聚乙烯醇纖維改性EPS混凝土性能試驗研究*

劉鳳利，韋凱言，楊飛華，馬保國，戰佳宇，李 沙

(1.河南大學 循環與功能建材實驗室，河南 開封 475004；2.固廢資源化利用與節能建材國家重點實驗室，北京 100041；3.武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

0 引 言

聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene，EPS)混凝土具有自重輕、保溫性好、吸音降噪以及節能利廢等優點，是一種理想的新型輕量化墻體材料[1]。但是，EPS是一種有機、多孔、憎水的超輕骨料，其強度低、而且與水泥粘結性差，導致EPS混凝土存在界面過渡區缺陷多、吸水率大、收縮大，以及強度低、韌性差等問題。纖維是混凝土的常用增強材料，也有利于改善EPS混凝土上述性能，并發展其高比強、低收縮以及良好的抗變形性能[2]。

任杉杉等[3]研究表明聚丙烯纖維與木纖維混摻可顯著改善EPS砂漿的力學性能和抗裂性。Liu等[4]研究表明聚丙烯纖維可顯著提升EPS-水泥基界面間的結合強度，并通過纖維的橋連作用穩定裂縫擴展，使得試件開裂后的整體穩定性得以提升。巫緒濤等[5]在研究EPS混凝土強度與應力率的關系時，發現碳纖維可使EPS混凝土的抗劈裂性提升，抗變形性能顯著增強。然而，聚丙烯纖維存在彈性模量低、與水泥粘結強度低等問題。

PVA是一種具有高彈性模量、高縱橫比和裂縫橋接性能、親水性好、與水泥界面粘結強度高的纖維增強材料，并且具有綠色環保、分散性好等優點，備受研究人員的關注[6-10]。研究[11-15]表明，PVA的摻入能夠顯著提高混凝土的劈裂抗拉強度和彎曲抗折強度，抗壓強度也有明顯的提高，但是也有研究顯示摻入PVA對混凝土的抗壓強度沒有影響，甚至降低。除此之外PVA混凝土的韌性和干燥收縮性能也得到顯著的改善。然而，目前以聚乙烯醇纖維(PVA)對EPS混凝土改性的研究鮮有報道。

本文選用PVA作為改性材料，研究不同PVA摻量對EPS混凝土的流動性、吸水率、力學性能、導熱系數、干縮性以及抗凍性能的影響，為EPS混凝土的性能優化提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗采用的P·O 42.5級水泥和42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥(SAC)物理力學性能見表1.使用比表面積為21 m2/g，密度為2.1 g/cm3的硅灰(SF)和比表面積為325 m2/kg，密度為2.21 g/cm3的Ⅰ級粉煤灰(FA)作為摻合料；外加劑選取密度為1.39 g/cm3，粘度值為100 000 MPa·s的羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)和減水率為25%的聚羧酸高效減水劑(白色粉末)；骨料選用廢棄EPS制品回收經再生發泡而成的，粒徑為3～5 mm，表觀密度為20 kg/m3的EPS顆粒；PVA主要技術參數見表2，形貌見圖1。

表1 水泥的物理力學性能

表2 PVA纖維的基本性能

圖1 PVA纖維形貌

1.2 試件制作與配合比

EPS混凝土配合比見表3。為了保證EPS顆粒能夠均勻分布，試驗根據“裹漿造殼原理”，采用自制HPMC溶液作為改性劑噴灑在EPS顆粒表面，待完全浸濕后加入膠凝材料使其形成核殼結構。再將試驗所用原材料拌好，慢攪120 s，然后刮刀15 s后快攪120 s，加入改性EPS顆粒二次攪拌分散，得到料漿，將PVA纖維用部分拌合水分散均勻后加入到料漿中，攪拌3～5 min，直到PVA纖維能在EPS混凝土中均勻地分散開。根據不同測試要求將拌合物注入不同模具，24 h后脫模養護。

表3 EPS混凝土配合比

1.3 實驗方法

依據(GB/T 50081—2019)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行相關力學性能測試，其中立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度測試所用試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強度測試試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm。導熱系數參照(GB/T 10295—2008)《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定熱流計法》標準。流動度和吸水率測試分別參照(GB/T 8077—2012)《混凝土外加劑勻質性試驗方法》和(JGJ/T 12—2019)《輕骨料混凝土應用技術標準》。干縮性能依據(JC/T 603—2004)《水泥膠砂干縮試驗方法》進行測試。抗凍性能依據(GB/T 50082—2009)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。

