含渣土的EPS輕質混凝土用于復合夾芯墻板芯材的研究

肖家冬，萬惠文，張高科，沈 聰，李 源，彭玻爾

(1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.武漢理工大學礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室， 武漢 430070；3.深圳地鐵集團有限公司，深圳 518000)

0 引 言

城市地鐵建設產生大量渣土，無法充分利用的渣土擠占了土地資源，當前國內渣土的主要處理方式是堆棄、填埋和道路回填[1-3]，上述處理方式運輸成本較高，且渣土大量堆積嚴重影響城市周邊環境。因此，城市地鐵渣土急需實現就近處理和資源化利用。

研究[4-5]發現，利用渣土、水泥和膨脹聚苯乙烯(expanded polystyrene， EPS)可生產用于工程回填的輕量土工材料，其密度、強度等基本性能均能滿足工程設計要求，并已在實際工程中得到應用[6]。實際上，EPS輕質混凝土也可作為良好的填充材料，用于復合夾芯墻板[7-9]的芯材。因EPS屬于發泡顆粒，質輕且強度低，采用EPS輕質混凝土制備的復合夾芯墻板具有保溫、隔熱等優異性能[10-12]。此外，復合墻板對強度的要求不高，且渣土的保水和增稠作用可改善芯材漿體的流變性及與墻板的粘結性能。因此渣土可用于生產EPS輕質混凝土復合夾芯墻板芯材，且渣土利用率較高，可緩解渣土運輸成本高、污染環境等問題，具有顯著的經濟效益和環境效益，是一種較好的渣土資源化利用手段。

然而，大量渣土填充對芯材漿體流變性及EPS顆粒在漿體中的離析行為影響規律不清楚，且不同渣土摻量下芯材干密度、抗壓強度和導熱系數的關系尚不明確，使得復合夾芯墻板的質量無法保證。渣土摻量較高時芯材流動性差，不利于澆筑施工，且芯材的抗壓強度低[3,13]；渣土摻量低時芯材的流動性良好，抗壓強度較高，但EPS顆粒易離析[14]。因此，有必要探究渣土對上述性能的影響規律，為指導渣土在EPS輕質混凝土復合夾芯墻板的應用提供理論技術支撐。

針對上述問題，本文采用渣土、水泥和EPS顆粒為主要材料制備EPS混凝土，通過調整干渣土與水泥質量比，研究了漿體的流變性、EPS顆粒在漿體中分布的均勻性和硬化漿體的抗壓強度，探討了渣土對EPS混凝土干密度、抗壓強度和導熱系數的影響規律；同時，研究了采用上述EPS混凝土為芯材制備的復合夾芯墻板的性能。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：湖北華新P·O 42.5級水泥，主要化學組成如表1所示。

渣土：深圳修建地鐵所挖出的渣土，經過洗砂、過篩、分選后余下粒徑小于75 μm的泥漿，經沉淀(采用少量聚丙烯酰胺作絮凝劑)、脫水后再利用，主要化學組成如表1所示，物理性能如表2所示，礦物組成和微觀形貌分別如圖1和圖2所示。

EPS顆粒：合肥初陽貿易有限公司生產的龍王牌EPS顆粒(見圖3)，粒徑范圍為1～8 mm，表觀密度為20 kg/m3。

減水劑：武漢華軒高新技術有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑，型號為KH-D1-X。

防水劑：北京家晟建材有限公司生產的有機硅防水劑，型號為JS324。

表1 水泥和渣土的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of cement and muck

表2 渣土的物理性能Table 2 Physical properties of muck

圖1 渣土礦物組成Fig.1 Mineral composition of muck

圖2 渣土的SEM照片Fig.2 SEM image of muck

圖3 EPS顆粒的照片Fig.3 Image of EPS beads

1.2 渣土基EPS混凝土配合比設計

設計干渣土與水泥質量比為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0，EPS混凝土配合比如表3所示。根據泥漿替代法[15]，先將渣土加水至飽和，以飽水狀態摻入體系，防止渣土再吸水影響拌合物的流動度。控制水膠比為0.3，體系固體總質量(干渣土+水泥)基本不變，減水劑摻量為固體質量的1.3%，使新拌EPS混凝土的擴展度為180～200 mm，以滿足實際工程泵送、澆筑要求。

