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第 15 卷第 4 期南阳理工学院学报Vol.15 No.42 0 2 3 年 7 月JOURNAL OF NANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGYJul.2023基金项目:河南省科技攻关计划项目(232102320182);河南省高等学校重点科研项目(23A560017);南阳理工学院交叉科学研究项目;南阳理工学院大学生科研基金项目作者简介:李森森(1986-),男,博士,讲师,主要研究方向:复合材料结构设计及其力学性能研究。EPS 颗粒含量及粒径对 EPS 混凝土抗压强度影响李森森,邹晶森,王怡航,赵坤朝,沈飞龙,介朝伊(南阳理工学院土木工程学院 河南 南阳 473004)摘 要:借助电液伺服万能试验机研究了不同 EPS 颗粒含量(0、20%、30%、40%)与不同 EPS 颗粒粒径(1 mm、2 mm、3 mm、4 mm)对 EPS 混凝土抗压强度的影响。试验结果表明:随 EPS 颗粒含量增加,EPS 混凝土的密度、强度降低。EPS 颗粒粒径对 EPS 混凝土的密度及力学性能影响较小。EPS 混凝土的破坏方式与 EPS 颗粒含量相关,随 EPS 颗粒体积含量的增加,裂缝逐渐以竖向为主,随压缩不断扩展,最终未出现碎块崩塌,逐渐展现出延性破坏的特征。EPS 颗粒粒径对 EPS 混凝土的破坏方式影响不大。关键词:EPS 混凝土;配合比;力学性能中图分类号:TN914.3 文献标识码:A 文章编号:1674-5132(2023)04-0073-04DOI:10.16827/ki.41-1404/z.2023.04.015 聚苯乙烯泡沫塑料(Expanded Polystyrene,简称EPS)是一种轻型高分子聚合物。其将发泡剂与聚苯乙烯树脂融合,通过同时加热使其软化,产生气体,形成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。其具有质量轻、保温隔热、吸水性小、机械强度较高等特点1-2。借助 EPS 本身的优势制备而成的 EPS 混凝土作为一种新型的建筑节能材料,目前已经在各类民用建筑中得到了广泛的应用,如复合墙板、围护结构、港口挡土墙、填充夹芯构件等3-5。EPS 混凝土与传统混凝土相比,具有保温隔热、吸水率小、价格低廉、便于施工、易于切割和安装等优点。同时,随着 EPS 混凝土中掺入成分不同会影响其热工性能及其力学性能6-11。在未来的建筑节能领域中,EPS 混凝土具有非常广阔的发展前景和应用空间,在工程应用领域越来越被重视。本文借助电液伺服万能试验机研究了不同 EPS 颗粒含量(0、20%、30%、40%)与不同 EPS 颗粒粒径(1 mm、2 mm、3 mm、4 mm)对 EPS 混凝土抗压强度的影响,为其工程应用提供参考。1 试件的材料与制备1.1 试件材料试验所采用的水泥为 42.5 级中联复合硅酸盐水泥;粗骨料为粒径 4.7519 mm 的石子,其表观密度为 2667 kg/m3,含泥量为 0.3%;细骨料为 0.154.75 mm 的干河沙,其细度模数为 2.5,表观密度为2608 kg/m3,含水率为 0.3%;减水剂采用弗克公司所生产的聚羧酸高效减水剂粉剂。为研究不同粒径尺寸对试件性能的影响,分别选取粒径为 1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm、6.0 mm 的 EPS 颗粒进行EPS 混凝土的配制。由于 EPS 为有机物颗粒,其表面呈现憎水性,而胶浆是无机胶凝材料,二者相容性较差。同时由于 EPS 颗粒密度低,在拌制混凝土的过程中极易出现 EPS 颗粒上浮,造成其分布不均匀,影响 EPS 混凝土的力学性能与保温隔热等性能,因此需要对EPS 颗粒进行改性处理。本试验采用通过添加微硅粉调整 EPS 颗粒与胶浆的结合。1.2 试件制备采用6 mmEPS 颗粒,调整其在 EPS 混凝土中体积占比分别为 0、20%、30%、40%,以研究不同 EPS掺量对 EPS 混凝土强度的影响(试件命名为 VC0、VC20、VC30、VC40)。采 用 1.0 mm、2.0 mm、3.0 mm、4.0 mm 的 EPS 颗粒进行试件制备,以研究EPS 颗粒粒径对 EPS 混凝土强度的影响(试件命名为 PS1、PS2、PS3、PS4)。EPS 混凝土的配比如表 1。本次 试 验 所 采 用 的 试 块 尺 寸 为 100 mm 100 mm100 mm。试件制备时,首先将砂与水泥混合搅拌,然后加入石子待搅拌均匀后加一半的水形成砂浆。接下来将微硅粉与 EPS 颗粒加入砂浆中拌合 3 min,最后将减水剂加入剩余水后放入砂浆中搅拌均匀,制备完成 EPS 混凝土。将制备好的 EPS混凝土放入模具振捣成型后脱模养护形成试件。