2 結果與討論

2.1 PVA摻量對EPS混凝土流動性與吸水率的影響

流動度是表征混凝土工作性的重要指標。由圖2可知，當PVA摻量為0.8%時，漿體流動度降低到190 mm，而且EPS混凝土干密度僅為845 kg/m3，此時纖維分散均勻，漿體與EPS顆粒緊密粘結，EPS顆粒無上浮現象，混凝土粘聚性和勻質性較好，滿足工作性要求。PVA分子中的羥基具有親水性，可以很好地抑制EPS混凝土泌水和離析，提高漿體勻質性。若繼續增大摻量，流動度降低，纖維粘聚成團，澆筑成型困難，對EPS混凝土各項性能帶來負面影響。

吸水率是影響輕質混凝土性能的重要參數，吸水率高表示EPS混凝土開口孔隙率高，對其強度和保溫隔熱性不利。由圖2可以看出，當PVA摻量為0.8%時其吸水率降低到1.3%，相較于未摻PVA時降低了27.7%。繼續增加纖維摻量至1.2%時，其吸水率仍低于空白組，可見摻入適量PVA可有效降低EPS混凝土的吸水率。原因在于，PVA具有親水性，其密度為1.2 g/cm3，直徑僅20 μm，長徑比為300。0.8%摻量下，每立方米EPS混凝土中PVA纖維可達數百萬根。大量PVA纖維均勻分布在水泥石基體和EPS-水泥石界面過渡區范圍內，其優異的裂縫橋接性能有利于限制混凝土內部因原生缺陷和干縮等原因產生的微裂縫的擴展，使得水泥石基體和界面過渡區內微裂縫大大減少，降低了混凝土內部的孔隙率，其親水性也有利于抑制水分的遷移[16]，從而吸水率降低。但是摻量過大時，PVA明顯團聚，在混凝土內部形成缺陷和孔洞，反而加大了吸水率。

圖2 PVA摻量對EPS混凝土流動度和吸水率的影響

2.2 PVA摻量對EPS混凝土力學性能的影響

PVA摻量對混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和拉壓比的影響結果見圖3。由圖3(a)可以看出，隨著PVA摻量的增加，不同齡期下的EPS混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度都呈現先增大后減小的趨勢。當PVA摻量為0.8%時，各齡期下的EPS混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度相較于未摻PVA時都有不同程度的提升，此時28 d抗壓強度和28 d劈裂抗拉強度分別為14.7和2.2 MPa，相較于未摻PVA時分別提升了18.5%和57.1%；如果繼續增加PVA摻量至1.6%時二者不增反降，降幅分別達到15%和22.7%，但是均高于未摻PVA組。

由圖3(b)可見，0.8%摻量下，7 d與28 d抗折強度分別為3.1和3.9 MPa，相較于未摻PVA時分別提升了82.4%和50%；繼續增加PVA至1.6%時抗折強度有所降低，但是仍高于未摻PVA組。拉壓比作為衡量混凝土韌性的一個參數，數值增高表明EPS混凝土的韌性提高。由圖中可知PVA摻量增加使其拉壓比持續增大，綜合考慮 PVA摻量對EPS混凝土抗壓強度和拉壓比的影響，摻量取0.8%時，PVA對其強度和韌性提升效果最優。

圖3 PVA纖維摻量對EPS混凝土力學強度的影響

試驗結果表明摻入PVA纖維能夠增強EPS混凝土的力學性能，在摻量為0.8%時，對試件的抗壓強度、抗折強度以及劈裂抗拉強度提升效果最優，且PVA的加入使EPS混凝土的拉壓比均遠高于未摻PVA組，因此增韌效果較好。

其增強、增韌機理解釋如下：與普通混凝土相比，由于EPS混凝土為有機無機復合材料，EPS-水泥石相容性差，其界面疏松多孔、界面缺陷多，更容易產生應力集中，導致強度降低。摻入PVA后，大量PVA纖維貫穿在水泥石以及EPS-水泥石界面過渡區范圍內。與普通有機纖維相比，PVA自身具有親水特性，其表面的羥基與水泥水化產物的羥基形成氫鍵[17]，從而增強與水泥基體的粘結力。在水泥石基體內，大量PVA纖維相當于無數加強筋根植在EPS混凝土中，與水泥石共同承受荷載，高抗拉強度的PVA纖維具有高延伸率和良好的橋接作用，能夠代替水泥石承擔拉應力，抵抗荷載以及基體的塑性收縮與干縮，減少裂縫的出現并限制裂縫的擴展[18]，減少了應力集中對強度的劣化作用；同理，PVA纖維可增強EPS-水泥石界面過渡區的強度。因此，PVA的上述作用使試件強度與韌性得以提高。但是若PVA摻量過大，易因分散困難而在混凝土內部造成孔洞等缺陷，并影響基體對EPS顆粒的包覆效果，從而導致增幅效果下降。

