EPS轻集料混凝土研究进展.docx

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EPS轻集料混凝土研究进展

EPS轻集料混凝土研究进展

EPS轻集料混凝土研究进展

程从密张传镁焦楚杰甘伟何娟

广州大学土木工程学院

摘要:

本文总结了国内外EPS轻集料混凝土的和易性、强度、变形性能、弹性模量、热工性能、劈裂抗拉强度、吸波性能、透气性、吸水性、耐腐蚀性和结构性能等方面最新研究成果，以及作者的研究实践。

对EPS轻集料混凝土在研究和应用中所面临的问题进行探讨。

关键词:

EPS轻集料混凝土,和易性,强度,孔

1概述

EPS轻集料混凝土（Expandedpolystyrenelightweightaggregateconcrete）又称轻珠混凝土，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

3配制不同密度（400~1800kg/m）和强度的混凝土。

上世纪50年代，法国、德国就研制出

[1]EPS轻集料混凝土，用于保温隔热工程、道路保温养护等领域。

上世纪70年代，Cook对

[2]EPS颗粒作为集料的轻混凝土进行了系统研究。

上世纪80年代，澳大利亚开发了BST专利技术，将膨胀聚苯乙烯泡沫珠进行表面化学处理，获得均质、性能较好的轻质混凝土，用

[1]3[3]于建筑工程。

密度在1400到2100kg/m时，EPS轻集料混凝土强度可达13-40MPa。

国内在EPS轻集料混凝土方面的研究起步相对较晚，但也取得了一些研究成果。

广州大学张传镁教授等对EPS轻集料混凝土的组成、结构、性能与应用进行了深入研究。

并制定了广东省标准《轻珠混凝土技术规程》，是我国第一部较完善的有机轻集料混凝土技术规程。

该规程的制定，适应了轻质混凝土的发展需要，也为EPS轻集料混凝土的推广应用提供了技术指引，使EPS轻集料混凝土在我国应用上了一个新台阶。

3按密度不同，可将EPS轻集料混凝土分为低密度（300-600kg/m）、中密度（600-1200

33[4]kg/m）和高密度（1200-1800kg/m）三个级别。

根据其密度的不同，可用于保温隔热、围护结构、回填、外墙挂板、屋盖梁、板结构、非承重预制构件、水上漂浮结构、结构抗冲击保护层等。

作为新型轻质材料，国内现行研究侧重于低密度EPS轻集料混凝土及其工程应用。

探讨的主要是其和易性、强度与密度关系等问题。

EPS轻集料混凝土组成、结构、性能与应用方面的研究还处于起步阶段，特别是强度大于5MPa的产品，基础理论与应用技术研究都有待进一步完善。

2EPS轻集料混凝土和易性

文献[5]提出用流动度、坍落度和分层度3个指标综合评判EPS轻骨料混凝土的和易性，简单易行，可操作性强。

对于泵送施工的EPS轻集料混凝土，还应考虑其可泵性。

2.1EPS轻集料混凝土和易性特点

影响普通混凝土和易性的因素也会影响EPS轻集料混凝土，改善的措施也基本相同。

1

[3]经过适当表面处理的情况下，EPS颗粒在混凝土和砂浆中能够分布均匀。

EPS轻集料混凝土表现出良好的和易性，易密实，表面易抹平。

与其他混凝土相比，EPS轻集料混凝土和易性的不同之处在于:

EPS颗粒超轻（密度为

37~20kg/m）、憎水性强。

对于大流动度混凝土而言，超轻的EPS颗粒上浮问题是其最主要特点。

笔者采用大流动度水泥净浆与粒径5mm的EPS颗粒共同搅拌，未添加任何其他助剂的情况下，EPS颗粒上浮非常明显，而且浮出的EPS颗粒表面几乎不粘水泥浆。

因此，针对EPS颗粒的上述特点，改善EPS轻集料混凝土和易性从两方面考虑:

