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粘度改性外加剂对结构EPS混凝土的加工性和抗压强度的影响

摘要：轻质发泡聚苯乙烯（EPS）混凝土具有吸收振动能量的特性，可用于地铁轨道的减震和隔震。但当EPS颗粒在混凝土中混合时，轻质EPS混凝土的可加工性和抗压强度需要在振动能量吸收的工程应用中得到改善。为了提高可加工性和抗压强度，本文研究了粘度改性外加剂（VMA）对轻质EPS混凝土的加工性，抗偏析性，抗压强度和破坏模式的影响，该混凝土通过控制一定的水胶比或者粉煤灰替代物来制备。混合物中VMA的用量分别为总水泥质材料（TCM）的0.02％，0.04％，0.06％，0.08％和0.10％。通过坍落度、坍落流动、T50和反向坍落锥时间的多指数来研究可加工性，同时通过密度测试评估抗偏析性。各向异性的概念被用来评估抗压强度和破坏模式。结果表明，VMA对结构EPS混凝土的流动性有显着的负面影响。从密度测试结果和偏析指数（SI）的定义来看，VMA显着提高了偏析阻力，EPS混凝土的偏析度与VMA的用量呈负线性相关关系。随着VMA的增加，抗压强度显着降低，并且强度的各向异性也逐渐受到抑制，这是由于抗偏析性的提高所致。随着各向异性的消除，故障模型因此被改变。就抑制偏析和各向异性的有效性方面来说，推荐含量占TCM为0.10%的VMA为最有效剂量。

说明

轻质发泡聚苯乙烯（EPS）具有商业价值的材料，它具有封闭的蜂窝状结构，特征为非吸收性、疏水性和低密度（10-30Kg/m3）。当EPS被引入混凝土中时，它将显著提高隔热性能，激发出了EPS混凝土在绝缘层和砌块中的广泛应用。当EPS混凝土浇筑成结构构件时，它具有低密度，减小横截面，减少钢筋用量的优点，这使EPS混凝土可用作半结构或结构构件。此外，EPS混凝土可用于制作路面，道路障碍物，浮动海洋结构，结构保护层和吸收能量的军事用品。

根据轻骨料混凝土的分类，EPS混凝土是一种人造超轻骨料混凝土。在强度方面，EPS颗粒的强度远低于浮石，火山灰等普通轻质骨料。EPS颗粒的量的略微增加可导致非实质性的强度降低，所以主要限制EPS混凝土在半结构或非结构元件中的应用。因此，EPS混凝土的潜在问题就是它的低强度。大量实验被用来研究EPS混凝土的强度，例如，K.G.Babu和D.S.Babu通过使用硅粉，在1500至2000kg / m3的密度范围内开发了一系列EPS混凝土，其抗压强度在10和21MPa之间。最近，B.Chen和J.Y.Liu制造出了10-25 MPa的较高强度的EPS混凝土，相应的密度为800至1800 kg / m3。在此基础上，W.C.Tang等人开发了一类结构级EPS混凝土，其密度在1400至2100 kg / m3之间，相应的强度范围为13至39 MPa。此外，Sadrmomtazi等人。 通过加入硅粉和稻壳灰，研究了生产不同强度等级EPS混凝土的潜力。根据以上指导，结构轻骨料混凝土的设计强度通常在21至35MPa之间。虽然EPS混凝土的强度比以前更高，但结构应用仍然是EPS混凝土的主要目标。