南阳理工学院学报第 15 卷表 1 EPS 混凝土配合比 编号水泥/(kg/m3)微硅粉/(kg/m3)水/(kg/m3)石/(kg/m3)砂/(kg/m3)EPS/m3EPS 体积含量减水剂/(kg/m3)EPS 粒径/mm密度/(kg/m3)VC033622416813331304002/2342VC20336224168106710430.220%262170VC303362241689339130.330%261988VC403362241688808610.440%261948PS13362241688808610.440%211940PS23362241688808610.440%221954PS33362241688808610.440%231921PS43362241688808610.440%2419352 结果与分析采用电液伺服万能试验机对 EPS 混凝土进行静态压缩试验。该试验参照聚苯乙烯颗粒泡沫混凝土(JC/T2458-2018)的具体要求进行,每组对 3个试件进行试验,分别研究 EPS 颗粒含量与 EPS 粒径对 EPS 混凝土静态力学性能的影响。2.1 EPS 颗粒含量对 EPS 混凝土力学性能影响2.1.1 应力-应变曲线分析结合试验数据,不同 EPS 颗粒含量混凝土的应力-应变如图1 所示。由图1 可知,该变形过程可以分为压密阶段-弹性阶段-塑性阶段-破坏阶段4 个阶段。图 1 不同 EPS 颗粒含量的 EPS 混凝土应力-应变曲线 由于试件表面不是纯平状态,存在局部受力不均的情况。且由于试件中存在一定的微空隙,加载初期承载力增加较为缓慢但变形较大,试件处于被压密状态。随加载持续,混凝土的骨料和水泥结晶体会产生弹性变形,应力增长较快。继续加载,混凝土的水泥胶体会逐渐产生黏性流动,内部会产生微裂缝。随黏性流动和微裂缝的不断发展,其应力增长速度放缓,曲线呈现上凸形态。当达到峰值载荷后,试件中承受的应变能迅速释放,其承载能力迅速降低。试验机突然恢复的变形击溃试件的内部结构,试件被破坏。不同 EPS 颗粒含量混凝土试件破坏后其残余应力区别不大。2.1.2 强度分析不同 EPS 颗粒体积含量试件的抗压强度值如表 2 所示。通过试验结果可知,没有填充 EPS 的混凝土试件的抗压强度为25.4 MPa,EPS 颗粒体积在混凝土中占比分别为 20%、30%、40%的 EPS 混凝土试块强度分别降低了 9.4%、26.8%、33.1%。同时,随 EPS 颗粒含量的增加,EPS 混凝土的密度降低,EPS 混凝土的密度分别比混凝土降低了 7.4%、15.1%、16.8%。将试验得到的抗压强度与密度进行拟合(如图 2、图 3 所示),可以得到抗压强度与EPS 混凝土密度间的关系为=0.01137(7-18977)式中:是 EPS 混凝土的抗压强度;是 EPS 混凝土的密度(kg/m3)。图 2 抗压强度和密度随 EPS 含量变化关系图 3 抗压强度随密度变化关系47 第 4 期李森森等:EPS 颗粒含量及粒径对 EPS 混凝土抗压强度影响表 2 抗压强度试验结果 编号EPS 含量密度/(kg/m3)抗压强度/MPa试块 1试块 2试块 3强度取值VC00234225.124.726.125.4VC2020%217021.723.523.723VC3030%198819.517.518.818.6VC4040%194817.917.915.317.02.1.3 破坏现象分析不同 EPS 颗粒体积含量试件的破坏现象如图 4所示。EPS 颗粒体积含量为 20%时,试块的破坏过程、形态与未填充 EPS 颗粒试块相似。试块首先出现斜向裂缝,随加载增加,裂缝不断扩大,最终出现碎块崩塌脱落。试件破坏后,去掉周围崩落的混凝土,试件呈现两个对顶的角锥形。这是由于试验机进行竖向加载时,试件竖向压缩,横向扩张。因受摩擦力的约束,混凝土试件在与压力机垫板接触位置的横向变形较小,中间约束弱,横向变形大。随 EPS颗粒体积含量的增加,裂缝逐渐以竖向为主,随压缩不断扩展,最终未出现碎块崩塌现象,主要为贯穿式裂缝,逐渐展现出延性破坏的特征。a.EPS 颗粒含量为 0;b.EPS 颗粒含量为 20%;c.EPS 颗粒含量为 30%;d.EPS 颗粒含量为 40%图 4 EPS 混凝土的破坏过程2.2 EPS 颗粒粒径对 EPS 混凝土力学性能影响不同 EPS 颗粒粒径混凝土的相关实验结果如图 5 所示。由图 5 可知,试件在变形过程中仍旧保持压密阶段-弹性阶段-塑性阶段-破坏阶段 4 个阶段。抗压强度和密度随 EPS 颗粒粒径变化关系如图 6 所示。相比 EPS 颗粒含量,EPS 颗粒粒径对EPS 混凝土的密度及力学性能影响较小。整体而言,随 EPS 颗粒粒径的增加,EPS 混凝土的抗压强度有所降低。在 EPS 颗粒含量不变的情况下,小粒径 EPS 能够更均匀地分布于混凝土中,并且更有利于对石子间的空隙进行填充,EPS 混凝土内部更加饱满。图 5 不同 EPS 颗粒含量混凝土应力-应变曲线图 6 抗压强度和密度随 EPS 颗粒粒径变化关系a.EPS 颗粒含量为 0;b.EPS 颗粒含量为 20%;c.EPS 颗粒含量为 30%;d.EPS 颗粒含量为 40%图 7 EPS 混凝土的破坏过程不同 EPS 颗粒粒径试件的破坏现象如图 7 所示。不同 EPS 颗粒体积含量的 EPS 混凝土破坏现57南阳理工学院学报第 15 卷象相似。裂缝逐渐以竖向为主,随压缩不断扩展,最终未出现碎块崩塌现象,主要为贯穿式裂缝,逐渐展现出延性破坏的特征。3 结论本文借助微机控制电液伺服万能试验机试验研究了不同 EPS 颗粒含量(0、20%、30%、40%)与不同EPS 颗粒粒径(1 mm、2 mm、3 mm、4 mm)对 EPS 混凝土抗压强度的影响。通过对试验数据进行整理,得到以下结论:(1)EPS 混凝土的受压变形过程可以分为压密阶段-弹性阶段-塑性阶段-破坏阶段 4 个阶段。