聚乙烯醇纤维改性EPS混凝土性能试验研究*

2022-01-14刘凤利韦凯言杨飞华马保国战佳宇

功能材料 2021年12期

刘凤利，韦凯言，杨飞华，马保国，战佳宇，李沙

(1.河南大学循环与功能建材实验室，河南开封 475004；2.固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京 100041；3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

0 引言

聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene，EPS)混凝土具有自重轻、保温性好、吸音降噪以及节能利废等优点，是一种理想的新型轻量化墙体材料[1]。但是，EPS是一种有机、多孔、憎水的超轻骨料，其强度低、而且与水泥粘结性差，导致EPS混凝土存在界面过渡区缺陷多、吸水率大、收缩大，以及强度低、韧性差等问题。纤维是混凝土的常用增强材料，也有利于改善EPS混凝土上述性能，并发展其高比强、低收缩以及良好的抗变形性能[2]。

任杉杉等[3]研究表明聚丙烯纤维与木纤维混掺可显著改善EPS砂浆的力学性能和抗裂性。Liu等[4]研究表明聚丙烯纤维可显著提升EPS-水泥基界面间的结合强度，并通过纤维的桥连作用稳定裂缝扩展，使得试件开裂后的整体稳定性得以提升。巫绪涛等[5]在研究EPS混凝土强度与应力率的关系时，发现碳纤维可使EPS混凝土的抗劈裂性提升，抗变形性能显著增强。然而，聚丙烯纤维存在弹性模量低、与水泥粘结强度低等问题。

PVA是一种具有高弹性模量、高纵横比和裂缝桥接性能、亲水性好、与水泥界面粘结强度高的纤维增强材料，并且具有绿色环保、分散性好等优点，备受研究人员的关注[6-10]。研究[11-15]表明，PVA的掺入能够显著提高混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲抗折强度，抗压强度也有明显的提高，但是也有研究显示掺入PVA对混凝土的抗压强度没有影响，甚至降低。除此之外PVA混凝土的韧性和干燥收缩性能也得到显著的改善。然而，目前以聚乙烯醇纤维(PVA)对EPS混凝土改性的研究鲜有报道。

本文选用PVA作为改性材料，研究不同PVA掺量对EPS混凝土的流动性、吸水率、力学性能、导热系数、干缩性以及抗冻性能的影响，为EPS混凝土的性能优化提供参考。

1 实验

1.1 实验材料

实验采用的P·O 42.5级水泥和42.5R快硬硫铝酸盐水泥(SAC)物理力学性能见表1.使用比表面积为21 m2/g，密度为2.1 g/cm3的硅灰(SF)和比表面积为325 m2/kg，密度为2.21 g/cm3的Ⅰ级粉煤灰(FA)作为掺合料；外加剂选取密度为1.39 g/cm3，粘度值为100 000 MPa·s的羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)和减水率为25%的聚羧酸高效减水剂(白色粉末)；骨料选用废弃EPS制品回收经再生发泡而成的，粒径为3～5 mm，表观密度为20 kg/m3的EPS颗粒；PVA主要技术参数见表2，形貌见图1。

表1 水泥的物理力学性能

表2 PVA纤维的基本性能

图1 PVA纤维形貌

1.2 试件制作与配合比

EPS混凝土配合比见表3。为了保证EPS颗粒能够均匀分布，试验根据“裹浆造壳原理”，采用自制HPMC溶液作为改性剂喷洒在EPS颗粒表面，待完全浸湿后加入胶凝材料使其形成核壳结构。再将试验所用原材料拌好，慢搅120 s，然后刮刀15 s后快搅120 s，加入改性EPS颗粒二次搅拌分散，得到料浆，将PVA纤维用部分拌合水分散均匀后加入到料浆中，搅拌3～5 min，直到PVA纤维能在EPS混凝土中均匀地分散开。根据不同测试要求将拌合物注入不同模具，24 h后脱模养护。

表3 EPS混凝土配合比

1.3 实验方法

依据(GB/T 50081—2019)《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行相关力学性能测试，其中立方体抗压强度、劈裂抗拉强度测试所用试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度测试试件尺寸40 mm×40 mm×160 mm。导热系数参照(GB/T 10295—2008)《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》标准。流动度和吸水率测试分别参照(GB/T 8077—2012)《混凝土外加剂匀质性试验方法》和(JGJ/T 12—2019)《轻骨料混凝土应用技术标准》。干缩性能依据(JC/T 603—2004)《水泥胶砂干缩试验方法》进行测试。抗冻性能依据(GB/T 50082—2009)《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。

