苏扬1,2 杨海燕1,2 程晨1,2 龙润1,2 谯莹莹1,2 郑小伟1,2 李宗川1,2
赵帅1,2
1.重庆科技学院 建筑工程学院，重庆市 401331
2.能源工程力学与防灾减灾重点实验室，重庆市 401331
摘要：由于EPS颗粒在墙板夹芯材料中的分布情况不佳，EPS混凝土墙板的力学性能被严重削弱。本文根据复合芯材不均匀的特性，分别对聚苯颗粒和增稠剂不同添加量的试件进行超声波速试验，结果表明：增稠剂的加入可以有效提高EPS混凝土的均匀性，超声波速可以作为EPS混凝土的均匀性量化分析指标。
关键词：EPS混凝土；增稠剂；超声波速；均匀性
引言：EPS混凝土是以聚苯乙烯（Expanded Polystyrene, EPS）颗粒取代混凝土中的部分骨料而制成的混凝土，与普通混凝土相比具有保温性能好、自重轻、抗震能力强等优点。其中，EPS颗粒质量轻但强度极低，所以EPS混凝土的强度与密度成正比[1-3]。并且，聚苯颗粒因材料表面呈现憎水性且与其周边水泥浆的较大密度差异，很难在混凝土中实现相对均匀分布。由于聚苯颗粒的不均匀分布，会导致墙体各处的力学性能产生差异，进而造成施工不便且影响使用。为了提升EPS混凝土复合墙板材料的力学性能，本文从复合材料自身性能出发，通过制备不同EPS颗粒及增稠剂掺量的试件，对试件进行切割，然后进行超声波速测试，分析试验结果，得出关于EPS混凝土均匀性随着增稠剂掺量改变的变化情况。
一、实验概况
1.1试验原材料
本试验所采用的材料分别为普通硅酸钙水泥、膨胀聚苯乙烯（EPS）颗粒、硅灰、天然河砂、减水剂、增稠剂羟丙基甲基纤维素醚（Hydroxypropyl Methyl Cellulose，HPMC）。
1.2 配合比设计
为了明确EPS颗粒的掺量对芯材整体均匀性能的影响，并且EPS混凝土体积分数为40%以上的替代量是符合条件的[1]，故选择体积分数跨度设计为10%~50%。设置体积分数为5个阶段，分别为10%、20%、30%、40%与50%。此外本试验的设计方法与目前主要相关研究[2.3.4.5]一致。为了探讨HPMC增稠剂对EPS混凝土均匀性的影响，设置两组HPMC掺量（0与0.1%），最终设计配合比共10组，如表1所示。
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1.3试件制备与养护
制备过程参照轻质混凝土规范进行试件的制备，试样制备完成后将其带模具放置于自然环境硬化24h，24小时后试块具有一定的早期强度，用脱模机将试块缓慢脱出并放入温度为20℃，湿度为95%以上的标准养护箱中进行养护，养护时间为28天。制备好的直径150mm，高300 mm的圆柱体试件的试样如图1所示。
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图. 1混凝土圆柱体试样
1.4试验方法
本次试验以改性芯材材料脉冲速度的测试参考规范ASTM C597-16[6]与ACI 228.1R03[7]中所规定的方法进行。圆柱体试件的尺寸为直径150mm，高300mm，规范中规定试样的尺寸为由具体研究而定，但试件的最小尺寸必须超过超声波振动的波长，所以本次试验的试样符合规范。试验采用ZBL-U520型非金属超声波检测仪，原理如图2所示，首先发射器发出超声波脉冲通过试样并到达接收器，在观察到合适的波形（衰减的正弦曲线）后，计算脉冲通过的距离和时间就可得出通过试样材料的超声波速。
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二、结果与分析
根据试验结果，可以得到EPS体积分数（P）与整体超声波速（UPV）关系如图4。在分析试样的超声波速后，观察到掺入HPMC后的试样的UPV比未掺入HPMC的试样UPV低，说明HPMC的掺入会降低通过EPS混凝土的超声波速。并且，EPS体积分数从10%提升至50%时，在未掺HPMC情况下，UPV从3.71 km/s 降低为2.68 km/s，下降了28%；掺入HPMC情况下，UPV从3.51 km/s 降至 2.63 km/s，下降了25%。总的来说，随着EPS体积分数的提升，通过试样超声波速不断降低。这是由于掺入HPMC后，EPS混凝土基质气孔数量增加，超声波脉冲在通
过空气时比通过混凝土需要更多的能量，进而导致通过试样的超声波速降低。
三、结论
（1）超声波速可以作为EPS混凝土的均匀性量化分析指标，超声波速随着EPS掺量而降低，在未掺HPMC情况下的降低幅度大于掺入HPMC的情况。
（2）增稠剂对改善EPS混凝土的均匀性有明显的作用，可以明显降低EPS混凝土的不均匀性。
（3）以普通硅酸盐水泥为主要胶凝材料，以硅灰和HPMC为改性材料，通过两种聚羧酸系减水剂作用下水灰比的设计，可以确定改性芯材水泥砂浆的优化配比。
（4）EPS体积分数40%时各项参数在垂直方向上均匀性最佳。
参考文献
[1] Xie Y, Li J, Lu Z, et al. Preparation and properties of ultra-lightweight EPS concrete based on presaturated bentonite[J]. Construction and Building Materials, 2019, 195: 505-514.
[2] Zhang J, Chen B, Yu F. Preparation of EPS-Based Thermal Insulation Mortar with Improved Thermal and Mechanical Properties[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2019, 31(9).
[3] Liu N, Chen B. Experimental study of the influence of EPS particle size on the mechanical properties of EPS lightweight concrete[J]. Construction and Building Materials, 2014, 68: 227-232.
[4] Miled K, Sab K, Le Roy R. Effective elastic properties of porous materials: Homogenization schemes vs experimental data[J]. Mechanics Research Communications, 2011, 38(2): 131-135.
[5] Brooks A L, Zhou H, Hanna D. Comparative study of the mechanical and thermal properties of lightweight cementitious composites[J]. Construction and Building Materials, 2018, 159: 316-328.
[6] Astm. C597-16 Standard Test Method for Pulse Velocity Through Concrete[S]. West Conshohocken, PA, USA: ASTM International, 2016.
[7] Aci. 228.1R-03 In-Place Methods to Estimate Concrete Strength[S]. Farmington Hills, Michigan, USA: American Concrete Institute, 2003.