随EPS 颗粒含量的增加,EPS 混凝土的密度降低,强度也随之降低。相比 EPS 颗粒含量,EPS 颗粒粒径对EPS 混凝土的密度及力学性能影响较小。(2)EPS 混凝土的破坏方式与 EPS 颗粒含量相关,随 EPS 颗粒体积含量的增加,裂缝逐渐以竖向为主,随压缩不断扩展,最终未出现碎块崩塌现象,主要为贯穿式裂缝,逐渐展现出延性破坏的特征。EPS 颗粒粒径对 EPS 混凝土的破坏方式影响不大。参 考 文 献1 王琰,于浩然,刘子欣,等.废聚苯乙烯泡沫塑料综合利用研究进展J.河北科技大学学报,2022,43(4):407-416.2 杨中文,刘西文.建筑外墙聚苯乙烯泡沫塑料保温材料阻燃技术的研究进展J.上海塑料,2016(2):1-7.3 LI SENSEN,WANG HE,HE HUGUANG,et al.Experi-mental investigation of mechanical behaviors of EPS foamed concrete-filled pultruded GFRP sandwich panelsJ.Poly-mer Testing,2021,104:107401.4 王新颖.公路路基挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板路用性能研究J.交通世界(工程技术),2022(17):36-38.5 ALEXANDROS LYRATZAKIS,YIANNIS TSOMPANAKIS,PRODROMOS N PSARROPOULOS.轨道路堤铺设聚苯乙烯泡沫块对高速铁路车致振动的减振效果研究J.浙江大学学报(英文版)A 辑:应用物理与工程,2021,22(1):15.6 胡俊,丁克伟,韦璐.EPS 混凝土静态压缩和劈裂性能J.建筑材料学报,2015,18(5):737-741.7 张恩.EPS 混凝土静态力学性能及本构模型研究D.太原:太原理工大学,2017.8 杨飞,孙晓敏.EPS 掺量对混凝土力学和保温隔热性能的影响研究J.新型建筑材料,2020,47(6):117-120.9 张文华,吕毓静,刘鹏宇.EPS 混凝土研究进展综述J.材料导报,2019,33(13):2214-2228.10 郭雷.泡沫混凝土与 EPS 混凝土的吸能特性与抗冻性研究D.哈尔滨:东北林业大学,2019.11 刘殿忠,刘涵.EPS 轻质混凝土配合比设计及性能研究J.低温建筑技术,2021,43(2):50-53.(责任编辑:丁 雪)INFLUENCE OF EPS PARTICLE CONTENT AND PARTICLE SIZE ON COMPRESSIVE STRENGTH OF EPS CONCRETELI Sen-sen,ZOU Jing-sen,WANG Yi-hang,ZHAO Kun-chao,SHEN Fei-long,JIE Zhao-yi(School of Civil Engineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004,China)Abstract:In this paper,the influence of different EPS particle content(0,20%,30%,40%)and different EPS particle size(1 mm,2 mm,3 mm,4 mm)on the compressive strength of EPS concrete were studied by microcomputer controlled electro-hydraulic servo universal testing machine.The experimental results show that the density and strength of EPS concrete decrease with the increase of EPS particle content.EPS particle size has little influence on density and mechanical properties of EPS concrete.The failure mode of EPS concrete is related to the content of EPS particles.With the increase of the volume content of EPS particles,the cracks gradually become mainly vertical,and continue to expand with compression.Finally,there is no fragment collapse,and gradually shows the characteristics of ductile failure.The particle size of EPS has little influence on the failure mode of EPS concrete.Key words:EPS concrete;mix ratio;mechanical property67