改性聚苯乙烯轻骨料混凝土的性能研究及应用

引言用轻骨料和胶凝材料配制而成的表观密度不大于1950kg/m3的混凝土称为轻骨料混凝土。轻骨料混凝土具有轻质、高强、保温、抗震性能好、耐火性能高、易于施工等优点，是一种发展前景较好的新型混凝土。目前，我国正向着轻质、高强、多功能方向发展，随着建筑物节能、高层、抗震的综合要求，轻骨料混凝土的质量和产量还不能满足建筑业高速发展的需要，加快对轻骨料混凝土的研究，提高轻骨料混凝土技术水平是一项重要任务。通常采用陶砂、页岩陶粒、浮石等材料作为骨料制备轻质混凝土，然而2019年4月1日北京市发布了《关于发布北京市第五批禁止和限制使用建筑材料及施工工艺目录的通知》，由于粘土和页岩陶粒以及粘土和页岩陶粒为原料的建材制品在生产过程中会破坏耕地和植被，被限制使用。目前可选用的轻骨料种类较少，如浮石和聚苯乙烯等，但是浮石混凝土存在很多问题，如泵送困难、坍落度不易控制、轻骨料吸水率较大、混凝土匀质性差等，控制难度较大，聚苯乙烯混凝土在工程中也有应用，但是聚苯乙烯颗粒质量参差不齐，混凝土易脱落，遇火灾有黑烟和有毒气体等。鉴于轻骨料制备轻质混凝土过程中存在的问题，本文对聚苯乙烯进行改性制备混凝土，对其进行深入研究，探究其性能并进行工程应用的验证。

1、材料与方法

1.1材料水泥：其物理力学性能见表1。外加剂：聚羧酸系高性能减水剂，减水率29%。硅灰：SiO2含量约90%，灰白色球状粉末，平均粒径为0.2μm，表观密度2220kg/m3。粉煤灰：河北大唐同舟有限公司的F类Ⅱ级，细度15.6%，烧失量2.58%。砂：密云威克公司Ⅱ区中砂，细度模数2.83，含泥量1.9%。表1水泥的物理力学性能改性聚苯乙烯不同于普通聚苯乙烯，它是专门适用于混凝土体系经过特殊工艺处理的聚苯乙烯颗粒，具有良好的基体结合性和防火性能，能均匀分布在体系中，易于泵送，改性聚苯乙烯比陶粒等其他轻骨料有如下优点：（1）改性聚苯乙烯泡沫颗粒密度为7kg/m3左右，粒径为3～5mm，陶粒密度在300～1400kg/m3，改性聚苯乙烯泡沫颗粒可配制出更轻的混凝土。（2）陶粒等轻骨料吸水率高，用水量不易控制，配制的混凝土质量波动较大，在泵送过程中容易堵泵，改性聚苯乙烯泡沫颗粒不吸水，生产工艺稳定，匀质性好，质量可控。（3）与人工陶粒相比，聚苯乙烯生产能耗低，可减少环境污染。1.2配合比设计（1）确定材料种类。根据设计的密度等级或导热系数要求，判断聚苯乙烯轻骨料混凝土体积密度范围，初步确定基质材料类型为体积密度低于1400kg/m3的可用水泥净浆[1]。为改善混凝土流动性，使用粉煤灰按比例替代部分水泥。为了提高混凝土的抗压、抗折、抗渗、防腐、抗冲击及耐磨性能，在聚苯乙烯轻质混凝土中掺入适量的硅灰，其同时还具有保水、防止离析、泌水的作用。（2）确定聚苯乙烯掺量。根据设计密度首先确定聚苯乙烯颗粒的掺量V聚（每立方米混凝土中聚苯乙烯的体积含量），见式（1）[2]：为使混凝土达到密实状态，骨料的级配应遵循Fuller和Thompson的关系式[3]，见式（2）：（3）确定掺合料用量。改性聚苯乙烯颗粒最大粒径为5mm，通过以上参数，进行配合比设计，得到一系列理论配合比，见表2。表2

改性聚苯乙烯混凝土理论配合比1.3试验方法抗冻融试验：改性聚苯乙烯混凝土作为保温性混凝土，应具有一定的抗冻性，根据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行试件的抗冻融试验，每次冻融循环为2h。混凝土试件的质量损失率和强度损失率计算见式（3）、（4）。抗压强度试验：按照GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行抗压强度试验，试件为100mm×100mm×100mm立方体，标养28d。收缩试验：测量传统混凝土干燥收缩的方法主要有手持式应变仪法、标架千分表法、立式千分表测长仪法和弓形螺旋测微计法，这些方法都存在明显的缺点，即易受周围环境的影响、精确度低。鉴于此，本试验委托第三方试验室采用具有精确度高、受环境影响小的振弦式表面应变计法测量聚苯乙烯混凝土的干燥收缩。导热系数试验：委托第三方试验室测试。试验中导热系数测定采用由西安夏溪电子科技有限公司生产的TC3000系列热线法通用型导热系数仪，采用热线法测量聚苯乙烯混凝土的导热系数。2、结果与分析