一是对EPS表面进行改性，使用EPS表面由憎水变为亲水;二是增加浆体稠度，使拌合均匀的EPS颗粒不上浮。

另外，掺加粉煤灰或硅灰、采用较低水灰比、适宜的砂率、改善EPS颗

，[56]粒级配等均可改善EPS轻集料混凝土和易性。

2.2配合比对EPS轻集料混凝土和易性的影响

水灰比对EPS轻集料混凝土和易性的影响与其对普通混凝土的影响相似。

低水灰比对EPS轻集料混凝土的流动性不利。

但是，采用低水灰比时，拌合物较干硬，均匀性易得到控制。

笔者拌和坍落度小于5cm的EPS轻集料混凝土时，没有掺加任何有机添加剂所拌制的混凝土也具有较好的均匀性。

无石EPS轻集料混凝土中，砂胶比对和易性的影响较明显。

砂的存在可以限制收缩。

加，水泥但是，砂胶比增大，水泥浆的相对含量下降，拌合物流动性下降。

随着用砂量的增砂浆的密度增加，造成其与EPS颗粒的密度差变大，EPS轻集料混凝土的均匀性难以保证。

大水泥与水用量不变时，增加砂用量，EPS轻集料混凝土的坍落度减小，当砂胶比由0.4增

[6]到0.5时，其坍落度由103mm急剧下降到42mm。

减小EPS颗粒粒径是改善和易性的途径之一。

粒径越小，比表面积越大，表面张力对其影响越明显，EPS颗粒越不容易上浮。

但EPS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。

用再生EPS颗粒配制混凝土，符合环保、节能、经济的现代材料工业理念。

与原发EPS颗粒相比，再生EPS颗粒具有下述特点:

颗粒表面粗糙;部分EPS颗粒开口，水泥浆体容易进入孔隙，有利于EPS颗粒与水泥基体的粘结;再生EPS集料具有一定级配，可以形成紧密堆积结构，降低浆体需求量，有利于配制超轻混凝土。

其负作用就是相应的增加了拌合

[7]物的需水量。

级配效应还可有效地改善拌合物的分层现象。

2.3有机添加剂对EPS轻集料混凝土和易性的影响

纤维素醚是一种常用的增稠剂，具有增稠保水作用。

随着其掺量的增大，浆体稠度增大，浆体能够包裹住EPS颗粒，降低EPS颗粒间的摩擦阻力。

另外，纤维素醚有引气效果，使拌和物流动性改善、容重降低，EPS颗粒分布更均匀。

但是，掺量超过一定量时，拌合物稠度过大而对和易性不利。

文献[5]研究表明，随着纤维素醚掺量的增加，拌和物和易性呈现出先变好后变差的趋势。

综合EPS轻集料混凝土流动度、坍落度和分层情况，纤维素醚掺量为水泥质量的0.5%时，拌合物和易性最好。

EPS颗粒通常都相对较大（1-5mm），通过引气剂引入很小的气泡（直径<0.3mm）可改善混凝土的孔级配。

水泥浆体内引入小气泡，水泥浆体和EPS轻骨料之间的密度差减小，

[8]使EPS轻骨料在强烈振动的情况下也不易发生上浮，明显改善了拌合物的和易性。

随着引

[6]气剂掺量的增大，拌和物的坍落度增大。

2

2.4无机掺合料对EPS轻集料混凝土和易性的影响

无机掺合料在普通混凝土中有非常成功的应用，在EPS轻集料混凝土中也能起重要贡献。

[9]K.G.Babu等对掺硅灰的EPS轻集料混凝土进行的研究表明，硅灰掺量越高，流动性越好。

但硅灰价格较高，用于改善拌合物和易性不具备经济价值。

粉煤灰是一个不错的选择。

粉煤灰含有大量空心微珠，密度小于水泥，可以减小浆体与EPS颗粒之间的密度差，从而改善拌

[6]和物的分层离析现象。

对于超轻混凝土，用等质量粉煤灰取代水泥，浆体体积增加，能更好地包裹EPS颗粒和更有效地填充其间的空隙，从而提高了混凝土的匀质性。

预拌EPS轻集料混凝土可泵送铺筑。

EPS轻集料混凝土屋面保温层的施工与普通混凝土的施工程序及要求基本相同，大型工程采用预拌EPS轻集料混凝土，混凝土用量小的工

[10]程可采用干混料EPS轻集料混凝土施工。

3EPS轻集料混凝土强度

3.1EPS轻集料混凝土的破坏过程

3EPS轻集料混凝土密度一般在400-1800kg/m之间根据需进行配制，相应的孔隙率在20%-80%之间变化。

孔隙率不同的固体材料，其破坏模式不同。

EPS轻集料混凝土破坏形式可归结为二种类型:

?

