微珠對EPS混凝土工作性能和力學(xué)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(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,浙江 臺州 318000; 2.臺州學(xué)院,浙江 臺州 318000)

0 引言

EPS混凝土是一種輕質(zhì)環(huán)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(jié)構(gòu)、墻體、預(yù)制構(gòu)件、組合結(jié)構(gòu)、保溫隔熱、墊層、填充以及裝飾裝修等有輕質(zhì)或建筑節(jié)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(yōu)點,由于它的低密度,EPS混凝土做成預(yù)制構(gòu)件在軟土地區(qū)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(dǎo)致在砂漿和混凝土的配制過程中出現(xiàn)不均勻的分層以及嚴(yán)重的離析[4-8],影響EPS混凝土的澆筑填充施工及其力學(xué)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(xué)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(jié)合SEM表征手段研究了EPS混凝土工作性能和力學(xué)性能,以期為EPS混凝土工程應(yīng)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(xì)度模數(shù)為2.60;粉煤灰為臺州天達環(huán)保建材有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰;微珠為天津筑成新材料科技有限公司生產(chǎn),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(shè)計

本文設(shè)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(yīng)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(yǎng)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(tài),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(jù)GB/T 50081—2019混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)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(yǎng)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(yǎng)護室,1 d后拆模置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)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(biāo)準(zhǔn)進行[11];EPS混凝土的干表觀密度的測定參照J(rèn)GJ 51—2002輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)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(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)。具體步驟是從成型并養(yǎng)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(jié)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(yōu)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(yīng),這是因為微珠具有降粘效果,微珠的全球狀超細(xì)顆粒的填充性和“滾珠效應(yīng)”顯著降低混凝土或砂漿的用水量,并且與化學(xué)減水劑有完美的疊加作用的結(jié)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(xué)性能

5組EPS混凝土試件28 d養(yǎng)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(dāng)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(dāng)微珠摻量為膠凝材料的5%時,強度基本沒有增長,但當(dāng)微珠摻量為10%的時候,強度增長顯著,當(dāng)微珠摻量超過10%,EPS混凝土強度繼續(xù)增長幅度較小,根據(jù)試驗結(jié)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(xì)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(xì)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(qū)縫隙較大,而添加了微珠的EPS混凝土縫隙較小,界面過渡區(qū)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(dǎo)致了EPS混凝土強度較低。

3 結(jié)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(jié)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(dāng)微珠添加量為10%的時候,EPS混凝土的工作性能和力學(xué)性能得到明顯提升,微珠的較優(yōu)摻量為10%。

3)微珠對EPS混凝土力學(xué)性能的提升歸因于界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)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(yīng)”,顯著降低混凝土或砂漿的用水量。