劉雷鵬 佘英飛 楊俊杰 楊震 張佳 呂生華

摘?要：聚苯乙烯泡沫（EPS）顆粒的引入可有效改善泡沫混凝土的各項性能，但EPS顆粒很難在混凝土內(nèi)部均勻分散.針對此問題本文對EPS顆粒進行“裹漿造殼”預處理，系統(tǒng)研究了EPS改性工藝對復合泡沫混凝力學性能的影響.并在此基礎(chǔ)上引入了膨脹珍珠巖，利用其與EPS的級配作用來進一步改善泡沫混凝土的保溫性能.研究結(jié)果表明，在EPS顆粒的預處理材料中硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鐵尾礦按2.5∶2.5∶5的質(zhì)量份比混合可以使復合泡沫混凝土的抗壓強度與抗折強度相較于未經(jīng)預處理的EPS空白對照組分別提升71.50%和53.33%，EPS顆粒與膨脹珍珠巖按照7∶3的體積份比混合，制備得到的復合泡沫混凝土保溫性能最佳，所得復合泡沫混凝土的導熱系數(shù)為0.119 W/m·K，表觀密度為651 kg/m3，抗壓強度與抗折強度在28天分別達到2.79 MPa和1.01 MPa.

關(guān)鍵詞：工業(yè)固廢；鐵尾礦；泡沫混凝土；聚苯乙烯泡沫；保溫隔熱

中圖分類號：TB33

文獻標志碼： A

文章編號：2096-398X（2023）04-0083-09

Abstract：In order to improve the thermal insulation performance of foamed concrete，polystyrene foam （EPS） particles were used to modify foamed concrete.Firstly，in order to solve the problem of uniform dispersion of EPS particles in concrete，the surface modification treatment was carried out，and the optimal composition of EPS modified materials was determined through experiments.Then，two kinds of lightweight aggregates，EPS particles and expanded perlite，were introduced into the preparation process of foamed concrete.The results show that the compressive strength and flexural strength of the composite foam concrete can be increased by 71.50% and 53.33% respectively compared with the untreated EPS blank group by mixing sulphoaluminate cement，Portland cement and iron tailings in the pretreatment material of EPS particles at a mass ratio of 2.5∶2.5∶5.When EPS particles and expanded perlite are mixed in a volume ratio of 7∶3，the prepared composite foam concrete has the best thermal insulation performance，and the thermal conductivity of the obtained composite foam concrete is 0.119 W/m·K，the apparent density was 651 kg/m3，and the compressive strength and flexural strength reached 2.79 MPa and 1.01 MPa in 28 days，respectively.

Key words：industrial solid waste; iron tailings; foamed concrete; polystyrene foam; thermal insulation

0?引言

泡沫混凝土具有密度小、超輕質(zhì)和成本低等優(yōu)勢，已經(jīng)快速發(fā)展為一種備受市場青睞的新型低碳綠色建筑材料，在全球各地被廣泛使用［1-5］.傳統(tǒng)的泡沫混凝土主要由水泥、粉煤灰及發(fā)泡劑制備而成，而隨著研究的進展，研究人員發(fā)現(xiàn)將工業(yè)固廢作為填料或膠凝材料適量的引入泡沫混凝土中，不僅可以降低成本還可以大規(guī)模消納固體廢棄物，在降低環(huán)境負擔的同時也實現(xiàn)了建筑材料的節(jié)能減排，輕質(zhì)混凝土的可持續(xù)和多功能發(fā)展對于建筑施工至關(guān)重要［6-11］.

鐵尾礦是對鐵礦石中的鐵精礦進行分選篩取后余留下的廢渣，我國每年新增鐵尾礦上億噸，是工業(yè)廢棄物的主要來源之一.堆放的鐵尾礦不僅占用大量土地資源，而且會對周圍環(huán)境造成污染，大規(guī)模的消納鐵尾礦刻不容緩［12-15］.鐵尾礦質(zhì)地較堅硬且具有一定的火山灰活性，這使其可以作為細骨料加入泡沫混凝土中［16］.李玥［17］使用鐵尾礦砂替代天然砂制備了泡沫混凝土，并系統(tǒng)探究了水泥用量、鐵尾礦砂、天然砂的混合比例以及泡沫摻量對材料性能的影響.劉丹［18］研究了鐵尾礦粉的摻量和細度對泡沫混凝土性能的影響.張立俠等［19］使用鐵尾礦粉、粉煤灰和硅灰作為填料制備泡沫混凝土，探究原材料混合比例、水膠比等因素對泡沫混凝土性能的影響.Han等［20］研究了鐵尾礦粉（ITP）對混凝土粉煤灰坍落度、抗壓強度、干收縮率、抗氯化物滲透性、抗凍性和硫酸鹽侵蝕的影響.ITP的加入增強了混凝土的凝聚力，并減少了坍塌的損失.雖然對鐵尾礦基泡沫混凝土的研究已有一定的進展，但由于鐵尾礦的密度較大，且其保溫性能較差，限制了其實際應用.