2.1抗压强度试验考虑实际生产搅拌和混凝土粘聚性，添加了粉煤灰、硅灰和砂，经过配合比优化形成生产配合比。采用试验室单卧轴强制式混凝土搅拌机搅拌改性聚苯乙烯混凝土，称料完成后，先将砂、水泥、聚苯乙烯颗粒倒入搅拌机中干拌1min，接着将减水剂加入水中拌合均匀后，逐步均匀地倒入拌合物中，搅拌2min，将搅拌好的混凝土拌合物分层浇筑到模具中振捣抹平成型24h后脱模。标养28d后进行抗压强度试验。不同生产配比混凝土的抗压强度结果见表3。表3不同配比混凝土的抗压强度测试结果

由表1可知，（1）聚苯乙烯轻质混凝土强度与水胶比密切相关，抗压强度随着水胶比的增大而减小，这主要是因为在聚苯乙烯轻质混凝土中，聚苯乙烯颗粒对抗压强度的贡献很小，所以强度主要取决于水泥浆的强度。在水胶比增大，水泥用量不变的条件下，用水量越多，就会形成更多的细小孔洞；同时水胶比增大，容易使聚苯乙烯轻质混凝土拌合物出现离析分层的现象，造成聚苯乙烯轻质混凝土的不均匀性，从而也导致了聚苯乙烯轻质混凝土抗压强度的降低。聚苯乙烯颗粒体积掺量越大，聚苯乙烯混凝土表观密度越小，抗压强度值越低，这主要是因为聚苯乙烯本身强度低造成的。（2）聚苯乙烯轻质混凝土受力后，宏观表现为混凝土试验强度的非线性特征，但聚苯乙烯颗粒和水泥砂浆的应力分布形式与普通混凝土有所不同，由于聚苯乙烯颗粒弹性模量相对于水泥浆基质弹性模量小，所以主要是水泥砂浆先受力，达到水泥浆体的极限强度后出现竖向裂缝。此外，聚苯乙烯颗粒本身弹性模量小，受力变形大，当水泥浆中出现裂缝后，聚苯乙烯颗粒应力强度小，不能阻挡裂缝的开展，裂缝将穿过聚苯乙烯颗粒很快延伸，所以强度跌落快。2.2冻融循环试验由表3第4组配合比制作3组试件测试混凝土28d强度，在水中浸泡4h，擦去表面水分后，对试块称重，作为初始重量。将试块装入冻融盒内，每25次循环做1次检测，总循环次数为100次，质量及强度测试结果见表4。

表4混凝土冻融循环质量和强度损失2.3干燥收缩试验聚苯乙烯混凝土中的聚苯乙烯颗粒质轻柔软，几乎没有强度和刚度，无法约束周围砂浆的收缩变形，因此，可以推测聚苯乙烯混凝土相比传统混凝土存在较大的干燥收缩。本试验委托第三方测试结果为：15d收缩值0.6mm，30d收缩值0.8mm，后期几乎不再收缩。2.4导热系数试验委托第三方试验室检测，本试验混凝土导热系数为0.171W/（m·K），一般常把导热系数小于0.2W/（m·K）的材料称为保温材料，因此该混凝土试件保温性能良好。2.5燃烧性能试验委托第三方检验燃烧性能试验，检测指标见表5。根据表5判断聚苯乙烯混凝土燃烧性能符合A级要求。表5燃烧性能结果3、工程应用

改性聚苯乙烯轻质混凝土经过试验检测，其各项指标符合技术要求后，供应了清华大学生物医学馆（总建筑面积30000m2）和留学生楼这2个工程的屋面保温混凝土，按照设计要求，每楼层屋面须采用轻质混凝土，密度不得超过1000kg/m3，由于轻骨料密度小于水泥浆体，在混凝土生产中要严格控制混凝土工作性，工程采用北京金隅北水P·O42.5水泥，设计混凝土容重为850kg/m3。经过全过程控制，泵送过程顺利，一次性浇筑成功，工作性能优异，匀质性好，满足施工要求。结论

本文经过试验研究和工程验证，对改性聚苯乙烯颗粒为骨料的混凝土进行抗压、冻融循环、干燥收缩、导热系数和燃烧性能试验，得出以下结论：（1）水灰比对聚苯乙烯轻质混凝土的抗压强度影响显著，抗压强度随水灰比的增大而减小；由于聚苯乙烯材料弹性模量小，强度低，变形大，聚苯乙烯轻质混凝土的强度主要取决于水泥浆基体强