含渣土的EPS轻质混凝土用于复合夹芯墙板芯材的研究

2022-07-05肖家冬万惠文张高科彭玻尔

硅酸盐通报 2022年6期

肖家冬，万惠文，张高科，沈聪，李源，彭玻尔

(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.武汉理工大学矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，武汉 430070；3.深圳地铁集团有限公司，深圳 518000)

0 引言

城市地铁建设产生大量渣土，无法充分利用的渣土挤占了土地资源，当前国内渣土的主要处理方式是堆弃、填埋和道路回填[1-3]，上述处理方式运输成本较高，且渣土大量堆积严重影响城市周边环境。因此，城市地铁渣土急需实现就近处理和资源化利用。

研究[4-5]发现，利用渣土、水泥和膨胀聚苯乙烯(expanded polystyrene， EPS)可生产用于工程回填的轻量土工材料，其密度、强度等基本性能均能满足工程设计要求，并已在实际工程中得到应用[6]。实际上，EPS轻质混凝土也可作为良好的填充材料，用于复合夹芯墙板[7-9]的芯材。因EPS属于发泡颗粒，质轻且强度低，采用EPS轻质混凝土制备的复合夹芯墙板具有保温、隔热等优异性能[10-12]。此外，复合墙板对强度的要求不高，且渣土的保水和增稠作用可改善芯材浆体的流变性及与墙板的粘结性能。因此渣土可用于生产EPS轻质混凝土复合夹芯墙板芯材，且渣土利用率较高，可缓解渣土运输成本高、污染环境等问题，具有显著的经济效益和环境效益，是一种较好的渣土资源化利用手段。

然而，大量渣土填充对芯材浆体流变性及EPS颗粒在浆体中的离析行为影响规律不清楚，且不同渣土掺量下芯材干密度、抗压强度和导热系数的关系尚不明确，使得复合夹芯墙板的质量无法保证。渣土掺量较高时芯材流动性差，不利于浇筑施工，且芯材的抗压强度低[3,13]；渣土掺量低时芯材的流动性良好，抗压强度较高，但EPS颗粒易离析[14]。因此，有必要探究渣土对上述性能的影响规律，为指导渣土在EPS轻质混凝土复合夹芯墙板的应用提供理论技术支撑。

针对上述问题，本文采用渣土、水泥和EPS颗粒为主要材料制备EPS混凝土，通过调整干渣土与水泥质量比，研究了浆体的流变性、EPS颗粒在浆体中分布的均匀性和硬化浆体的抗压强度，探讨了渣土对EPS混凝土干密度、抗压强度和导热系数的影响规律；同时，研究了采用上述EPS混凝土为芯材制备的复合夹芯墙板的性能。

1 实验

1.1 原材料

水泥：湖北华新P·O 42.5级水泥，主要化学组成如表1所示。

渣土：深圳修建地铁所挖出的渣土，经过洗砂、过筛、分选后余下粒径小于75 μm的泥浆，经沉淀(采用少量聚丙烯酰胺作絮凝剂)、脱水后再利用，主要化学组成如表1所示，物理性能如表2所示，矿物组成和微观形貌分别如图1和图2所示。

EPS颗粒：合肥初阳贸易有限公司生产的龙王牌EPS颗粒(见图3)，粒径范围为1～8 mm，表观密度为20 kg/m3。

减水剂：武汉华轩高新技术有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，型号为KH-D1-X。

防水剂：北京家晟建材有限公司生产的有机硅防水剂，型号为JS324。

表1 水泥和渣土的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of cement and muck

表2 渣土的物理性能Table 2 Physical properties of muck

图1 渣土矿物组成Fig.1 Mineral composition of muck

图2 渣土的SEM照片Fig.2 SEM image of muck

图3 EPS颗粒的照片Fig.3 Image of EPS beads

1.2 渣土基EPS混凝土配合比设计

设计干渣土与水泥质量比为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0，EPS混凝土配合比如表3所示。根据泥浆替代法[15]，先将渣土加水至饱和，以饱水状态掺入体系，防止渣土再吸水影响拌合物的流动度。控制水胶比为0.3，体系固体总质量(干渣土+水泥)基本不变，减水剂掺量为固体质量的1.3%，使新拌EPS混凝土的扩展度为180～200 mm，以满足实际工程泵送、浇筑要求。

表3 EPS混凝土配合比Table 3 Mix proportion of EPS concrete

1.3 试验方法

图4 流变测试程序Fig.4 Proposed scheme for rheological test

浆体(不含EPS颗粒)的流变性采用R/S-SST软固体测试仪测试，测试程序如图4所示。测试时，经过一段时间剪切，浆体趋于稳定，因此选择Ⅲ阶段数据拟合，浆体流变性可通过Bingham模型来近似描述，其拟合流变曲线的表达式为：