塌孔，孔壁太薄或强度太低而破裂，这是超轻EPS轻集料混凝土主要破坏形式;?

裂纹扩展，特别是EPS颗粒与水泥基体之间粘结较弱部位开裂，这是中高密度EPS轻集料混凝土主要破坏形式。

笔者在进行EPS轻集料混凝土破型试验中，观察到

3超轻EPS轻集料混凝土（干密度小于500kg/m）明显表现为塌孔破坏，而高密度的EPS轻

3集料混凝土（干密度约1800kg/m）表现为裂纹扩展破坏。

EPS轻集料混凝土在受压破坏过程中表明出很好的可压缩性。

伴随中孔的破裂，试件产生较大的变形，密度越低该现象越明显，文献[3,9,11]有类似报道。

这一破坏过程显示出EPS轻集料混凝土具有一定的抗压缩韧性，即具有较好的吸能功能。

3.2影响强度的因素

以EPS轻集料混凝土中的孔（EPS颗粒）为中心向外延伸，可将混凝土划分为三个部分（图1）:

孔:

EPS颗粒所占有的体积;

基质:

除EPS颗粒之外的其他混凝土部分（含微孔）;

过渡层:

EPS颗粒与基质界面处几微米范围。

EPS颗粒自身强度可以忽略不计，因而，无论是上述哪一种

破坏类型，决定EPS轻集料混凝土强度的关键都是:

孔、基质强图1EPS轻集料混凝土结构度、过渡层三要素。

孔包括孔隙率与孔隙特征（大小、形状、分

布、孔级配等）。

影响与提高EPS轻集料混凝土强度都是通过这三个方面来实现的。

（1）孔隙率与孔隙特征

[12]混凝土强度随孔隙率增加而下降。

加气混凝土含气量每增加1%，强度就降低5~6%。

EPS轻集料混凝土也不例外。

法国的K.Miled等配制了孔隙率在10%-50%的混凝土，验证

[13]了EPS轻集料混凝土的抗压强度随EPS颗粒掺量增加（即孔隙率增加）而减小。

文献[1]

33显示，密度小于800kg/m时，EPS轻集料混凝土抗压强度小于5MPa，密度大于1600kg/m

3

时，EPS轻集料混凝土抗压强度可超过15MPa。

影响拌和物和易性的因素通过影响孔的分布（均匀性）和基质的密实度来影响混凝土强度。

如拌合料物中掺入粉煤灰和硅灰，改善了拌合物和易性，抑制了EPS颗粒的上浮。

使EPS颗粒分布更均匀，从而改善了孔结构，提高了混凝土强度。

当粉煤灰取代率过大时，由于粉煤灰胶凝效率较低，降低了EPS轻集料混凝土的基质强度，从而会使EPS轻集料混凝

[5]土强度下降。

少量的引气剂可提高EPS轻集料混凝土强度，这是因为引入少量微小的气泡改善了和易性，减少拌和物泌水等危害，使EPS颗粒分布更均匀，从而提高强度。

当引气剂掺量偏

[6]高时，因混凝土体系的孔隙率增加而强度下降。

[14]当混凝土孔隙率相同时，平均孔径越小混凝土强度越高。

文献[13,14]研究表明，孔隙率（即EPS颗粒体积含量）相同的情况下，EPS颗粒粒径越小，混凝土强度越高。

并且还发现，当孔隙率低时，EPS颗粒大小对强度的影响非常明显，其破坏形式类似脆性破坏;孔隙率非常高时，EPS颗粒大小的影响几乎可以忽略不计了。

[12]吴中伟院士提出“孔级配”概念，并根据孔的不同作用对孔进行分类。

D.Bouvard等通过试验和理论推导提出，提高EPS轻集料混凝土强度的方法之一是:

