微珠對EPS混凝土工作性能和力學性能的影響★

彭文兵，潘冠言，方敏輝，胡忠志，袁 驥

(1.臺州市城鄉規劃設計研究院有限公司,浙江 臺州 318000; 2.臺州學院,浙江 臺州 318000)

0 引言

EPS混凝土是一種輕質環保的混凝土,采用EPS全部代替或部分代替混凝土中的砂石集料制備而成,密度通常低于1 800 kg/m3[1]。EPS混凝土主要用于建筑圍護結構、墻體、預制構件、組合結構、保溫隔熱、墊層、填充以及裝飾裝修等有輕質或建筑節能等要求的混凝土工程[2]。EPS混凝土比其他輕骨料混凝土具有更多的優點,由于它的低密度,EPS混凝土做成預制構件在軟土地區能減小地基沉降[3],可以用于軟弱地基處理,可以用作回填材料以及地下管道的下臥層防止管道破損等。但EPS混凝土中EPS顆粒的疏水性會導致在砂漿和混凝土的配制過程中出現不均勻的分層以及嚴重的離析[4-8],影響EPS混凝土的澆筑填充施工及其力學性能。為了滿足施工的需要,使EPS混凝土獲得較高的工作性能和力學性能,本文采用一種名叫微珠[9]的材料添加在EPS混凝土,達到提升EPS混凝土性能的目的。

本文按照微珠摻量分別為膠凝材料0%,5%,10%,15%,20%來配制同密度等級的EPS混凝土,結合SEM表征手段研究了EPS混凝土工作性能和力學性能,以期為EPS混凝土工程應用提供參考。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥采用P.O42.5;砂子為水洗后的海砂,表觀密度為2 630 kg/m3,細度模數為2.60;粉煤灰為臺州天達環保建材有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰;微珠為天津筑成新材料科技有限公司生產,表觀密度為2 520 kg/m3,堆積密度為760 kg/m3,比表面積大于1 300 m2/kg,微珠及掃描電鏡圖如圖1所示。減水劑采用聚羧酸減水劑,固含量為20%;EPS顆粒粒徑為2 mm～3 mm,堆積密度為17.6 kg/m3,如圖2所示。

1.2 EPS混凝土配合比設計

本文設計了5組EPS顆粒試件,維持各組膠凝材料總量不變;其中第1組為空白對照組,不添加微珠;第2組、第3組、第4組、第5組微珠摻量分別為5%,10%,15%,20%的膠凝材料,并用相應的微珠摻量取代了第1組的粉煤灰;5組EPS混凝土試驗配合比如表1所示。

表1 EPS混凝土配合比

1.3 試樣制作與養護

本實驗采用強制式攪拌機進行攪拌,按照表1所給的配合比稱量好各種材料,先將粉體材料加入攪拌機中攪拌1 min,然后將水和減水劑加入攪拌,待膠凝材料成漿體狀態,加入EPS泡沫顆粒,然后再加入剩余的水,攪拌至成為新拌EPS混凝土。本試驗試件制備依據GB/T 50081—2019混凝土力學性能試驗方法標準進行[10],每組EPS混凝土制備4組立方體試件(100 mm×100 mm×100 mm),每組試件3塊,其中1組立方體試件用于測試28 d養護強度,1組用于微觀測試。EPS混凝土試件成型后置于自然養護室,1 d后拆模置于標準養護室養護。各組試件的干密度均為1 100 kg/m3,如圖3所示,制作好的試件如圖4所示。

1.4 工作性能測試與強度測試

新拌EPS混凝土的坍落度和擴展度測定參照GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能試驗方法標準進行[11];EPS混凝土的干表觀密度的測定參照JGJ 51—2002輕骨料混凝土技術規程進行[12];EPS混凝土的抗壓強度測定參照GB/T 50081—2019混凝土物理力學性能試驗方法標準進行。

1.5 微觀測試

為了揭示微珠對EPS混凝土強度的影響,采用掃描電鏡觀察硬化后的EPS混凝土微觀結構。具體步驟是從成型并養護28 d的試塊中取出一小塊制作試樣,在抽空機中進行抽空,然后置于掃描電鏡中抽中空觀察,拍攝EPS顆粒與水泥基界面之間的微觀形貌,微觀測試過程如圖5所示。

2 結果分析

2.1 工作性能

通過按照圖6所示測試EPS混凝土的擴展度和坍落度,5組EPS混凝土的坍落度和擴展度如表2所示,編號為1100-0%的EPS混凝土的坍落度和擴展度最小,其他幾組EPS混凝土的坍落度和擴展度隨著微珠摻量的增加而依次增大,本文所配制的EPS混凝土坍落度都滿足表3的要求,添加微珠的EPS混凝土流動性較好,在填充施工方面具有較大的優勢。微珠的加入使得EPS混凝土的流動性得到了大幅度提升,微珠對增大EPS混凝土流動性具有顯著效應,這是因為微珠具有降粘效果,微珠的全球狀超細顆粒的填充性和“滾珠效應”顯著降低混凝土或砂漿的用水量,并且與化學減水劑有完美的疊加作用的結果。

表2 EPS混凝土的坍落度和擴展度

表3 輕珠混凝土拌合物常用坍落度范圍

2.2 力學性能

5組EPS混凝土試件28 d養護強度如圖7所示。

從圖7可知,隨著微珠摻量的增加,混凝土強度呈增長趨勢,這是因為微珠的粒徑很小,當摻入微珠后,微珠堵塞了混凝土中的有害孔和多害孔,使混凝土更加密實,混凝土的強度也隨之增大。

微珠添加量為膠凝材料5%,10%,15%,20%的EPS混凝土的強度分別增加了1.8%,40.48%,38.93%,53.31%。從圖7可知,當微珠摻量為膠凝材料的5%時,強度基本沒有增長,但當微珠摻量為10%的時候,強度增長顯著,當微珠摻量超過10%,EPS混凝土強度繼續增長幅度較小,根據試驗結果可以知道微珠摻量10%為合理的添加量。微珠添加15%的強度反而比微珠添加量為10%的EPS混凝土低,這主要是因為試塊的制作誤差引起的。微珠超細特性,能提高混凝土密實度、改善混凝土中水泥漿與EPS顆粒之間的界面,減少有害毛細孔,提高混凝土強度。

2.3 機理分析

圖8(a)是編號為1100-0%的EPS混凝土掃描電鏡圖,圖8(b)是編號為1100-20%的EPS混凝土掃描電鏡圖。

從圖8可知,未添加微珠的EPS混凝土的界面過渡區縫隙較大,而添加了微珠的EPS混凝土縫隙較小,界面過渡區比較致密。從水泥基體來看,添加了微珠的EPS混凝土水泥基體比較密實,而未添加微珠EPS混凝土水泥基體空隙相對較多,導致了EPS混凝土強度較低。

3 結論

通過對同密度等級不同微珠摻量的EPS混凝土的研究,得到了以下結論:

1)在EPS混凝土中添加微珠能改善EPS混凝土的性能,強度提升可以達到50%左右。

2)當微珠添加量為10%的時候,EPS混凝土的工作性能和力學性能得到明顯提升,微珠的較優摻量為10%。

3)微珠對EPS混凝土力學性能的提升歸因于界面過渡區結構的改善和水泥基體密實度的改善。

4)微珠對EPS混凝土工作性能的提升歸因于微珠的“滾珠效應”,顯著降低混凝土或砂漿的用水量。