τ=τ0+ηγ

(1)

式中：τ为剪切应力，Pa；τ0为屈服应力，Pa；η为塑性黏度，Pa·s；γ为剪切速率，s-1。

通常，EPS颗粒的体积分数(p)被认为是EPS混凝土的宏观孔隙率，p可以通过ρ基体、ρ混凝土和ρEPS计算得出，其计算表达式[16]为：

(2)

式中：ρ基体为基体密度；ρ混凝土为EPS混凝土养护至28 d龄期的干密度；ρEPS为EPS颗粒密度。试验测得的EPS混凝土宏观孔隙率如表4所示。

表4 EPS混凝土宏观孔隙率Table 4 Macro-porosity of EPS concrete

原材料化学成分采用X射线荧光光谱仪(XRF)测定，渣土及硬化浆体28 d微观形貌通过扫描电子显微镜(SEM)观察。浆体流动度参照(GB/T 8077—2012)《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试，EPS混凝土干密度和28 d抗压强度参照(JG/T 266—2011)《泡沫混凝土》进行测试，导热系数测试参照(GB/T 10295—2008)《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定热流计法》。采用软件处理混凝土的EPS面分布灰度图像，并分析EPS的离析情况。

1.4 墙板性能指标

本研究主要目的是就近利用渣土，最大程度地在EPS混凝土中掺入渣土，以EPS混凝土为芯材制备复合夹芯墙板，且墙板性能满足国家标准要求。根据(GB/T 23451—2009)《建筑用轻质隔墙条板》规定，EPS混凝土及其复合夹芯墙板的技术指标控制在表5所示范围内。根据(JG/T 266—2011)《泡沫混凝土》对不同干密度下导热系数的要求，对于面密度不大于90 kg/m2(芯材密度不大于900 kg/m3)的墙板，芯材导热系数应低于0.24 W·m-1·K-1。

表5 EPS混凝土及其复合夹芯墙板技术指标要求Table 5 Technical indicator requirements of EPS concrete and its composite sandwich wall panel

2 结果与讨论

2.1 渣土对浆体性能的影响

2.1.1 浆体流变性

图5为不同渣土与水泥之比下Bingham模型拟合的浆体流变曲线，相关系数(R2)均大于0.99。流变曲线的斜率与截距分别表示浆体的屈服应力和塑性黏度，其结果如图6所示。从图6可以看到，随着渣土掺量增加，浆体屈服应力从6.74 Pa增加到8.19 Pa，增加了21.5%。屈服应力表征了浆体抵抗流动变形的能力，一方面，渣土颗粒增加了浆体内部吸附和摩擦阻力；另一方面，由于胶凝材料相对含量降低，体系中较少的凝胶网络结构减弱了浆体内颗粒吸附[17]；在这两个因素共同作用下，屈服应力小幅度增加。由图6可知，随着渣土掺量增加，塑性黏度大幅度增加，从0.17 Pa·s增加到0.33 Pa·s，增加了94.1%。塑性黏度表示浆体抵抗内部颗粒滑动的能力，渣土在基质中为块状颗粒，较多的渣土颗粒堆积使浆体中颗粒之间阻力增大，相对滑动比较困难，因此塑性黏度增加幅度较大。

图5 浆体的剪切应力-剪切速率流变曲线Fig.5 Rheological curves of shear stress-shear rate of slurry

图6 不同渣土掺量下浆体的屈服应力和塑性黏度Fig.6 Yield stress and plastic viscosity of slurry with different muck dosages

2.1.2 浆体流动度

图7、图8分别为各组别浆体的流动度、流动度与屈服应力的关系。由图7可知，随着渣土与水泥之比增加，流动度从220 mm减小到207 mm，减少了5.9%。这主要是由于渣土的层状结构会吸附聚羧酸高性能减水剂分子[18]，减少作用于水泥浆的减水剂数量，浆体流动度降低；采用泥浆替代法掺入饱水渣土，渣土吸水对流动性的影响很小，因此浆体流动度降低幅度较小。从图8可以看到，浆体流动度与屈服应力存在相关联系，屈服应力可以表征浆体抵抗流动变形的能力，随着屈服应力增加，浆体流动度呈抛物线降低，其相关系数(R2)为0.984，这与已有的研究[19]结果一致。因此，通过控制浆体流动度可以大致调节屈服应力。

图7 不同渣土掺量下浆体的流动度Fig.7 Fluidity of slurry with different muck dosages

图8 浆体流动度与屈服应力的关系Fig.8 Relation between fluidity and yield stress of slurry

图9 不同渣土掺量下基体的密度和抗压强度Fig.9 Density and compressive strengh of matrix with different muck dosages