改变EPS颗粒的

[16]粒径分布。

文献[17]对EPS保温砂浆的研究验证了这一点，将两种不同粒径（1.25mm粒

原发EPS颗粒按不同比例进行混合，得到具有一定级配的EPS轻骨料，径和2.5mm粒径）的

这种轻骨料对所配制的保温砂浆的力学性能有所改善。

再生EPS颗粒比原发EPS颗粒具有

在低密度范围内，用EPS更好的级配，但试验结果表明再生EPS颗粒对混凝土性能不利，

碾碎料生产的混凝土试件的抗压强度，比用原发的EPS颗粒生产的混凝土低40%，而两者

[8]的抗拉强度基本相同。

[15]新加坡国立大学的D.S.Babu等研究表明，颗粒大小相同，混凝土配合比相近，密度基本相同的情况下，未发泡聚苯乙烯（UEPS）轻集料混凝土抗强度（35MPa）远高于EPS轻集料混凝土抗压强度（20MPa）。

UEPS混凝土破坏过程中表现出与普通混凝土相似的脆性。

（2）基质强度

影响基质强度的因素与影响普通混凝土强度的因素基本相同。

如水灰比增大以及水泥强度降低，都会导起EPS轻集料混凝土强度下降。

文献[6]表明，对于无石子EPS轻集料混凝土，抗压强度随砂胶比增大先增大后减小。

砂胶比偏低时，由于水泥浆较多，EPS颗粒不能有效抑制水泥浆体水化硬化过程中的收缩，在EPS轻集料混凝土内部产生许多微小裂缝，导致强度下降。

砂胶比偏高时，EPS轻集料混凝土和易性下降，分层离析现象不能有效地被抑制，导致EPS轻集料混凝土强度下降。

（3）过渡层

关于EPS轻集料混凝土中EPS颗粒表面几个微米范围的过渡区的研究非常少。

文献[18]对高强页岩陶粒与水泥石界面组成与结构进行研究，表明陶粒与水泥石间的界面层相对于水泥石内部更为致密。

EPS颗粒不吸水，且表面憎水，因而EPS颗粒与水泥石界面的过渡层情况显然不同。

过渡层内的CSH凝胶、CH晶体等微观结构及其影响因素是值得研究的课题。

文献[19]提出，EPS—水泥的界面过渡区主要是水化硅酸钙（CSH）的富集区，存在大量有缺陷的疏松网络结构，如孔洞和裂缝等，因此提高界面处的粘结性能对改善复合材料的力学性能至关重要。

笔者认为，由于EPS颗粒强度非常低，对于中高密度的EPS轻集料混凝土，EPS与水泥石之间的粘结并不重要。

关键是如何改善界面层的水化产物类型、晶粒大小、密实度等，减少界面层的缺陷，从而最终提高EPS轻集料混凝土的强度。

4

文献[6]认为，掺入少量（水泥重量10%左右）粉煤灰，除了改善EPS轻集料混凝土和易性外，由于火山灰反应，改善了水泥浆与EPS颗粒之间的过渡层，使过渡层的CH晶体减少，CSH凝胶量增加，因而提高了EPS轻集料混凝土的抗压强度。

陈兵等的研究表明[11]，EPS体积掺量为25%时，掺入水泥重量10%的硅灰可使EPS轻集料混凝土抗压强度提高约15%。

但EPS体积掺量为55%时，其抗压强度仅提高8%。

笔者认为，硅灰对EPS轻集料混凝土强度的贡献显然不理想，也不经济。

由于界面因素，在

[20]相同水灰比下，掺入硅灰的砂浆强度提高幅度远不如混凝土。

硅灰对EPS轻集料混凝土强度提高幅度不太，可能与界面因素有关。

硅灰在EPS轻集料混凝土中的作用机理值得进一步探讨。

原发EPS颗粒与再生EPS颗粒表面不同，对过渡层将会产生不同的影响，目前相关方面的研究较少。

（4）试件尺寸的影响

为了消除试件尺寸对试验结果的影响，K.Miled采用了同配合比的EPS轻集料混凝土进行试验。

试验表明，当试件尺寸（D）与EPS粒径（Φ）之比（D/Φ）?

