粉煤灰EPS混凝土保温隔热性能研究

杨 甜

(郑州工业技术应用学院建筑工程学院,河南 郑州 451100)

随着全球经济发展及能源消耗加剧,人们对能源的需求与日俱增。各个国家纷纷加大节能力度,致力于新型节能建材的研究与开发。建筑节能是解决能源问题的重要途径,其中最直接有效的方法就是选用适宜的保温隔热材料和结构。

EPS颗粒已经成为我国非常重要的隔热原料之一。1973年,Cook[1]就对聚苯乙烯颗粒作为集料加入混凝土中进行了研究。2004年,陈兵等人运用预拌的措施,运用“裹砂”的办法制取EPS混凝土,使EPS代替一部分的粗细骨料制得轻质混凝土,再用试验检测它的力学性能[2]。2007年,肖立光等人通过多次试验分析了PP纤维、可再分散乳胶粉等因素对EPS混凝土的抗压强度和热工性能的影响[3]。通过多年的探究,EPS混凝土已经运用到多方面中,例如,EPS砂浆、EPS保温涂层、EPS密封腻子等。另一方面,EPS混凝土在屋顶保温、房间隔音、路基防冻、水上承台等领域也有运用。同时,由于聚苯乙烯颗粒在建筑中有防震的功能,还可以作为抗冲击保护层。现在EPS轻质混凝土在国外,尤其是美国等发达国家中,在各个方面都有运用,并且有了非常好的效益,运用比较广泛。由于我国针对聚苯乙烯颗粒导热性能方面的试验研究不多、成果还不足,特别是关于导热系数的试验数据相对匮乏,限制了混凝土的工程应用。粉煤灰是煤燃烧后的无用物质,若用于混凝土的制作中,不仅可以解决废料引起的环境问题,而且可以解决我国能源短缺的紧张局面,具有重大意义。

本文以新结构与新技术的结合为研究方向,基于使用需求,制备粉煤灰EPS混凝土。利用工业废渣及塑料,变废为宝,不仅可以降低成本,还可以节约资源,实现在经济和环境两方面达到共赢的局面。

1 原材料与试样制备

粉煤灰EPS混凝土是以水泥、EPS颗粒、粉煤灰为重要原料,再辅助一些功能性添加剂胶粉等,经搅拌、成型、养护制成的均质材料。

1.1 试验用原料

EPS颗粒是一种质轻、密度小、导热率低、隔热、隔音的材料。一方面,它的密度小,质量轻,加入后可以降低建筑物的自重。另一方面,在发泡聚苯乙烯颗粒生产时其内部形成了封闭状气泡,可以增加保温隔热性能。

粉煤灰颗粒是一种表面光滑的微珠,有润滑作用,可以增加浆体的流动性。粉煤灰本身是一种多孔形的蜂窝状材料,可以阻碍热量的直接传输。把它加入到混凝土中代替部分水泥,不但可以减少成本,还可以提高保温特性。

水泥硬化之后不仅具有足够的强度,而且具有长期的稳定性和耐久性,相比其他胶凝材料更具有经济环保的性能。EPS混凝土的强度主要来源于硅酸盐水泥的胶凝作用,因而加入水泥。

胶粉是一种溶解快、粘结强度高的白色粉末状颗粒。本试验胶粉采用建筑速溶胶粉,粘结能力较强。

本文采用的主要原材料有：粒径2～5mm的废弃EPS颗粒、42.5R普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰以及胶粉、水。除特别注明外,试验用水均采用自来水。

1.2 试块的制备

首先把胶粉按照选定的配合比溶于一定量的水里,均匀搅拌使之完全溶解。然后,将称好的废弃EPS颗粒倒入搅拌机内,紧接着把水泥、粉煤灰放入搅拌机,慢速搅拌,再倒入胶粉溶液,均匀搅拌几分钟。最后,把余下的水都倒入机内,快速搅拌达到均匀。

安装好模具,尽量不要用变形的模具,并且在模具里面抹上薄薄的一层脱模剂。把搅拌均匀的混合物装入模具里,进行人工手动成型。捣实完成后,用镘刀刮去溢出的部分,再把顶面抹平。

