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、易成型等優點[1]，其在輕質裝配式預制構件制備領域的應用越來越多。但在實際應用中，其泡沫顆粒（以下簡稱“EPS 顆粒”）憎水性較大、對無機膠凝材料排斥性較大的技術缺陷凸顯，從而影響EPS 混凝土的使用性能。為了消除EPS 顆粒帶來的技術缺陷，對EPS 顆粒進行改性。本文就EPS 混凝土EPS顆粒改性方法及其最佳粒徑進行探究。

1 我國中北地區EPS 混凝土的原材料及配比設計

1.1 原材料性能指標

我國中北地區所使用的EPS 混凝土主要由EPS 顆粒、水泥、硅灰、粉煤灰、化學外加劑、聚丙烯醇纖維組成，其中，EPS顆粒：建筑施工現場所使用的EPS顆粒粒徑為4mm，干密度為1.307g/cm3，流動度為170mm，坍落度為95mm；水泥：一般采用規格型號為42.5#的普通硅酸鹽水泥，其密度為3.09g/cm3，流動度為197mm，比表面積為350m2/kg，水泥試塊在第3d 和第8d 時的抗壓強度分別為32.4MPa、48.1MPa，抗折強度分別為5.1MPa、8.7MPa，初凝和終凝時間分別為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混凝土的配比設計

我國中北地區各類建筑使用的EPS 混凝土的配合比平均值見表1。

表1 中北地區各類建筑EPS混凝土配合比平均值

根據上述內容控制EPS 混凝土各項原材料的技術指標，并按表1 所示的配合比制備EPS 混凝土標準試塊，并進行抗壓強度測試與抗折強度測試，得出EPS 混凝土試塊在第7d、第14d、第28d 時的抗壓強度分別為10.09MPa、14.45MPa 和16.87MPa，抗折強度分別為2.78MPa、3.24MPa和3.81MPa。

2 EPS顆粒的改性方法

2.1 EPS顆粒的改性機理

EPS混凝土的關鍵材料EPS顆粒屬于有機物顆粒，其外表面體現出較強的憎水性[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膠凝材料與EPS 顆粒之間，因材料特性不同不僅較難發生交互融合，而且EPS 顆粒還明顯降低無機膠凝材料的粘聚性[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 混凝土構件內部時，可視為“孔洞”，因此EPS 混凝土呈現出勻質性較差的特點。故而需通過一些技術措施對EPS 進行改性，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“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，以及降低其與無機膠凝材料之間的互融排斥性，從而達到提升EPS 顆粒與無機膠凝材料之間粘聚力的效用，以期從整體上提升EPS 混凝土的力學性能。本次采用專家問卷調查的方式，通過向EPS 混凝土施工技術領域具有豐富從業經驗、且具有副高級及以上職稱的專家進行問卷，根據有關專家的問卷反饋意見，使用HPMC高流態早強膠凝材料對EPS顆粒進行拌合浸泡，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高流態早強膠凝材料的充分拌合、浸泡，EPS 顆粒外表面被罩上了一層HPMC 高流態早強膠凝材料“涂層”，以降低其外表面的憎水性以及對無機膠凝材料的排斥性。

圖1 使用HPMC高流態早強膠凝材料拌合浸泡前后的EPS顆粒

2.3 改性效果驗證

為了驗證HPMC 高流態早強膠凝材料對EPS 顆粒的改性效果，本次設置9 組試驗組和1 組對照組，試驗結果如表2所示。

表2 EPS顆粒改性試驗效果對比（試驗組與對照組的性能對比）

綜合上述，EPS顆粒經HPMC高流態早強膠凝材料拌合浸泡8d 后，其外表面憎水性及其對無機膠凝液體的排斥性基本達到了改性的最佳效果，故而本次探究決定統一以HPMC 高流態早強膠凝材料拌合浸泡8d，作為后續研究的試驗控制條件。

3 改性泡沫顆粒最佳粒徑的確定

前文基于試驗得出了使用HPMC 高流態早強膠凝材料能夠對EPS 顆粒起到改性效果，且使用HPMC 高流態早強膠凝材料拌合浸泡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種規格，使用哪一種粒徑規格制備的EPS 混凝土性能最佳，還需再次經試驗測定。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 高流態早強膠凝材料拌合浸泡8d 后，用于制作EPS混凝土標準試塊，試塊的性能測試結果表3。

表3 不同粒徑EPS顆粒經改性后制得的試塊性能

通過表3 結果可以看出，EPS 混凝土試塊中的EPS顆粒從3mm 逐漸增大至5mm 的過程中，試塊的抗壓強度和抗折強度均呈現先增大、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 混凝土的力學性能也存在明顯影響，且從本次探究的結果來看，3.5mm應作為改性EPS顆粒的最佳粒徑。

4 結束語

本文針對EPS 混凝土推廣應用中因EPS 顆粒憎水性較大、對無機膠凝材料排斥性較大而出現的技術缺陷，對EPS 顆粒進行改性試驗：一方面采用HPMC 高流態早強膠凝材料對EPS 顆粒進行拌合浸泡，研究EPS顆粒憎水性和對無機膠凝材料排斥性的變化；另一方面對不同粒徑改性EPS 顆粒對混凝土力學性能影響進行了試驗。結果表明：EPS顆粒外表面經HPMC高流態早強膠凝材料拌合浸泡8d 時的改性效果最佳，改性EPS 顆粒的粒徑為3.5mm 時對應制作的混凝土性能最佳。