EPS（聚苯乙烯泡沫）是一種內(nèi)部氣相占比較大的輕質(zhì)保溫顆粒，材料內(nèi)部大量封閉微細空腔的存在使得它具有表觀密度低、疏水率好、保溫性能佳等優(yōu)勢.因此，在制備泡沫混凝土的過程中加入適量的EPS顆?？梢允共牧暇哂休p質(zhì)與保溫隔熱等優(yōu)勢［21］.Cheng等［22］通過加入EPS顆粒來增強混凝土的保溫和隔熱性能.Chen等［23］也將EPS顆粒作為輕骨料加入到泡沫混凝土中，探究了EPS的加入對材料可加工性、力學性能和導熱性的影響.湯勁松等［24］探究了EPS泡沫保溫材料作為屋面保溫材料的可能.

雖然將EPS加入到泡沫混凝土中可改善泡沫混凝土的性能，但由于EPS為憎水性的有機材料，與混凝土等無機物的相容性差，且密度較小在攪拌成型過程中會出現(xiàn)上浮，導致成品力學性能較差［25，26］.要實現(xiàn)材料的輕質(zhì)高強，必須從EPS顆粒與水泥之間的粘結(jié)問題上入手.EPS顆粒的表面改性是解決顆粒上浮和分散不均勻的關(guān)鍵［27］.康亞明等［28］以EPS顆粒與普通硅酸鹽水泥為基礎(chǔ)材料，在機械化學和粉體材料濕法改性作用下制備了一種輕質(zhì)混凝土，該實驗解決了EPS顆粒上浮等問題，并且在適宜的水灰比下具有良好的流動性.Yao等［29］以EPS為保溫顆粒骨料，爐渣為骨料，水泥和石膏為基體，通過摻入碎棉秸稈纖維來解決無機和有機材料界面粘結(jié)強度低和EPS顆粒上浮的問題.方黃磊等［30］采用正交試驗對高稠度的EPS塑性混凝土的配合比進行了優(yōu)化設(shè)計，從而解決EPS顆粒上浮的問題.目前關(guān)于解決EPS在混凝土中的分散問題雖然已有一定的研究，但所涉及的方法較為復雜且普適性較差，對EPS顆粒的改性研究必然還需要更進一步.

針對EPS顆粒在混凝土內(nèi)的分散問題，本文先對其進行類似普通混凝土的“凈漿裹砂法”進行“裹漿造殼”表面改性.改性后EPS顆粒表面形成了一層混凝土的殼狀結(jié)構(gòu)，使其親水性得到明顯改善，同時還解決了因為EPS上浮造成的分散不均勻.包裹的EPS顆粒與水泥基之間的接觸變得更加緊密；混凝土的抗壓和抗折強度都有更為明顯的提高.系統(tǒng)對EPS改性材料對EPS/鐵尾礦基復合泡沫混凝土的各項性能的影響進行研究.并在此基礎(chǔ)上，為了進一步改善復合泡沫混凝土的保溫性能，將天然的玻璃質(zhì)火山熔巖膨脹珍珠巖［31-33］引入到復合泡沫混凝土中，探究了EPS與膨脹珍珠巖兩種輕骨料配合比對泡沫混凝土力學性能、保溫性能、表觀密度的影響.

1?實驗部分

1.1?主要原料

普通硅酸鹽水泥P.O 42.5與42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥為陜西省聲威水泥股份有限公司提供.鐵尾礦粒徑主要分布在70～110 μm，燒失量約為2.13%.EPS（表觀密度為18 kg/m3，平均粒徑為6 mm）由河間市超磊保溫材料公司提供，其EPS顆粒的宏觀形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.

膨脹珍珠巖由山東玉順絕緣材料廠生產(chǎn)，材料的表觀密度為40 kg/m3，粒徑為1.5 mm.本研究中使用的外加劑包括減水劑、發(fā)泡劑雙氧水（H2O2）、穩(wěn)泡劑羥丙基甲基纖維素（HPMC）、促凝劑偏鋁酸鈉均為化學純，西亞試劑公司提供.