44时，试件尺寸

[13]对试验结果无影响。

因而，使用粒径为2.5mm的EPS颗粒时，试件尺寸不宜小于110mm。

国内通常采用5mm的EPS颗粒，而试件尺寸一般为100mm，（D/Φ）仅为29，根据Miled的研究，将会影响试验结果。

3.3EPS轻集料混凝土强度模型

轻集料混凝土的强度模型主要集中在EPS含量和粒径大小两个影响因素。

麻省理工学

,院的L.J.Gibson教授和英国皇家学会教授M.F.Ashby建立了开孔泡沫材料的屈服强度pl

,,,,,pl3/2与孔壁材料屈服强度,以及相对密度（）的关系公式:

。

其中，C是比,C（）ys,,,ysss

[21]例常数，公式适用于相对密度小于0.3的泡沫材料。

法国的D.Bouvard等通过试验研究认为，该强度公式适用于EPS轻集料混凝土强度和相对密度之间的关系。

当相对密度高于0.3

[16]时，EPS轻集料混凝土实际强度高于上式推算值。

3新加坡国立大学的D.S.Babu等通过研究认为，密度在200-2000kg/m的EPS轻集料混

1.918,6凝土，其抗压强度和密度关系符合如下经验公式:

f,10.3，,，10，式中为混凝fcc

[15]土抗压强度，γ为混凝土拌合物的密度。

法国的RobertLeRoy等研究了高强基质材料和EPS颗粒拌制的混凝土的力学性能。

高强基质材料是由水泥、石英砂和硅灰组成，硅灰/水泥比为0.3，水灰比低至0.26。

试验采用了不同粒径和掺量的EPS颗粒。

根据试验的结果，总结了EPS轻集料混凝土强度（fMPa），cc[22]与EPS颗粒大小及含量关系模型:

,,,p,,,,,1,,,p,,,max,f,f。

cccm,,p，,,,,,pmax,,

式中，f是不含EPS颗粒的基质材料强度;p是EPS颗粒引入的孔隙率;p是EPScmmax颗粒最紧密堆积时的最大孔隙率（此处为0.74，此时混凝土的强度近似为0）;α是与EPS

5

颗粒大小有关的调节系数（粒径为1mm、3mm、6mm时，α值分别为0.46、0.29和0.22）。

4EPS轻集料混凝土其他性能

（1）变形性能

EPS颗粒的弹性模量接近于0，对收缩几乎没有任何抑制作用，因而EPS轻集料混凝土自由收缩值远大于普通混凝土。

W.C.Tang的研究表明EPS轻集料混凝土的早期干缩比普通

[3]混凝土大，EPS颗粒掺量越多，干缩变形越大。

因而要加强早期养护，防止收缩裂纹扩展[22]3。

文献[4]表明，当EPS轻集料混凝土的密度变化为700,1700kg/m时，28d收缩值变

-4-4化为17×10,5.5×10mm/m。

密度越低，收缩值越大。

文献[11]表明，每立方米混凝土中掺入70kg长25mm、长径比为600的钢纤维可显著改善EPS轻集料混凝土的收缩性能，

-4-4即使EPS掺量达到55%，其90d的收缩变形只有6.1×10mm/m。

与普通混凝土（6.3×10mm/m）相当。

由于EPS颗粒本身不吸水，因而EPS轻集料混凝土重新吸水后的变形恢复比普通混凝

[3]土小。

与水养护7d相比，水养护28d的试样干缩应变较低，但重新吸水后变形恢复大。

（2）弹性模量

文献[23]研究表明，随着EPS颗粒掺量的增加，混凝土弹性模量明显下降。

EPS颗粒体积每增加10%，弹性模量约下降40%。

混凝土强度从5MPa增加到17.5MPa时，相应的弹性模量从5GPa增加至20GPa。

（3）热工性能

良好的保温隔热性能是EPS轻集料混凝土的重要特点之一。

EPS轻集料混凝土的导热

33系数与其密度成反比。

EPS轻集料混凝土的密度从300kg/m到1400kg/m变化时，相应的其导热系数从0.0814w/（m?