2.1.3 基体密度和抗压强度

图9为不同渣土掺量下基体密度和28 d抗压强度。从图9可以看到，随着干渣土与水泥之比增加，基体密度逐渐降低，主要原因是渣土与水泥的总质量基本不变，而渣土的密度比水泥低。基体28 d抗压强度同样呈现降低的趋势，主要是因为胶凝材料相对含量降低，水化产物减少，而渣土本身没有潜在活性，也不能参与水化反应，在体系中会阻止水化产物网络结构形成，从而导致体系中凝胶网络形成变得困难，孔隙完善受阻。已有研究[3,13]发现，渣土掺量较少时，随渣土掺量增加，基体抗压强度存在一个临界值，渣土掺量超过该值后，基体抗压强度逐渐降低。事实上，抗压强度受胶凝材料相对含量和渣土堆积填充共同影响，渣土掺量较大时，胶凝材料相对含量降低是影响抗压强度的主要因素。

2.1.4 基体微观分析

图10、图11为N04、N06、N08、N10组硬化浆体的28 d微观形貌和矿物组成。由图10可知，硬化体微观结构由非晶态水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、六方片状氢氧化钙(CH)、针状钙矾石(AFt)和渣土颗粒组成，基体微观结构比较疏松，渣土颗粒与水化产物的过渡区出现微裂缝，这是基体力学性能降低的主要原因。从图11可以看到，水化产物主要是CH，物相分析没有观察到AFt，可能是因为其衍射峰强度较低，CH衍射峰与渣土中物相(以石英为参照)衍射峰的相对强度随渣土掺量增加而降低。结合物相分析和微观形貌分析可知，随着干渣土与水泥之比增大，微观结构中出现微裂缝和较大的渣土颗粒，而水化产物CH与渣土中物相衍射峰相对强度降低，这与基体28 d抗压强度降低的规律一致。

图10 不同渣土掺量下基体的SEM照片Fig.10 SEM images of matrix with different muck dosages

图11 不同渣土掺量下基体的矿物组成Fig.11 Mineral composition of matrix with different muck dosages

2.2 渣土对EPS混凝土干密度和抗压强度的影响

图12 不同渣土掺量下EPS混凝土的干密度和抗压强度Fig.12 Dry density and compressive strength of EPS concrete with different muck dosages

图12为不同渣土掺量下EPS混凝土干密度和28 d抗压强度。从图12可以看到，随着渣土掺量升高，EPS混凝土干密度从928 kg/m3降低到832 kg/m3。一方面，由于EPS颗粒掺量相同，而基体密度逐渐降低；另一方面，渣土含有大量自由水，随着试件烘干，渣土掺量越高，水分蒸发后干密度越小。抗压强度表现出与干密度和基体强度类似的变化规律，随着干渣土与水泥之比从0.4增加到1.0，EPS混凝土抗压强度大幅度降低，从5.92 MPa降低到3.44 MPa，降低了41.9%。这主要是由于体系中水泥相对含量降低，水化产物减少，基质强度显著降低。当干渣土与水泥之比不低于0.6时，EPS混凝土干密度低于900 kg/m3；当干渣土与水泥之比不大于0.8时，抗压强度大于3.5 MPa；也就是说，控制干渣土与水泥之比在0.6～0.8，EPS混凝土干密度、抗压强度均能满足GB/T 23451—2009规范要求。

2.3 渣土对EPS混凝土导热系数的影响

图13、图14为各组别导热系数及其与宏观孔隙率的关系。由图13可知，随着渣土掺量增加，EPS混凝土导热系数从0.311 W·m-1·K-1逐渐降低到0.216 W·m-1·K-1。这主要原因是随着渣土掺量增加，EPS混凝土干密度逐渐降低，基体微观结构疏松多孔，在相同的EPS颗粒掺量下，EPS混凝土的宏观孔隙率增大，EPS混凝土导热系数降低。从图14可以看到，EPS混凝土导热系数与宏观孔隙率相关性良好(R2=0.991)，因此，通过控制基体和EPS混凝土的密度可计算EPS混凝土的宏观孔隙率，从而预估导热系数。当干渣土与水泥比不小于0.8时，EPS混凝土的导热系数满足试验控制的技术参数要求，结合干密度和抗压强度测试结果可知，当干渣土与水泥之比为0.8时，EPS混凝土性能指标在控制范围内，其干密度为857 kg/m3，抗压强度为4.16 MPa，导热系数为0.231 W·m-1·K-1。

图13 不同渣土掺量下EPS混凝土的导热系数Fig.13 Thermal conductivity of EPS concrete with different muck dosages

