淺談EPS在陶粒混凝土中的應用

劉春蘋萬勇曾忠敏

1 前言

EPS輕集料混凝土（Expanded polystyrene 1ightweight aggregate concrete），是以EPS顆粒部分或全部取代混凝土中的砂、石集料配制而成。根據取代量不同，可配制不同密度（500～2200kg/m3）和強度的混凝土[1]。20世紀70年代，Cook對EPS顆粒作為集料的輕集料混凝土進行了系統研究[2]。20世紀80年代，澳大利亞開發了BST專利技術[3]，將膨脹聚苯乙烯泡沫珠表面進行化學處理，獲得均質、性能較好的輕質混凝土，用于建筑工程。21世紀以來，高層建筑的發展對高強混凝土提出更輕質的要求，但國內在EPS輕集料混凝土方面的研究起步較晚，各種性能均缺乏比較系統完善的研究，在我國的應用還不是很廣泛[2]。與普通混凝土相比，EPS輕集料混凝土導熱系數小、抗震性能好，不僅造價低，而且循環利用廢棄材料。近年來，我國在EPS輕集料混凝土的研究方面也取得了一些進展，主要進行其強度方面的研究，但無論是在試驗研究還是實際應用方面與國外的差距都還不小。

陶粒混凝土是用陶粒替代部分粗骨料的混凝土，密度小、可以用于維護結構，相對強度高、可以用于承重結構，隔熱保溫且耐火、抗凍。目前常被用于高層、超高層建筑、橋梁建筑、海上建筑及大跨度建筑的建設中。目前，日本、美國及歐洲一些國家陶粒混凝土的研究水平較高，高強陶粒混凝土及其泵送技術已得到了成功的應用[4]。我國目前對它的各種性能也均有研究，主要集中于強度、彈性模量、抗裂及耐腐蝕等方面。

本文介紹材料，配合比，制作工藝，養護條件等對EPS混凝土與陶粒混凝土的主要的幾種性能的影響，并結合兩種混凝土的優缺點，預測用摻有EPS部分替代陶粒混凝土中的骨料的新型混凝土的性能、可能出現的問題及其應用前景。

2 基本原理

EPS輕集料混凝土用水泥膠結再生或原生EPS顆粒及細集料，并摻加一些外加劑（引氣劑，氯丁膠乳及減水劑等）而成。其配制基本原理是：混凝土的密度最小，強度達到施工要求，滿足熱工及變形性能等。根據這個原理，選擇粒徑較小的EPS顆粒，高標號水泥，保證其和易性與勻質性。還可以使用礦物摻和料取代部分水泥，有效降低水泥砂漿與骨料的密度差，減少分層離析，提高密實度，從而提高整體的強度。

陶粒混凝土用陶粒替代粗骨料，以水泥為膠結料，并摻加一些外加劑（減水劑等）而成，不同陶粒制成的混凝土又有其不同的特性。在配制過程中，在滿足熱工、變形性能，彈性模量等條件下，用較小的水灰比，以減輕陶粒的上浮，并且提高其強度。

3 EPS混凝土與陶粒混凝土的力學性能

3.1 抗壓強度

EPS輕集料混凝土的強度較低，通過優化骨料粒徑級配，添加減水劑，有機添加劑（氯丁膠乳等）及無機摻和物（微硅粉及粉煤灰等）來盡量提高混凝土的抗壓強度。各個因素的作用機理如下：

聚苯顆粒的粒徑，摻和量及加工方式對抗壓強度都有一定的影響，粒徑較小的顆粒比較有利于與膠體的粘結，但顆粒越小，成本越高，符合最佳技術經濟效益的EPS顆粒粒徑尚待研究。隨著聚苯顆粒的增加，混凝土的密度和強度都減小。微硅粉的顆粒較小，填充在水泥漿體中，增加其粘稠性，改善界面情況，因而能提高混凝土的強度。在EPS摻量不變時，微硅粉摻量的增大提高EPS混凝土抗壓強度。但隨著EPS摻量的增大，其提高幅度降低，當EPS體積摻量為55%時，僅提高了8%左右[2]。

影響陶粒混凝土強度的因素主要有：砂漿，陶粒強度，水灰比以及陶粒的含水率。提高砂漿的強度，增加包裹陶粒表面的強度，在一定范圍內，混凝土的強度隨砂漿強度的增加而增加；陶粒強度是影響強度的關鍵因素，不能依靠提高水泥摻量提高混凝土的強度，配置高強混凝土時采用高強陶粒；水灰比是影響強度的主要因素，要提高混凝土的強度，就應降低水灰比，水灰比的降低導致混凝土拌和物和易性差，以致影響混凝土的攪拌、振搗、成型等。陶粒的多孔結構使得它的含水率影響混凝土的強度，干燥的陶粒能提高強度 3～8%[5～6]。

3.2 劈裂抗拉強度

隨EPS的體積的增加，劈裂抗拉強度減小，當其體積增長到一定程度的時候，混凝土破壞的時候不顯示脆性，EPS顆粒的減小有利于劈裂抗拉強度的提高，摻入微硅粉也能提高EPS輕集料混凝土的劈裂抗拉強度，當EPS含量較高時，這種效用就更明顯。

與普通混凝土相比，陶粒混凝土的劈裂抗拉強度相近，加入鋼纖維后，陶粒混凝土的抗拉得到了明顯的改善，其劈裂抗拉強度值的提高率最大為77.31%。

3.3 抗折強度

陶粒混凝土的抗折性能優于普通混凝土，在對陶粒混凝土抗折強度要求較高時，常添加鋼纖維和聚丙烯纖維。在單獨添加鋼纖維的陶粒混凝土中，未摻鋼纖維時，初裂強度即是抗折極限強度；摻入鋼纖維后，由于鋼纖維對混凝土基體裂縫前和裂縫后有雙重阻裂效應，從而抗折極限強度比抗折初裂強度有更大幅度的提高。另外在陶粒混凝土中加入EPS，隨著EPS含量的增加，混凝土的抗折強度有所提高[7]。

4 輕集料混凝土的研究動向與存在問題

目前，對采用EPS復合骨料的新型輕集料混凝土的研究在國內還處于起步階段，國外主要集中于EPS取代部分石子的研究，集中于各項強度等。陶粒混凝土的研究已經比較成熟，但高強陶粒混凝土的塑性較低，限制了高強陶粒混凝土的應用。

EPS輕集料混凝土最大的特征是輕質、保溫隔熱性能，抗化學腐蝕較好[8]，通過改變配比能很容易地調節它的性能；陶粒混凝土高強輕質、耐久性好、抗震好、無堿骨料反應。如果用EPS替代陶粒混凝土中的部分粗骨料及細骨料，可能得到強度優于EPS混凝土、質量低于陶粒混凝土、抗震、保溫隔熱性能較好的新型混凝土。它綜合EPS及陶粒混凝土的優點，而且可以通過調節配比，配制出一定強度及熱工性能的混凝土。由于陶粒及EPS本身的特點，在攪拌過程中，可能會出現分層及上浮現象，擬采用裹砂工藝及添加礦物摻合料來解決；為了得到更高強度的混凝土，可以考慮添加鋼纖維及微硅粉。這種混凝土在國內來說有很大的推廣空間，由于其輕質高強，可以廣泛用于高層建筑及其他建筑形式的圍護結構，一方面降低了建筑的整體重量，節約地基基礎的造價，另一方面，其本身的熱工性能較好，減少施工工序及建筑材料的成本。另外其抗滲性及耐久性較好，可以用于海邊建筑及其他對抗滲要求較高的建筑。