浅谈EPS在陶粒混凝土中的应用

刘春苹万勇曾忠敏

1 前言

EPS轻集料混凝土（Expanded polystyrene 1ightweight aggregate concrete），是以EPS颗粒部分或全部取代混凝土中的砂、石集料配制而成。根据取代量不同，可配制不同密度（500～2200kg/m3）和强度的混凝土[1]。20世纪70年代，Cook对EPS颗粒作为集料的轻集料混凝土进行了系统研究[2]。20世纪80年代，澳大利亚开发了BST专利技术[3]，将膨胀聚苯乙烯泡沫珠表面进行化学处理，获得均质、性能较好的轻质混凝土，用于建筑工程。21世纪以来，高层建筑的发展对高强混凝土提出更轻质的要求，但国内在EPS轻集料混凝土方面的研究起步较晚，各种性能均缺乏比较系统完善的研究，在我国的应用还不是很广泛[2]。与普通混凝土相比，EPS轻集料混凝土导热系数小、抗震性能好，不仅造价低，而且循环利用废弃材料。近年来，我国在EPS轻集料混凝土的研究方面也取得了一些进展，主要进行其强度方面的研究，但无论是在试验研究还是实际应用方面与国外的差距都还不小。

陶粒混凝土是用陶粒替代部分粗骨料的混凝土，密度小、可以用于维护结构，相对强度高、可以用于承重结构，隔热保温且耐火、抗冻。目前常被用于高层、超高层建筑、桥梁建筑、海上建筑及大跨度建筑的建设中。目前，日本、美国及欧洲一些国家陶粒混凝土的研究水平较高，高强陶粒混凝土及其泵送技术已得到了成功的应用[4]。我国目前对它的各种性能也均有研究，主要集中于强度、弹性模量、抗裂及耐腐蚀等方面。

本文介绍材料，配合比，制作工艺，养护条件等对EPS混凝土与陶粒混凝土的主要的几种性能的影响，并结合两种混凝土的优缺点，预测用掺有EPS部分替代陶粒混凝土中的骨料的新型混凝土的性能、可能出现的问题及其应用前景。

2 基本原理

EPS轻集料混凝土用水泥胶结再生或原生EPS颗粒及细集料，并掺加一些外加剂（引气剂，氯丁胶乳及减水剂等）而成。其配制基本原理是：混凝土的密度最小，强度达到施工要求，满足热工及变形性能等。根据这个原理，选择粒径较小的EPS颗粒，高标号水泥，保证其和易性与匀质性。还可以使用矿物掺和料取代部分水泥，有效降低水泥砂浆与骨料的密度差，减少分层离析，提高密实度，从而提高整体的强度。

陶粒混凝土用陶粒替代粗骨料，以水泥为胶结料，并掺加一些外加剂（减水剂等）而成，不同陶粒制成的混凝土又有其不同的特性。在配制过程中，在满足热工、变形性能，弹性模量等条件下，用较小的水灰比，以减轻陶粒的上浮，并且提高其强度。

3 EPS混凝土与陶粒混凝土的力学性能

3.1 抗压强度

EPS轻集料混凝土的强度较低，通过优化骨料粒径级配，添加减水剂，有机添加剂（氯丁胶乳等）及无机掺和物（微硅粉及粉煤灰等）来尽量提高混凝土的抗压强度。各个因素的作用机理如下：

聚苯颗粒的粒径，掺和量及加工方式对抗压强度都有一定的影响，粒径较小的颗粒比较有利于与胶体的粘结，但颗粒越小，成本越高，符合最佳技术经济效益的EPS颗粒粒径尚待研究。随着聚苯颗粒的增加，混凝土的密度和强度都减小。微硅粉的颗粒较小，填充在水泥浆体中，增加其粘稠性，改善界面情况，因而能提高混凝土的强度。在EPS掺量不变时，微硅粉掺量的增大提高EPS混凝土抗压强度。但随着EPS掺量的增大，其提高幅度降低，当EPS体积掺量为55%时，仅提高了8%左右[2]。

影响陶粒混凝土强度的因素主要有：砂浆，陶粒强度，水灰比以及陶粒的含水率。提高砂浆的强度，增加包裹陶粒表面的强度，在一定范围内，混凝土的强度随砂浆强度的增加而增加；陶粒强度是影响强度的关键因素，不能依靠提高水泥掺量提高混凝土的强度，配置高强混凝土时采用高强陶粒；水灰比是影响强度的主要因素，要提高混凝土的强度，就应降低水灰比，水灰比的降低导致混凝土拌和物和易性差，以致影响混凝土的搅拌、振捣、成型等。陶粒的多孔结构使得它的含水率影响混凝土的强度，干燥的陶粒能提高强度 3～8%[5～6]。

3.2 劈裂抗拉强度

随EPS的体积的增加，劈裂抗拉强度减小，当其体积增长到一定程度的时候，混凝土破坏的时候不显示脆性，EPS颗粒的减小有利于劈裂抗拉强度的提高，掺入微硅粉也能提高EPS轻集料混凝土的劈裂抗拉强度，当EPS含量较高时，这种效用就更明显。

与普通混凝土相比，陶粒混凝土的劈裂抗拉强度相近，加入钢纤维后，陶粒混凝土的抗拉得到了明显的改善，其劈裂抗拉强度值的提高率最大为77.31%。

3.3 抗折强度

陶粒混凝土的抗折性能优于普通混凝土，在对陶粒混凝土抗折强度要求较高时，常添加钢纤维和聚丙烯纤维。在单独添加钢纤维的陶粒混凝土中，未掺钢纤维时，初裂强度即是抗折极限强度；掺入钢纤维后，由于钢纤维对混凝土基体裂缝前和裂缝后有双重阻裂效应，从而抗折极限强度比抗折初裂强度有更大幅度的提高。另外在陶粒混凝土中加入EPS，随着EPS含量的增加，混凝土的抗折强度有所提高[7]。

4 轻集料混凝土的研究动向与存在问题

目前，对采用EPS复合骨料的新型轻集料混凝土的研究在国内还处于起步阶段，国外主要集中于EPS取代部分石子的研究，集中于各项强度等。陶粒混凝土的研究已经比较成熟，但高强陶粒混凝土的塑性较低，限制了高强陶粒混凝土的应用。

EPS轻集料混凝土最大的特征是轻质、保温隔热性能，抗化学腐蚀较好[8]，通过改变配比能很容易地调节它的性能；陶粒混凝土高强轻质、耐久性好、抗震好、无碱骨料反应。如果用EPS替代陶粒混凝土中的部分粗骨料及细骨料，可能得到强度优于EPS混凝土、质量低于陶粒混凝土、抗震、保温隔热性能较好的新型混凝土。它综合EPS及陶粒混凝土的优点，而且可以通过调节配比，配制出一定强度及热工性能的混凝土。由于陶粒及EPS本身的特点，在搅拌过程中，可能会出现分层及上浮现象，拟采用裹砂工艺及添加矿物掺合料来解决；为了得到更高强度的混凝土，可以考虑添加钢纤维及微硅粉。这种混凝土在国内来说有很大的推广空间，由于其轻质高强，可以广泛用于高层建筑及其他建筑形式的围护结构，一方面降低了建筑的整体重量，节约地基基础的造价，另一方面，其本身的热工性能较好，减少施工工序及建筑材料的成本。另外其抗渗性及耐久性较好，可以用于海边建筑及其他对抗渗要求较高的建筑。