通常，放置EPS混凝土所需的技术与用于放置普通轻骨料混凝土的技术几乎没有差别。然而，由于超低密度和疏水性，EPS颗粒可能会更严重地分离到表面。因此，除了强度之外，EPS混凝土的另一个不容忽视的问题是EPS颗粒的分离。通常，改性添加剂和矿物粉末可有效改善混凝土的抗偏析性。例如，K.G.Babu和D.S.Babu使用硅粉和超塑化剂（SP）来改善EPS颗粒的疏水性并提升混合物的粘结性，试图用最少的水泥材料解决分离问题。B.Chen和J.Y.Liu发现苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）胶乳可以改善EPS圆珠和水泥浆之间的结合。通常，EPS混凝土的可加工性在圆珠与混凝土分离的情况下往往较差，与普通混凝土相比难以使用。然而，如果流动性增加，则会发生EPS颗粒的偏析，甚至EPS混凝土振动时会更加严重。在一定程度上，由于其可分配振动的特性，在自密实EPS混凝土中可以减少偏析。然而迄今为止，关于自密实EPS混凝土应用的研究还很少。

抑制偏析的另一种方法是加入粘度调节剂（VMA），它通常与超级增塑剂（SP）一起使用，以确保流动性和足够的稳定性。VMA的加入通过“抓住并保持”游离水、增加粘度并因此增稠混合物以防止分离来影响水泥浆的水相。虽然该方法有效且实用，但主要适用于普通自密实混凝土。出于同样的目标，VMA也可以掺入EPS混凝土（普通或自密实）中以抑制EPS颗粒的分离。对于EPS混凝土，Ranjbar等人开发了一类结构自密实的品种,其中硅粉和VMA的组合具有0.40-0.63％重量的粘合剂含量。除此之外，发现EPS混凝土的研究还很缺乏。因此，有必要探讨VMA对EPS混凝土的适应性，以及VMA抑制EPS颗粒偏析的有效性。通常，VMA会增加稳定性，但会降低流动性。SP会增加流动性，但会降低稳定性。因此，需要在EPS混凝土的流动性和分离之间取得平衡。

如上所述，EPS混凝土具有吸收振动能量的特性，可用于进行地铁轨道的减振和隔振。但是，当EPS颗粒混入混凝土中时，EPS混凝土的可加工性和抗压强度需要在工程应用中得到改善。因此，在混合物中使用VMA以改善可加工性和抗压强度。在目前的研究中，通过控制一定的水-粘合剂比和飞灰制备出了一类结构轻质EPS混凝土，拥有低密度（低于2400 kg/m3，常规）和高强度（21-35 MPa）。在此基础上，一系列混合物被设计出来以研究VMA对结构EPS混凝土的可加工性，抗分离性和抗压强度的影响。通过坍落度，坍落流动，反向坍落度锥时间和T50的测试来评估可加工性。为了评估偏析，进行了样品的密度测试。此外，本文提出了偏析指数（SI）的定义，通过该定义确定了EPS混凝土的偏析度，并评估了VMA抑制偏析的有效性。最后，采用各向异性的概念来评估抗压强度和破坏模式。本文提出的结果可参考EPS混合比例的设计，以使VMA的加入成为硅粉等矿物材料的替代。

实验调查

2.1．材料

该胶凝材料是南京当地普通硅酸盐水泥（OPC），强度等级为42.5

MPa（符合ASTM I型）。在所有混合物中，水泥被F级飞灰部分替代，并且飞灰要求具有95%的水需求比率和75%的强度活性指数。细度模数为2.34的河砂和碎玄武岩用作天然骨料。河砂的比重为2.59，吸收值为0.6%。粉碎的玄武岩为双级分级，粒度分布范围为5-15mm，15-25mm，比重为2.76，吸收值为0.5%。上述所有原材料均由当地预拌混凝土公司提供。因此，便于生产预拌EPS混凝土以及对预拌EPS混凝土的进一步测试。另外，在所有混合物中使用市售的EPS珠粒，密度为12-15kg/m3，粒径范围为2-3mm。混合水是南京当地的饮用水。为了改善混凝土的流动性，使用商业聚羧酸系高效减水剂（SP），其密度为1080kg/m3，固含量为22%。在混合物中加入商业粉末状粘度改性混合物（VMA）和另一种聚合物乳液（PE）。VMA的化学成分是羟丙基纤维素醚，它作用于水泥浆以增加粘度，从而提高混凝土的抗偏析性和抗渗性。PE的化学成分为丙烯酸丁酯和苯乙烯共聚物，可以改善EPS颗粒的疏水性。