试件在48小时后脱模,最后放在温度为20±2℃、湿度为90%的养护箱中养护。依据相关标准养护至28天。

1.3 混凝土性能测试方法

保温和隔热问题是建筑材料急需关注的问题之一。导热系数是探索混凝土多孔材料的一个重要参数。保温隔热是粉煤灰EPS混凝土的主要效能之一,而导热系数是其最有用而且最便利的量化指标。

试件尺寸：300mm×300mm×20mm,标准养护28d后取出,烘干后冷却到室温,用导热系数测定仪测试导热系数。测定导热系数需用的水必须是纯净水。

2 试验方案及试验分析

在粉煤灰EPS混凝土成型的基础上,基于正交试验理念寻求混凝土的最优配合比。

2.1 正交试验设计

根据正交设计法,经全面考虑,最后确定EPS掺量、水泥用量、粉煤灰含量、胶粉及水的掺量为试验因素,采用五因素四水平试验,见表1所示。

2.2 正交试验设计方案与试验结果

选用L16(45)正交表进行试验设计,试验方案与试验结果见表2所示。其数据采集方法为：在每种工况(每个试验号)条件下制备三个试样,测定导热系数。最后,把3个试样3次测定的导热系数平均值记入试验结果(表2)。

表2 正交试验方案与试验结果

2.3 极差分析法

2.3.1 确定试验因素的最佳水平

首先探索发泡聚苯乙烯颗粒掺量多少对结果的影响。134g EPS颗粒的影响表现在1、2、3、4组,同理,140g的EPS颗粒的影响表现在5、6、7、8组。我们可以得出134g的EPS颗粒对应的试验指标之和为：

KA1=y1+y2+y3+y4=0.071+0.065+0.068+0.063=0.267

kA1=KA1/4=0.0668

同理,得出140g的EPS颗粒对应的试验指标之和为：

KA2=y5+y6+y7+y8=0.057+0.054+0.052+0.053=0.216

kA2=KA2/4=0.054

146g的EPS颗粒对应的试验指标之和为：

KA3=y9+y10+y11+y12=0.065+0.061+0.071+0.070=0.267

kA3=KA3/4=0.0668

152g的EPS颗粒对应的试验指标之和为：

KA4=y13+y14+y15+y16=0.065+0.069+0.068+0.067=0.269

kA4=KA4/4=0.0673

依照正交设计规律,假如EPS颗粒对试验指标没有作用,则kA1、kA2、kA3、kA4应该相同,可是由以上计算得出的数据并不相同。说明,EPS颗粒含量的变动对结果有影响。因此能够依照kA1、kA2、kA3、kA4的数值得出134g、140g、146g、152g对结果的影响程度。由于试验指标是导热系数,而且kA4>kA3=kA1>kA2,因为导热系数越小保温隔热性能越好,因而确定A2为因素最好水平。

2.3.2 确定因素的主次顺序

按照Rj的大小来断定每个因素对试验的影响顺序。R的含义是该因素在它的取值范围里的试验指标的变化程度。R越小,意味着该因素的变化对试验的影响效果越小,这个因素就越不重要。RA=0.0673-0.0540=0.0133,同理可以得出RB、RC、RD、RE。从极差的数值可得,EPS因素的极差是其他因素的很多倍,大于粉煤灰、胶粉、水和水泥等因素的极差,而粉煤灰的极差比胶粉的极差大,水泥的极差最小。由此可以得出,粉煤灰EPS混凝土各因素对保温隔热性能因素影响主次因素为A>C>D>E>B,即EPS>粉煤灰>胶粉>水>水泥。

3 结论

本论文对粉煤灰EPS混凝土试块的保温性能进行研究,从经济,环境等各个方面考虑,并通过五因素四水平的正交试验方案,用极差分析的方法得出各种影响因素的主次顺序和粉煤灰EPS混凝土的最优配合比。粉煤灰EPS混凝土的最优配比为：EPS：水泥：粉煤灰：胶粉：水=140∶1600∶660∶40∶1800,此时混凝土的保温隔热性能最好。