2.3 PVA摻量對EPS混凝土導熱系數的影響

EPS混凝土導熱系數低，保溫性能好，而PVA自身導熱系數更是低于EPS混凝土的導熱系數，適量摻入有利于其熱工性能。由圖4可見，0.8%纖維摻量下，導熱系數最小，僅為0.161 W/(m·K)，原因是適量PVA的摻入能夠填充在EPS混凝土內部的孔壁、孔間隙以及裂縫等缺陷處，從而密實度提高，氣體對流現象減弱[19]，使熱量傳遞速率減小、溫度傳遞困難。同時，低導熱性的PVA 亂向分布于基體中，相當于增大了傳熱路徑的長度，使導熱系數降低，即改善了EPS混凝土的熱工性能。但是摻量過大時，PVA團聚不能均勻分散，在混凝土內部形成孔洞等宏觀缺陷，對混凝土導熱性的影響有限。

圖4 PVA摻量對EPS混凝土導熱系數的影響

2.4 PVA摻量對EPS混凝土干縮的影響

圖5為PVA對EPS混凝土干縮的影響結果。可見PVA/EPS混凝土各齡期干縮率均低于未摻PVA空白組的相應值，表明摻入PVA對EPS混凝土干縮變形有顯著的改善。從纖維摻量對EPS混凝土28 d齡期下的影響結果可知，摻量在0.8%時的干縮率為5.952×10-4，相較于未摻纖維時的1.1344×10-3，降幅最大，達到了47.5%，EPS混凝土的干縮變形得到了有效控制。與文獻[2]利用鋼纖維和復合纖維降低EPS混凝土的干燥收縮率效果相似。

圖5 PVA摻量對混凝土干縮性能的影響

2.5 PVA摻量對EPS混凝土抗凍性的影響

圖6為PVA摻量對EPS混凝土質量損失率和強度損失率的影響結果。隨著凍融循環次數的增加，不同PVA摻量的試件都出現了一定程度的質量損失，從圖6(a)中可知當PVA摻量為0.8%時，試件質量損失率整體處于較低水平。當凍融循環次數達到25次時，質量損失率仍小于0.3%。原因是適量PVA在混凝土中亂向分布，對EPS顆粒與基體的粘結性有益，一定程度上抑制EPS顆粒的剝落，增大結構密實度，有效緩解EPS混凝土因凍融循環造成的質量損失。而纖維摻量過大時，易團聚，在混凝土中造成缺陷，使試件飽和吸水率增大，內部產生的凍脹應力也增大，易發生EPS顆粒與基體剝落現象，導致整體質量損失增快。

圖6 PVA摻量對EPS混凝土抗凍性的影響

由圖6(b)可見當PVA摻量為0.8%時，EPS混凝土的抗壓強度損失整體較為平緩，在凍融循環25次時，強度損失僅為11.2%，較未摻PVA組下降了38.1%。在凍融循環下試件發生強度損失的原因是裂紋的失穩擴展。水分在其內部微裂縫中遷移，結冰膨脹，引起的結冰壓力使原始的微裂縫擴張并誘發新裂縫的產生[20]，EPS混凝土基體結構逐漸松散，強度降低。當摻入適量PVA時，首先PVA與膠漿粘結在一起可以更好地包覆EPS顆粒，改善界面過渡區性能；另外，PVA的橋聯作用，可以加強混凝土的內部結構，抑制水分的遷移，約束裂縫的發展；同時，PVA在基體中承擔抗拉作用，可以有效抑制微裂縫的擴張，從而使EPS混凝土韌性提升，在凍融循環下不易發生破壞。

3 結 論

(1)摻入PVA對EPS混凝土的容重影響不大，流動性和吸水率明顯降低，在摻量為0.8%時，吸水率降幅效果最明顯達到27.7%，此時流動度滿足工作性要求。

(2)當PVA摻量不超過0.8%時，對EPS混凝土的抗壓、劈裂抗拉、抗折強度有提升效果，繼續增加反而會使其降低，此時拉壓比增大，材料的韌性和延性得到了良好的改善。

(3)當PVA摻量為0.8%時，EPS混凝土的導熱系數降低到0.161 W/(m·K)，此時材料的保溫隔熱性能最優。并且各齡期EPS混凝土干縮率均有明顯的降低，PVA的摻入可以有效地控制試件的干縮變形。

(4)適量PVA的摻入可以增強EPS混凝土的抗凍融循環能力，有效降低凍融循環時試件的質量與強度損失，在摻量為0.8%時質量與強度損失均最小。