表3 EPS混凝土配合比Table 3 Mix proportion of EPS concrete

1.3 試驗方法

圖4 流變測試程序Fig.4 Proposed scheme for rheological test

漿體(不含EPS顆粒)的流變性采用R/S-SST軟固體測試儀測試，測試程序如圖4所示。測試時，經過一段時間剪切，漿體趨于穩定，因此選擇Ⅲ階段數據擬合，漿體流變性可通過Bingham模型來近似描述，其擬合流變曲線的表達式為：

τ=τ0+ηγ

(1)

式中：τ為剪切應力，Pa；τ0為屈服應力，Pa；η為塑性黏度，Pa·s；γ為剪切速率，s-1。

通常，EPS顆粒的體積分數(p)被認為是EPS混凝土的宏觀孔隙率，p可以通過ρ基體、ρ混凝土和ρEPS計算得出，其計算表達式[16]為：

(2)

式中：ρ基體為基體密度；ρ混凝土為EPS混凝土養護至28 d齡期的干密度；ρEPS為EPS顆粒密度。試驗測得的EPS混凝土宏觀孔隙率如表4所示。

表4 EPS混凝土宏觀孔隙率Table 4 Macro-porosity of EPS concrete

原材料化學成分采用X射線熒光光譜儀(XRF)測定，渣土及硬化漿體28 d微觀形貌通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。漿體流動度參照(GB/T 8077—2012)《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行測試，EPS混凝土干密度和28 d抗壓強度參照(JG/T 266—2011)《泡沫混凝土》進行測試，導熱系數測試參照(GB/T 10295—2008)《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 熱流計法》。采用軟件處理混凝土的EPS面分布灰度圖像，并分析EPS的離析情況。

1.4 墻板性能指標

本研究主要目的是就近利用渣土，最大程度地在EPS混凝土中摻入渣土，以EPS混凝土為芯材制備復合夾芯墻板，且墻板性能滿足國家標準要求。根據(GB/T 23451—2009)《建筑用輕質隔墻條板》規定，EPS混凝土及其復合夾芯墻板的技術指標控制在表5所示范圍內。根據(JG/T 266—2011)《泡沫混凝土》對不同干密度下導熱系數的要求，對于面密度不大于90 kg/m2(芯材密度不大于900 kg/m3)的墻板，芯材導熱系數應低于0.24 W·m-1·K-1。

表5 EPS混凝土及其復合夾芯墻板技術指標要求Table 5 Technical indicator requirements of EPS concrete and its composite sandwich wall panel

2 結果與討論

2.1 渣土對漿體性能的影響

2.1.1 漿體流變性

圖5為不同渣土與水泥之比下Bingham模型擬合的漿體流變曲線，相關系數(R2)均大于0.99。流變曲線的斜率與截距分別表示漿體的屈服應力和塑性黏度，其結果如圖6所示。從圖6可以看到，隨著渣土摻量增加，漿體屈服應力從6.74 Pa增加到8.19 Pa，增加了21.5%。屈服應力表征了漿體抵抗流動變形的能力，一方面，渣土顆粒增加了漿體內部吸附和摩擦阻力；另一方面，由于膠凝材料相對含量降低，體系中較少的凝膠網絡結構減弱了漿體內顆粒吸附[17]；在這兩個因素共同作用下，屈服應力小幅度增加。由圖6可知，隨著渣土摻量增加，塑性黏度大幅度增加，從0.17 Pa·s增加到0.33 Pa·s，增加了94.1%。塑性黏度表示漿體抵抗內部顆粒滑動的能力，渣土在基質中為塊狀顆粒，較多的渣土顆粒堆積使漿體中顆粒之間阻力增大，相對滑動比較困難，因此塑性黏度增加幅度較大。