2 结果与讨论

2.1 PVA掺量对EPS混凝土流动性与吸水率的影响

流动度是表征混凝土工作性的重要指标。由图2可知，当PVA掺量为0.8%时，浆体流动度降低到190 mm，而且EPS混凝土干密度仅为845 kg/m3，此时纤维分散均匀，浆体与EPS颗粒紧密粘结，EPS颗粒无上浮现象，混凝土粘聚性和匀质性较好，满足工作性要求。PVA分子中的羟基具有亲水性，可以很好地抑制EPS混凝土泌水和离析，提高浆体匀质性。若继续增大掺量，流动度降低，纤维粘聚成团，浇筑成型困难，对EPS混凝土各项性能带来负面影响。

吸水率是影响轻质混凝土性能的重要参数，吸水率高表示EPS混凝土开口孔隙率高，对其强度和保温隔热性不利。由图2可以看出，当PVA掺量为0.8%时其吸水率降低到1.3%，相较于未掺PVA时降低了27.7%。继续增加纤维掺量至1.2%时，其吸水率仍低于空白组，可见掺入适量PVA可有效降低EPS混凝土的吸水率。原因在于，PVA具有亲水性，其密度为1.2 g/cm3，直径仅20 μm，长径比为300。0.8%掺量下，每立方米EPS混凝土中PVA纤维可达数百万根。大量PVA纤维均匀分布在水泥石基体和EPS-水泥石界面过渡区范围内，其优异的裂缝桥接性能有利于限制混凝土内部因原生缺陷和干缩等原因产生的微裂缝的扩展，使得水泥石基体和界面过渡区内微裂缝大大减少，降低了混凝土内部的孔隙率，其亲水性也有利于抑制水分的迁移[16]，从而吸水率降低。但是掺量过大时，PVA明显团聚，在混凝土内部形成缺陷和孔洞，反而加大了吸水率。

图2 PVA掺量对EPS混凝土流动度和吸水率的影响

2.2 PVA掺量对EPS混凝土力学性能的影响

PVA掺量对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和拉压比的影响结果见图3。由图3(a)可以看出，随着PVA掺量的增加，不同龄期下的EPS混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度都呈现先增大后减小的趋势。当PVA掺量为0.8%时，各龄期下的EPS混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度相较于未掺PVA时都有不同程度的提升，此时28 d抗压强度和28 d劈裂抗拉强度分别为14.7和2.2 MPa，相较于未掺PVA时分别提升了18.5%和57.1%；如果继续增加PVA掺量至1.6%时二者不增反降，降幅分别达到15%和22.7%，但是均高于未掺PVA组。

由图3(b)可见，0.8%掺量下，7 d与28 d抗折强度分别为3.1和3.9 MPa，相较于未掺PVA时分别提升了82.4%和50%；继续增加PVA至1.6%时抗折强度有所降低，但是仍高于未掺PVA组。拉压比作为衡量混凝土韧性的一个参数，数值增高表明EPS混凝土的韧性提高。由图中可知PVA掺量增加使其拉压比持续增大，综合考虑 PVA掺量对EPS混凝土抗压强度和拉压比的影响，掺量取0.8%时，PVA对其强度和韧性提升效果最优。

图3 PVA纤维掺量对EPS混凝土力学强度的影响

试验结果表明掺入PVA纤维能够增强EPS混凝土的力学性能，在掺量为0.8%时，对试件的抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度提升效果最优，且PVA的加入使EPS混凝土的拉压比均远高于未掺PVA组，因此增韧效果较好。