1.2?實驗方法

1.2.1?EPS小球“裹漿造殼”

為改善EPS小球在混凝土中的分散性，需對EPS進行表面改性來構(gòu)建一定的“核殼結(jié)構(gòu)”，流程如圖2所示，具體操作步驟如下：

（1）使用量筒量取一定量的EPS顆粒后均勻攤放在托盤中，將噴壺中的HPMC水溶液均勻噴灑在EPS顆粒表面；

（2）將硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵尾礦、減水劑按比例混合后加水制備得到裹漿材料；

（3）將制備得到的漿體與HPMC溶液潤濕后的EPS顆?；旌?，期間保持低速攪拌，使每一個EPS顆粒表面形成一層“水泥殼”；

（4）將已經(jīng)表面處理后的EPS顆粒均勻的攤放在托盤中，靜置3 h即可.

1.2.2?鐵尾礦復合泡沫混凝土的制備

制備鐵尾礦復合薄膜混凝土時，水泥、粉煤灰、鐵尾礦的質(zhì)量比5.25∶2.25∶2.5，水膠比為0.5.本試驗涉及到的鐵尾礦復合泡沫混凝土的制備流程如下：

（1）稱取一定量的水泥、粉煤灰、鐵尾礦與外加劑，并進行混合；

（2）將發(fā)泡劑和水分別加入干混完成的干料中，攪拌2～3 min；

（3）將預處理后EPS顆粒的與后續(xù)混合好的漿料混合，攪拌2 min；

（4）將攪拌完成的混凝土漿料倒入標準試件模具后并標號；

（5）12 h后脫模，標準養(yǎng)護，直至實驗的要求齡期.

1.3?測試方法

1.3.1?表觀密度

將養(yǎng)護至28天的試件放入電熱鼓風干燥箱中進行多次烘干，每次烘干4 h，溫度設(shè)置為（110±5） ℃，烘干后取出稱重，直至兩次烘干后的試件質(zhì)量差小于1 g，記下此次試件質(zhì)量記為恒重質(zhì)量M0，計算試件體積V，通過公式（1）計算表觀密度：

式（1）中：ρ0為試件表觀密度（kg/m3），M0為試件恒重質(zhì)量（kg），V為試件體積（m3）.

1.3.2?抗壓強度

選取三塊尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的試件，分別標注3 d、7 d和28 d，在試樣測試所要求的養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至規(guī)定齡期.使用無水乙醇溶液對不同齡期的試件進行24 h浸泡處理，試件完成中止水化后放入烘箱中烘干至恒重，測量并計算出試件的實際受壓面積，利用JES-300型抗折抗壓試驗機進行測試，測試時加荷速率為（2.4±0.2）KN/s.

1.3.3?抗折強度

ASTM（美國材料與試驗學會：American Society of Testing Materials）是一個國際標準組織，致力于開發(fā)和發(fā)布針對各種材料，產(chǎn)品，系統(tǒng)和服務的自愿性共識技術(shù)標準.因此該試件抗折強度測試選用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的試件，測試參考《混凝土抗折強度方法ASTMC293M》進行.儀器選用萬用型電伺服試驗機進行測試，實驗參數(shù)為：兩量程300 KN，加載速率1 mm/min.

1.3.4?微觀形貌表征

用日本 HITACHI 公司 S-4800 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀測泡沫混凝土內(nèi)部水泥水化產(chǎn)物的微觀形貌.制樣方法：敲碎試件后選取較光滑平整的碎片粘到導電膠表面上，后用細導電膠分別固定碎片頭尾，將樣品按順序粘在鋁臺上，15 s噴金后在掃描電鏡上進行觀察.

1.3.5?導熱系數(shù)

使用瞬變平面熱源導熱儀（Hot Disk TPS 2500）測試試件的導熱率，使用無水乙醇溶液對養(yǎng)護至28 d的試件進行24 h浸泡處理，試件完成中止水化后放入烘箱中烘干至恒重，打磨成兩片40 mm×40 mm×10 mm的試塊，選取兩試塊各自光滑的一面夾住感應探頭，確定探頭在兩試塊中心位置后在上方試塊上放置砝碼，保證探頭與試塊能完全接觸.參數(shù)設(shè)置為40 mw、80 s，開始測試，三次平行測試后取平均值.