圖5 漿體的剪切應力-剪切速率流變曲線Fig.5 Rheological curves of shear stress-shear rate of slurry

圖6 不同渣土摻量下漿體的屈服應力和塑性黏度Fig.6 Yield stress and plastic viscosity of slurry with different muck dosages

2.1.2 漿體流動度

圖7、圖8分別為各組別漿體的流動度、流動度與屈服應力的關系。由圖7可知，隨著渣土與水泥之比增加，流動度從220 mm減小到207 mm，減少了5.9%。這主要是由于渣土的層狀結構會吸附聚羧酸高性能減水劑分子[18]，減少作用于水泥漿的減水劑數量，漿體流動度降低；采用泥漿替代法摻入飽水渣土，渣土吸水對流動性的影響很小，因此漿體流動度降低幅度較小。從圖8可以看到，漿體流動度與屈服應力存在相關聯系，屈服應力可以表征漿體抵抗流動變形的能力，隨著屈服應力增加，漿體流動度呈拋物線降低，其相關系數(R2)為0.984，這與已有的研究[19]結果一致。因此，通過控制漿體流動度可以大致調節屈服應力。

圖7 不同渣土摻量下漿體的流動度Fig.7 Fluidity of slurry with different muck dosages

圖8 漿體流動度與屈服應力的關系Fig.8 Relation between fluidity and yield stress of slurry

圖9 不同渣土摻量下基體的密度和抗壓強度Fig.9 Density and compressive strengh of matrix with different muck dosages

2.1.3 基體密度和抗壓強度

圖9為不同渣土摻量下基體密度和28 d抗壓強度。從圖9可以看到，隨著干渣土與水泥之比增加，基體密度逐漸降低，主要原因是渣土與水泥的總質量基本不變，而渣土的密度比水泥低。基體28 d抗壓強度同樣呈現降低的趨勢，主要是因為膠凝材料相對含量降低，水化產物減少，而渣土本身沒有潛在活性，也不能參與水化反應，在體系中會阻止水化產物網絡結構形成，從而導致體系中凝膠網絡形成變得困難，孔隙完善受阻。已有研究[3,13]發現，渣土摻量較少時，隨渣土摻量增加，基體抗壓強度存在一個臨界值，渣土摻量超過該值后，基體抗壓強度逐漸降低。事實上，抗壓強度受膠凝材料相對含量和渣土堆積填充共同影響，渣土摻量較大時，膠凝材料相對含量降低是影響抗壓強度的主要因素。

2.1.4 基體微觀分析

圖10、圖11為N04、N06、N08、N10組硬化漿體的28 d微觀形貌和礦物組成。由圖10可知，硬化體微觀結構由非晶態水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、六方片狀氫氧化鈣(CH)、針狀鈣礬石(AFt)和渣土顆粒組成，基體微觀結構比較疏松，渣土顆粒與水化產物的過渡區出現微裂縫，這是基體力學性能降低的主要原因。從圖11可以看到，水化產物主要是CH，物相分析沒有觀察到AFt，可能是因為其衍射峰強度較低，CH衍射峰與渣土中物相(以石英為參照)衍射峰的相對強度隨渣土摻量增加而降低。結合物相分析和微觀形貌分析可知，隨著干渣土與水泥之比增大，微觀結構中出現微裂縫和較大的渣土顆粒，而水化產物CH與渣土中物相衍射峰相對強度降低，這與基體28 d抗壓強度降低的規律一致。

圖10 不同渣土摻量下基體的SEM照片Fig.10 SEM images of matrix with different muck dosages

圖11 不同渣土摻量下基體的礦物組成Fig.11 Mineral composition of matrix with different muck dosages

2.2 渣土對EPS混凝土干密度和抗壓強度的影響

圖12 不同渣土摻量下EPS混凝土的干密度和抗壓強度Fig.12 Dry density and compressive strength of EPS concrete with different muck dosages