其增强、增韧机理解释如下：与普通混凝土相比，由于EPS混凝土为有机无机复合材料，EPS-水泥石相容性差，其界面疏松多孔、界面缺陷多，更容易产生应力集中，导致强度降低。掺入PVA后，大量PVA纤维贯穿在水泥石以及EPS-水泥石界面过渡区范围内。与普通有机纤维相比，PVA自身具有亲水特性，其表面的羟基与水泥水化产物的羟基形成氢键[17]，从而增强与水泥基体的粘结力。在水泥石基体内，大量PVA纤维相当于无数加强筋根植在EPS混凝土中，与水泥石共同承受荷载，高抗拉强度的PVA纤维具有高延伸率和良好的桥接作用，能够代替水泥石承担拉应力，抵抗荷载以及基体的塑性收缩与干缩，减少裂缝的出现并限制裂缝的扩展[18]，减少了应力集中对强度的劣化作用；同理，PVA纤维可增强EPS-水泥石界面过渡区的强度。因此，PVA的上述作用使试件强度与韧性得以提高。但是若PVA掺量过大，易因分散困难而在混凝土内部造成孔洞等缺陷，并影响基体对EPS颗粒的包覆效果，从而导致增幅效果下降。

2.3 PVA掺量对EPS混凝土导热系数的影响

EPS混凝土导热系数低，保温性能好，而PVA自身导热系数更是低于EPS混凝土的导热系数，适量掺入有利于其热工性能。由图4可见，0.8%纤维掺量下，导热系数最小，仅为0.161 W/(m·K)，原因是适量PVA的掺入能够填充在EPS混凝土内部的孔壁、孔间隙以及裂缝等缺陷处，从而密实度提高，气体对流现象减弱[19]，使热量传递速率减小、温度传递困难。同时，低导热性的PVA 乱向分布于基体中，相当于增大了传热路径的长度，使导热系数降低，即改善了EPS混凝土的热工性能。但是掺量过大时，PVA团聚不能均匀分散，在混凝土内部形成孔洞等宏观缺陷，对混凝土导热性的影响有限。

图4 PVA掺量对EPS混凝土导热系数的影响

2.4 PVA掺量对EPS混凝土干缩的影响

图5为PVA对EPS混凝土干缩的影响结果。可见PVA/EPS混凝土各龄期干缩率均低于未掺PVA空白组的相应值，表明掺入PVA对EPS混凝土干缩变形有显著的改善。从纤维掺量对EPS混凝土28 d龄期下的影响结果可知，掺量在0.8%时的干缩率为5.952×10-4，相较于未掺纤维时的1.1344×10-3，降幅最大，达到了47.5%，EPS混凝土的干缩变形得到了有效控制。与文献[2]利用钢纤维和复合纤维降低EPS混凝土的干燥收缩率效果相似。

图5 PVA掺量对混凝土干缩性能的影响

2.5 PVA掺量对EPS混凝土抗冻性的影响

图6为PVA掺量对EPS混凝土质量损失率和强度损失率的影响结果。随着冻融循环次数的增加，不同PVA掺量的试件都出现了一定程度的质量损失，从图6(a)中可知当PVA掺量为0.8%时，试件质量损失率整体处于较低水平。当冻融循环次数达到25次时，质量损失率仍小于0.3%。原因是适量PVA在混凝土中乱向分布，对EPS颗粒与基体的粘结性有益，一定程度上抑制EPS颗粒的剥落，增大结构密实度，有效缓解EPS混凝土因冻融循环造成的质量损失。而纤维掺量过大时，易团聚，在混凝土中造成缺陷，使试件饱和吸水率增大，内部产生的冻胀应力也增大，易发生EPS颗粒与基体剥落现象，导致整体质量损失增快。

图6 PVA掺量对EPS混凝土抗冻性的影响

由图6(b)可见当PVA掺量为0.8%时，EPS混凝土的抗压强度损失整体较为平缓，在冻融循环25次时，强度损失仅为11.2%，较未掺PVA组下降了38.1%。在冻融循环下试件发生强度损失的原因是裂纹的失稳扩展。水分在其内部微裂缝中迁移，结冰膨胀，引起的结冰压力使原始的微裂缝扩张并诱发新裂缝的产生[20]，EPS混凝土基体结构逐渐松散，强度降低。当掺入适量PVA时，首先PVA与胶浆粘结在一起可以更好地包覆EPS颗粒，改善界面过渡区性能；另外，PVA的桥联作用，可以加强混凝土的内部结构，抑制水分的迁移，约束裂缝的发展；同时，PVA在基体中承担抗拉作用，可以有效抑制微裂缝的扩张，从而使EPS混凝土韧性提升，在冻融循环下不易发生破坏。