混合比例

混合比例的设计方法由两个阶段组成。在第一阶段，主要目标是确定基本混合比例以提供高基质强度。在第二步中，将EPS珠粒，PE和VMA掺入混合物中以研究VMA对EPS混凝土性能的影响。根据作者研究小组先前的成果，确认水胶比为0.3的混合比例和25%重量的总水泥材料（TCM）的粉煤灰替代物提供了高强度。因此，将该混合比例确定为基本混合比例。含有1.5%TCM的超塑化剂（SP）用于改善流动性。在第二阶段，根据强度要求确定EPS珠粒的含量。根据作者研究团队以前的成果，一系列EPS替代品（20-30%）可以制作出结构EPS混凝土，VMA对这些混合比例具有类似的影响。在本文中，重点是VMA的影响。因此，将普通混凝土体积的25%替换为EPS，然后加入不同剂量的VMA。VMA的剂量设计为TCM的0.02%，0.04%，0.06%,0.08%和0.10%，分别为B2，B4，B6，B8，B10。此外，将没有VMA的混合物设计为对照混合物，将其分组为B0。在所有混合物中使用PE，其比例为TCM重量的1.0％。

样品的制备和试验方法

在容量为120L的实验室重力型混合器中制备混合物。在混合之前，将混合器预润湿并保持饱和表面干燥以避免在混合期间水分损失。为了抑制疏水性，首先将PE与EPS颗粒混合1分钟，然后引入聚集体并再混合一分钟。 此后，将水泥材料与VMA一起引入并混合。最后，逐渐加入水和SP并混合5分钟以确保混合物的均匀性。

混合完成后，立即对混合物进行可加工性试验。为避免可加工性的丧失，所有的可加工性试验在混合后30分钟内进行。根据标准，主要测试指标包括坍落度和坍落流动。此外，本文采用坍落流动时间（T50）—即混合物扩散到直径为50cm的圆的时间—来评估EPS混凝土的粘度和稳定性。较低的T50表明EPS混凝土具有较大的流动性。 反向坍落度锥时间—即来自倒塌锥的流动时间—主要用于控制混凝土的粘度，符合中国标准。更短的时间意味着更低的粘度和更好的混凝土流动性。在这种情况下，采用倒坍塌锥时间来评估普通混凝土的粘度，以及不同剂量的VMA的EPS混凝土的粘度是合适的。根据规范，倒塌锥时间的测试程序包括两个步骤。第一步是将混凝土分层填充到倒置的坍落度锥体中，填充混凝土有两层，每层需要15次捣固；第二步是从测量倒置坍落度锥中混凝土的流动时间。

在可加工性试验后，将混合物置于100times;100times;100mm的塑料立方体铸模中进行凝固。当填充时，铸模要被压实。尽管本研究中的混凝土是具有高流动性的混合物，但是随着VMA的增加，压实会越来越困难，因此振动压实仍然是必要的。对于具有少量VMA的混合物，振动压实也是必要的，以便保持相同的取样条件。然而，振动的持续时间非常短，这样可以确保测试样品的压实程度，并且可以防止进行聚集体和EPS颗粒的分离以顺利取样。一旦水泥砂浆出现在模具表面上，就应该完成压实。通过这种方式，EPS混凝土的紧凑性得到了保证。放置后，用工具平滑试样表面，然后用塑料包装密封。对于每种比例的混合物制备15个样品，然后将样品在标准固化室（20plusmn;2℃，95％RH）中固化，分别进行分离试验和压缩强度试验。铸造后约24小时将这些试样脱模。其中，测量三个样品的密度，其他样品在标准硫化室中固化，直至根据标准测试7天和28天的抗压强度。密度测试和抗压强度测试遵循以下程序。