圖12為不同渣土摻量下EPS混凝土干密度和28 d抗壓強度。從圖12可以看到，隨著渣土摻量升高，EPS混凝土干密度從928 kg/m3降低到832 kg/m3。一方面，由于EPS顆粒摻量相同，而基體密度逐漸降低；另一方面，渣土含有大量自由水，隨著試件烘干，渣土摻量越高，水分蒸發后干密度越小。抗壓強度表現出與干密度和基體強度類似的變化規律，隨著干渣土與水泥之比從0.4增加到1.0，EPS混凝土抗壓強度大幅度降低，從5.92 MPa降低到3.44 MPa，降低了41.9%。這主要是由于體系中水泥相對含量降低，水化產物減少，基質強度顯著降低。當干渣土與水泥之比不低于0.6時，EPS混凝土干密度低于900 kg/m3；當干渣土與水泥之比不大于0.8時，抗壓強度大于3.5 MPa；也就是說，控制干渣土與水泥之比在0.6～0.8，EPS混凝土干密度、抗壓強度均能滿足GB/T 23451—2009規范要求。

2.3 渣土對EPS混凝土導熱系數的影響

圖13、圖14為各組別導熱系數及其與宏觀孔隙率的關系。由圖13可知，隨著渣土摻量增加，EPS混凝土導熱系數從0.311 W·m-1·K-1逐漸降低到0.216 W·m-1·K-1。這主要原因是隨著渣土摻量增加，EPS混凝土干密度逐漸降低，基體微觀結構疏松多孔，在相同的EPS顆粒摻量下，EPS混凝土的宏觀孔隙率增大，EPS混凝土導熱系數降低。從圖14可以看到，EPS混凝土導熱系數與宏觀孔隙率相關性良好(R2=0.991)，因此，通過控制基體和EPS混凝土的密度可計算EPS混凝土的宏觀孔隙率，從而預估導熱系數。當干渣土與水泥比不小于0.8時，EPS混凝土的導熱系數滿足試驗控制的技術參數要求，結合干密度和抗壓強度測試結果可知，當干渣土與水泥之比為0.8時，EPS混凝土性能指標在控制范圍內，其干密度為857 kg/m3，抗壓強度為4.16 MPa，導熱系數為0.231 W·m-1·K-1。

圖13 不同渣土摻量下EPS混凝土的導熱系數Fig.13 Thermal conductivity of EPS concrete with different muck dosages

圖14 EPS混凝土導熱系數與宏觀孔隙率的關系Fig.14 Relation between thermal conductivity and macro-porosity of EPS concrete

2.4 EPS顆粒的面分布

圖15為不同EPS混凝土截面EPS顆粒分布的灰度圖像。由圖15可以看到，渣土摻量增加使EPS顆粒在漿體中分布逐漸均勻。各組別EPS顆粒面密度測試結果如表6所示。由表6可知，EPS顆粒面密度數值略小于試件的宏觀孔隙率，但數值很相近，這是由于對于立方體試件，EPS顆粒面密度與混凝土中EPS顆粒的體積含量相等，而EPS顆粒體積含量被認為是EPS混凝土的宏觀孔隙率。

圖15 不同渣土摻量下試樣的EPS顆粒面分布Fig.15 EPS areal distribution of samples with different muck dosages

表6 不同渣土摻量試樣的EPS顆粒面密度和標準差Table 6 EPS areal density and standard deviation of samples with different muck dosages

圖16 EPS顆粒面密度標準差與漿體塑性黏度的關系Fig.16 Relation between standard deviation of EPS areal density and plastic viscosity of slurry

將EPS面分布灰度圖像分為上、中、下三層，分析各層EPS顆粒面密度，利用數理統計中的標準差(σ)表示各層面密度數值的離散性，以表征混凝土中EPS顆粒分布的均勻性和漂浮情況，σ的計算表達式如式(3)所示，結果同樣如表6所示。圖16為各組別面密度的標準差與漿體塑性黏度的關系。

(3)