2?結(jié)果與討論

2.1?EPS-混凝土界面SEM表征

“裹漿造殼法”對EPS進行改性處理可以改善有機輕質(zhì)顆粒與無機膠凝材料間的相容性從而促進EPS顆粒在混凝土內(nèi)部的均勻分散.圖3為復合泡沫混凝土斷面EPS-混凝土界面的微觀形貌.從圖3（a）可看出，未經(jīng)預處理的EPS顆粒在加入泡沫混凝土后，EPS表面與混凝土之間的連接界面表現(xiàn)為含有縫隙的“弱連接”；而在圖3（b）中，經(jīng)過“裹漿造殼”處理的EPS顆粒與混凝土之間則表現(xiàn)出了良好的界面粘結(jié)力，界面過渡區(qū)無明顯裂縫.因此，使用“裹漿造殼”工藝對EPS進行表面處理可以有效改善由于有機材料和無機材料間的性質(zhì)差異而導致的界面“弱連接”.

2.2?裹漿材料處理工藝對復合泡沫混凝土性能的影響

2.2.1?裹漿材料中鐵尾礦摻量對復合泡沫混凝土力學性能的影響

鐵尾礦砂作為一種高硬度的工業(yè)固廢可以有效提升材料的力學性能，因此將鐵尾礦作為EPS顆粒的裹漿材料之一，有望通過提升EPS顆粒表面“水泥殼”的強度從而有效提升復合泡沫混凝土的力學性能.通過改變裹漿材料中鐵尾礦的含量，探究EPS預處理所需最佳鐵尾礦摻量.具體配比參數(shù)如表1所示.

如圖4所示，試件28天的抗壓強度與抗折強度隨著鐵尾礦的摻入均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，鐵尾礦摻量逐漸增加至50 wt%的過程中，試件的抗折強度從0.49 MPa上升至1.02 MPa，試件的抗壓強度從1.74 MPa增長至2.88 MPa.這說明鐵尾礦作為細骨料可以有效提升混凝土硬化后的強度，同時當鐵尾礦總量不變時，如果盡可能多的鐵尾礦被添加在有機EPS顆粒與無機膠凝材料的界面連接處可以有效提升復合泡沫混凝土的整體機械強度.當鐵尾礦摻量持續(xù)增加至60 wt%時，試件的抗折強度降低至0.66 MPa，抗壓強度降低至2.14 MPa.這主要是因為在裹漿材料總質(zhì)量不變的前提下，由于鐵尾礦的密度遠大于水泥的密度，鐵尾礦含量的增加會導致裹漿材料的總體積降低，當鐵尾礦的摻量達到60 wt%時，漿體不足以為每一個EPS顆粒提供完整的“水泥殼”，這是導致試件出現(xiàn)力學性能缺陷的主要原因.

圖5為試件E1-E5斷面經(jīng)過Image-Pro Plus軟件進行處理后EPS顆粒的分散情況.從圖中可看出，當鐵尾礦摻量為0 wt%、30 wt%、40 wt%時，EPS混凝土內(nèi)部存在部分團聚的EPS顆粒，隨著鐵尾礦摻量的增加，EPS顆粒的團聚現(xiàn)象逐漸消失，這主要是因為硫鋁酸鹽酸鹽水泥可以作為一種快速硬化的特種水泥.它作為EPS表面預處理所用的膠凝材料可以依靠它的快硬屬性在材料表面形成一層“水泥殼”，但當硫鋁酸鹽水泥在裹漿材料中占比較高時，混凝土漿體的硬化時間會相應降低，從而導致部分團聚的EPS顆粒還未分離就被包裹在同一層“水泥殼”中，這種現(xiàn)象直接影響了試件力學性能，這也是當鐵尾礦摻量小于40 wt%時試件28天的抗折強度均小于空白對照組的主要原因.在圖5（e）中，EPS顆粒出現(xiàn)了一定程度的上浮現(xiàn)象，這也從側(cè)面佐證了之前關(guān)于試件抗折強度與抗壓強度下降原因的討論.

2.2.2?裹漿材料中膠凝材料對復合泡沫混凝土力學性能的影響

經(jīng)過部分的試驗發(fā)現(xiàn)，使用硫鋁酸鹽水泥作為EPS表面預處理的膠凝材料存在EPS團聚而導致的材料力學性能缺陷，因此，本部分使用普通硅酸鹽水泥替代50 wt%的硫鋁酸鹽水泥作為EPS表面改性的膠凝材料，通過提升EPS顆粒核殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而有效提升復合泡沫混凝土的力學性能.具體試驗參數(shù)如表2所示.