2.3.1．密度测试

虽然很明显VMA对偏析有影响，但还是要进行密度测试以分析其含量的影响。从试验中，可以确定EPS混凝土的比密度分布，并可以评估偏析度。为了开始测试，将所有样品自然风干24小时，然后对样品进行称重，并测量由rho;0表示的每个风干样品的密度。通过切割机沿垂直方向将每个样品均匀地切成四个水平切片。通过阿基米德原理测量每个切片的体积，并分别测定切片的密度，由样品的顶部到底部的rho;1，rho;2，rho;3，rho;4表示。从测试中，可以确定每个切片的比重（rho;sn = rho;n / rho;0，n = 1,2,3,4）。通过切片的特定密度差异，可以分析和评估分离程度。

2.3.2. 抗压强度试验

为了测定抗压强度，对7天和28天固化时间的样品进行单轴压缩。试验机是电子控制的，量程为1000KN。在每个固化时间，取三个试样在垂直方向上进行压缩，另外三个在水平方向上，以探索强度的各向异性。当在垂直方向上压缩时，由于样品的粗糙顶面引起的应力集中，样品可能显示出较低的强度。在这种情况下，将样品的顶面抛光至预先均匀和光滑，压缩过程遵循中国标准。

实验结果和讨论

3.1. VMA对EPS混凝土工作性的影响

制备六种混合物以评估VMA对EPS混凝土的坍落度和坍落流动的影响。VMA的剂量范围为TCM重量的0.00％至0.10％。观察到坍落度和坍落流动与VMA呈负相关，表明添加VMA降低了EPS混凝土的流动性。注意到坍落度从270毫米减少到200毫米，而坍落流量从690毫米减少到330毫米。这可能是因为VMA的性质是为了改善水泥浆的粘度，同时改善浆料的内摩擦。结果，浆料的屈服应力和塑性粘度增加。当VMA被引入EPS混凝土时，混凝土的流动性会降低。 由于VMA的用量为TCM重量的0.00％-0.10％，坍落度和坍落度分别下降了25.9％和52.2％，表明VMA对EPS混凝土的流动性有显着影响。换句话说，VMA对EPS混凝土流动性的有效性是显着的。

值得注意的是，反向坍落度锥时间和T50均随着VMA的增加而增加（当VMA为TCM的0.06％时，坍落流量小于500mm，使得T50无法测量）。当VMA在TCM重量的0.00％至0.10％之间变化时，倒置的坍落度锥时间从11秒增加到113秒。这可能是由于VMA对水泥浆水相的影响。通常，在锥壁和混凝土之间存在起润滑剂作用的水泥浆层。当VMA掺入糊状物中时，VMA的水溶性聚合物链会吸收糊状物中的一些游离水并增加糊状物的塑性粘度。结果，润滑剂层的粘度增加，使得锥壁和混凝土之间的摩擦增加。因此，EPS混凝土难以从倒置的坍落度锥体排出，并且观察到倒置的坍落度锥时间增加。根据规格，反向坍落度锥时间也可用于评估混凝土的可泵送性。时间越短泵送性能越好。以这种方式，上述结果表明VMA的加入降低了EPS混凝土的可泵送性。

VMA对EPS混凝土偏析的影响

试样的比重密度分布

表3显示了掺入不同剂量VMA的样品的比重密度分布，由此可以量化VMA对分离的影响。如表3所示，样品的密度范围为2060-2092kg / m3。当加入为0.00％（重量）TCM的VMA时，切片的比重从0.704变化到1.145，而当加入0.18％（重量）的VMA时，变化从0.983到1.004。根据结果，通过使用切片的重心坐标作为相应的Z坐标，可以绘制样本的特定密度分布与Z坐标曲线。

沿着样品的垂直方向，特定密度从顶部到底部增加。这可以通过EPS颗粒的分离来解释。一般来说，当EPS颗粒分离到表面形成低密度上层时，密度沿垂直方

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资料编号：[2638]