图14 EPS混凝土导热系数与宏观孔隙率的关系Fig.14 Relation between thermal conductivity and macro-porosity of EPS concrete

2.4 EPS颗粒的面分布

图15为不同EPS混凝土截面EPS颗粒分布的灰度图像。由图15可以看到，渣土掺量增加使EPS颗粒在浆体中分布逐渐均匀。各组别EPS颗粒面密度测试结果如表6所示。由表6可知，EPS颗粒面密度数值略小于试件的宏观孔隙率，但数值很相近，这是由于对于立方体试件，EPS颗粒面密度与混凝土中EPS颗粒的体积含量相等，而EPS颗粒体积含量被认为是EPS混凝土的宏观孔隙率。

图15 不同渣土掺量下试样的EPS颗粒面分布Fig.15 EPS areal distribution of samples with different muck dosages

表6 不同渣土掺量试样的EPS颗粒面密度和标准差Table 6 EPS areal density and standard deviation of samples with different muck dosages

图16 EPS颗粒面密度标准差与浆体塑性黏度的关系Fig.16 Relation between standard deviation of EPS areal density and plastic viscosity of slurry

将EPS面分布灰度图像分为上、中、下三层，分析各层EPS颗粒面密度，利用数理统计中的标准差(σ)表示各层面密度数值的离散性，以表征混凝土中EPS颗粒分布的均匀性和漂浮情况，σ的计算表达式如式(3)所示，结果同样如表6所示。图16为各组别面密度的标准差与浆体塑性黏度的关系。

(3)

式中：N为样本个数，此处为3；xi为样本的值，此处为各层面密度值；μ为样本的平均值。

由表6可知，随着渣土掺量的增加，σ值逐渐降低，相对于N04组，N05、N06、N07、N08、N09和N10组σ值分别降低了30.4%、56.9%、68.6%、74.4%、77.8%和80.5%。这主要是由于随着渣土掺量增加，浆体塑性黏度逐渐增加，EPS颗粒离析所需克服的阻力增大，浆体对EPS颗粒的包裹性增加，因此，EPS颗粒能够均匀分布在浆体中。从图16可以看到，上、中、下三层EPS颗粒面密度的σ与浆体塑性黏度存在良好的相关性(R2=0.895)，随着塑性黏度增加，σ值下降幅度逐渐变小，EPS颗粒分布逐渐均匀。综合流变性、流动度和EPS颗粒分布结果可知，渣土掺量增大显著提升了浆体的塑性黏度，有效阻止了EPS颗粒的离析，提升了EPS颗粒分布的均匀性，但对芯材流动性影响较小。如，N08组相对于N04组，塑性黏度从0.17 Pa·s增加到0.25 Pa·s，增加了47.1%，σ降低了74.4%，而流动度仅降低了5%。

2.5 复合夹芯墙板的性能

采用干渣土与水泥之比为0.8的组(N08)制备复合夹芯墙板芯材，在安庆市企冉建材科技有限公司进行了中试，复合夹芯墙板尺寸为2 440 mm×600 mm×90 mm，墙板成型、脱模后自然养护至28 d。

根据标准GB/T 23451—2009，将墙板切割成合适的尺寸(见图17)，并在墙板表面喷涂一层有机硅防水剂，以提升墙板的软化系数；随后测试墙板的面密度、抗压强度、软化系数、耐火极限和芯材与面板的粘结性能。测得复合墙板的面密度为81 kg/m2，抗压强度为3.75 MPa，软化系数为0.83，均满足轻质隔墙条板的国家标准要求。

图17 复合夹芯墙板成品Fig.17 Production of composite sandwich wall panels

图18 界面破坏处芯材一侧的结构图Fig.18 Structure diagram of interface failure at a side of panel

复合夹芯墙板芯材与面板(硅钙板)粘结性能采用拉拔粘结强度表征，图18为拉拔破坏处芯材一侧的结构图。试验测得拉拔粘结强度为0.813 MPa，从图18可以看到，拉拔破坏处几乎全部在芯材内部，说明复合夹芯墙板芯材与面板粘结牢固，粘结强度甚至高于芯材本身的抗拉强度。

图19、图20分别为复合夹芯墙板耐火性能测试及板面温度随时间的变化。测得复合夹芯墙板在约1 000 ℃火焰下燃烧1 h，面板无明显破裂，耐火极限大于1 h，满足国家标准要求；在武汉产品质量监督检验建材站检测墙板的燃烧性能，测得墙板为B1级难燃材料；燃烧过程中背火侧面板的温度通过热电偶测量，从图20可以看到，火焰燃烧1 h，背火侧面板的温度从13.18 ℃变化到22.17 ℃，墙板具有良好的保温隔热性能。