式中：N為樣本個數，此處為3；xi為樣本的值，此處為各層面密度值；μ為樣本的平均值。

由表6可知，隨著渣土摻量的增加，σ值逐漸降低，相對于N04組，N05、N06、N07、N08、N09和N10組σ值分別降低了30.4%、56.9%、68.6%、74.4%、77.8%和80.5%。這主要是由于隨著渣土摻量增加，漿體塑性黏度逐漸增加，EPS顆粒離析所需克服的阻力增大，漿體對EPS顆粒的包裹性增加，因此，EPS顆粒能夠均勻分布在漿體中。從圖16可以看到，上、中、下三層EPS顆粒面密度的σ與漿體塑性黏度存在良好的相關性(R2=0.895)，隨著塑性黏度增加，σ值下降幅度逐漸變小，EPS顆粒分布逐漸均勻。綜合流變性、流動度和EPS顆粒分布結果可知，渣土摻量增大顯著提升了漿體的塑性黏度，有效阻止了EPS顆粒的離析，提升了EPS顆粒分布的均勻性，但對芯材流動性影響較小。如，N08組相對于N04組，塑性黏度從0.17 Pa·s增加到0.25 Pa·s，增加了47.1%，σ降低了74.4%，而流動度僅降低了5%。

2.5 復合夾芯墻板的性能

采用干渣土與水泥之比為0.8的組(N08)制備復合夾芯墻板芯材，在安慶市企冉建材科技有限公司進行了中試，復合夾芯墻板尺寸為2 440 mm×600 mm×90 mm，墻板成型、脫模后自然養護至28 d。

根據標準GB/T 23451—2009，將墻板切割成合適的尺寸(見圖17)，并在墻板表面噴涂一層有機硅防水劑，以提升墻板的軟化系數；隨后測試墻板的面密度、抗壓強度、軟化系數、耐火極限和芯材與面板的粘結性能。測得復合墻板的面密度為81 kg/m2，抗壓強度為3.75 MPa，軟化系數為0.83，均滿足輕質隔墻條板的國家標準要求。

圖17 復合夾芯墻板成品Fig.17 Production of composite sandwich wall panels

圖18 界面破壞處芯材一側的結構圖Fig.18 Structure diagram of interface failure at a side of panel

復合夾芯墻板芯材與面板(硅鈣板)粘結性能采用拉拔粘結強度表征，圖18為拉拔破壞處芯材一側的結構圖。試驗測得拉拔粘結強度為0.813 MPa，從圖18可以看到，拉拔破壞處幾乎全部在芯材內部，說明復合夾芯墻板芯材與面板粘結牢固，粘結強度甚至高于芯材本身的抗拉強度。

圖19、圖20分別為復合夾芯墻板耐火性能測試及板面溫度隨時間的變化。測得復合夾芯墻板在約1 000 ℃火焰下燃燒1 h，面板無明顯破裂，耐火極限大于1 h，滿足國家標準要求；在武漢產品質量監督檢驗建材站檢測墻板的燃燒性能，測得墻板為B1級難燃材料；燃燒過程中背火側面板的溫度通過熱電偶測量，從圖20可以看到，火焰燃燒1 h，背火側面板的溫度從13.18 ℃變化到22.17 ℃，墻板具有良好的保溫隔熱性能。

圖19 復合夾芯墻板的耐火性能測試Fig.19 Fire resistance test of composite sandwich wall panel

圖20 面板溫度與時間的關系Fig.20 Relation between panel temperature and time

3 結 論

(1)隨著渣土摻量增加，漿體屈服應力和塑性黏度增加，流動度降低，從而導致EPS顆粒離析減輕，在體系中分布更加均勻。隨著渣土摻量增加還會導致基體的微觀結構疏松，甚至出現微裂縫，基體抗壓強度逐漸降低。

(2)隨著干渣土與水泥質量比增加，EPS混凝土干密度逐漸降低，宏觀孔隙率增加，抗壓強度和導熱系數均減小。采用干渣土與水泥之比為0.8制備的EPS混凝土，其渣土摻量大，可用作復合夾芯墻板芯材，且漿體流動性較好，便于澆筑施工。

(3)利用干渣土與水泥之比為0.8的芯材制備復合夾芯墻板，芯材與面板粘結牢固，墻板隔熱性能優異，其面密度為81 kg/m2，抗壓強度為3.75 MPa，軟化系數為0.83，耐火極限大于1 h，復合夾芯墻板性能均滿足國家標準要求。