個壓縮曲線表現出明顯的3個不同的階段：彈性階段、坍塌平臺階段、應變軟化階段；對于強度大于3MPa的EPS混凝土，其應力－應變曲線可以概括為彈性、強化、軟化3個階段。通過掃描電鏡試驗對EPS混凝土的微觀形貌進行表征，揭示了EPS混凝土受力破壞機理以及聚丙烯纖維的增強作用機理。通過快速凍融試驗與濕遷移試驗對EPS混凝土的耐久性能進行了研究。通過X射線衍射化學成分分析試驗確定了EPS混凝土的主要化學成分。

其次，在連續介質損傷力學和經典塑性力學的理論框架下，基于混凝土損傷本構模型的研究基礎，給出了EPS混凝土彈塑性損傷本構模型。通過確定合適的損傷變量，基于彈性Helmholtz自由能建立損傷本構方程，在有效應力空間定義屈服面來考慮塑性變形，進行了彈塑性損傷本構模型的基本公式的推導，用試驗結果確定模型參數，給出了單軸受壓／受拉情況下EPS混凝土材料的損傷演化方程、塑性變形的計算公式和損傷本構方程，通過與EPS混凝土單調加載作用下的試驗結果進行對比，對EPS混凝土彈塑性損傷模型的有效性進行了驗證，EPS混凝土材料的損傷演化行為可以被該模型較好地描述。

再次，把EPS混凝土看作由EPS圓形骨料和砂漿基體組成的兩相復合材料進行細觀數值模擬研究，建立兩種不同的EPS骨料分布模型，分析EPS骨料的變形和相對位置對EPS混凝土應力分布的影響。通過數值模擬與理論公式的推導揭示了EPS混凝土單軸受壓破壞的機理。根據不同時間步的應力分布圖，分析了EPS混凝土在強化階段、軟化階段的裂縫形式。

最后，運用模糊綜合評定的系統工程方法，考慮新型節能材料在現代建筑中的使用和對建筑節能的影響，依據東北地區氣候特征，進行建筑節能指標分析，建立東北嚴寒地區建筑節能評價指標體系，通過對現有建筑進行試評價說明該評價方法的可操作性。