K）到0.7230w/（m?

K）。

随着EPS轻集料混凝土密度减小，导热系

[10]数也相应减小。

（4）劈裂抗拉强度

EPS的劈裂抗拉强度随抗压强度的增加而增加。

其破坏方式也与抗压相似，而表现出一

[9]定的韧性破坏特征。

钢纤维是通过提高基质抗拉强度来提高EPS轻集料混凝土劈裂抗拉强度的，并能改善其抗干缩性能。

同时掺加适量的硅灰和钢纤维，可使EPS轻集料混凝土的

[11]力学性能和干缩性能达到最佳，其劈裂抗拉强度提高幅度最大可达25%。

（5）吸波性能

文献[24]研究表明，EPS填充水泥基体复合材料具有良好的吸波性能，而且EPS填充率和颗粒直径对材料的吸波性能具有明显的影响。

为微波暗室和民用电磁波防护提供一种新型价廉的吸波材料。

（6）透气性、吸水性和耐腐蚀性

D.S.Babu等研究认为[15]，水泥水化硬化过程中收缩压迫EPS颗粒，导致其体积变小，从而在颗粒和浆体界面造成了大量的微小裂隙，为水的进入提供了通道。

配合比基本相同情况下，混凝土中EPS颗粒体积含量越高、粒径越大，透气性和吸水性越强。

文献[10,25]的研究表明，EPS轻集料混凝土的吸水率较其它轻质混凝土低，在密度700

3kg/m时，EPS轻集料混凝土吸水率仅为5%，而加气混凝土可达40%，陶粒混凝土可达20%以上。

试验还表明，浸水6h后，吸水量可达总吸水量的60%以上;12h后吸水量增长较平缓;24h达到总吸水量的80%;2d后EPS轻集料混凝土吸水量基本稳定。

掺加憎水剂可取

6

3得满意的憎水效果，憎水剂掺量400-1000g/m时，吸水量由13%降至3%左右。

文献[9]表明，与普通混凝土相比，无石EPS轻集料混凝土的30min吸水率和最终吸水率均较低。

并且随着胶凝组分（水泥和硅灰）的增加，吸水率下降。

在硅灰掺量很少的情况下，EPS轻集料混凝土均表现出很好的抗氯离子渗透性。

加速腐蚀试验表明，与配合比基本相同的普通混凝土相比，以EPS颗粒取代部分粗集料的混凝土强度虽然较低（10-20MPa），但表现出与普通混凝土相似的腐蚀速度。

试验结果表明集料对腐蚀影响不大，主要受胶凝材料影响。

墙体结构性能（7）

EPS轻集料混凝土结构方面的研究还非常少。

文献[26]采用有限元软件ANSYS对EPS轻集料混凝土墙体结构进行了模拟分析，得到EPS轻集料混凝土墙体在竖向及水平荷载作用下的弹塑性阶段应力分布及其位移规律，为EPS轻集料混凝土墙体的应用提供理论依据。

5结束语

EPS轻集料混凝土最大的特征是具有非常好的保温隔热性能和轻质。

另外，它能很容易地通过改变配比来调节性能。

目前因内关于EPS轻集料混凝土的研究主要集中在超轻混凝土方面。

作为一种新型的轻质土木工程材料，EPS轻集料混凝土的组成、结构、性能和应用方面的研究均有待深入，特别是应用于自承重围护结构或复合围护结构（强度大于5MPa）的EPS轻集料混凝土，以及结构用EPS轻集料混凝土（强度大于15MPa）。

随着对EPS轻集料混凝土的材料、组成、结构与性能关系研究的深入，以及应用技术的发展，EPS轻集料混凝土将成为轻混凝土家族极具发展前景的一员。

作者简介:

程从密（1972—），安徽安庆人，博士研究生，副教授，

主要从事新型水泥基材料和生态环境材料研究。

Email:

congmi2008@

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