圖6展示了將裹漿用膠凝材料替換為50 wt%硫鋁酸鹽水泥+50 wt%硅酸鹽水泥后復合泡沫混凝土的力學性能受裹漿材料中鐵尾礦摻量的影響情況.從圖中可看出，試件28天的抗壓強度與抗折強度隨著鐵尾礦的不斷摻入均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，這與100 wt%硫鋁酸鹽水泥加入鐵尾礦時的變化趨勢相同.鐵尾礦摻量從0 wt%提升至50 wt%的過程中，試件28天的抗折強度從0.90 MPa上升至1.38 MPa，抗壓強度從2.07 MPa提升至3.55 MPa，這與先前的試驗結(jié)果保持一致，鐵尾礦作為細骨料可以有效提升泡沫混凝土的力學性能.而試件28天的抗折與抗壓強度在鐵尾礦摻量提升至60 wt%時均出現(xiàn)了下降現(xiàn)象，這主要是因為高鐵尾礦摻量會導致較少的膠凝材料不足以使每個EPS顆粒形成穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)，這會降低EPS在混凝土漿體內(nèi)的分散性從而導致試件力學性能的降低.

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，將裹漿用膠凝材料替換為50 wt%硫鋁酸鹽水泥+50 wt%硅酸鹽水泥后，各組試件的力學性能得到了一定程度的提升，這主要是因為使用普通硅酸鹽水泥替代部分硫鋁酸鹽水泥可以有效控制EPS表面水泥漿體的硬化時間，通過促進每一個EPS顆粒形成更穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)從而有效提升復合泡沫混凝土整體的力學性能.

2.2.3?裹漿材料對復合泡沫混凝土中EPS顆粒分散性的定量化分析

EPS顆粒在泡沫混凝土中分散的均勻性是決定復合泡沫混凝土各項性能的關(guān)鍵.在過往的研究中，通常將一塊復合泡沫混凝土按相同體積等量切割為上、中、下三部分，對三個部分進行分別稱重后通過質(zhì)量的差異來判斷EPS顆粒的分散性.結(jié)合文獻，本實驗使用Image-Pro Plus軟件對各組試件的斷面照片進行分析處理后探究EPS顆粒在泡沫混凝土內(nèi)部的分散性，具體操作如下：

（1）拍攝該五個試件的斷面照片并記作F1～F5，使用Image-Pro Plus軟件進行去背底以及黑白二值化處理，將EPS顆粒標為白色，如圖8所示；

（2）將處理后的斷面圖片等分為上、中、下三個部分，如圖9所示；

（3）將等分后得三段圖片分別導入Image-Pro Plus軟件，使用軟件標記每個EPS顆粒后使用計算功能分別計算得到上、中、下三部分的EPS顆粒總面積相對值、顆粒數(shù)以及顆粒差異倍率，通過以上參數(shù)來定量分析EPS顆粒在泡沫混凝土內(nèi)部的均布性.

根據(jù)上述步驟分別對F1～F5五組試件的斷面圖片進行處理計算，各組試件斷面上、中、下部分EPS顆粒各項參數(shù)見表3所示.從表3可看出，當鐵尾礦摻量為50 wt%時，試件斷面上、下部分EPS 顆?？偯娣e相對值最接近1，上、下部分顆粒數(shù)分別為20與19，相對中間切面的EPS顆粒數(shù)21非常接近，顆粒差異倍率近似相等，因此，裹漿材料中鐵尾礦摻量為50 wt%時EPS在泡沫混凝土內(nèi)部分散的最為均勻，這也是在此條件下試件的抗壓強度與抗折強度最大的主要原因.同時，裹漿材料中鐵尾礦摻量為60 wt%，試件斷面三個部分的EPS顆粒數(shù)之間差異較大，上部分EPS 顆?？偯娣e相對值與1偏離最遠，這表示有部分EPS顆粒出現(xiàn)了上浮現(xiàn)象，正是EPS顆粒分散的不均勻性導致了試件機械強度的降低.

結(jié)合上述研究結(jié)果，裹漿材料中的膠凝材料需選取等量的硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥混合，鐵尾礦摻量基于裹漿材料總質(zhì)量的50%.使用此配比預處理得到的EPS顆粒在泡沫混凝土中表現(xiàn)出最佳的分散性和力學性能.因此，選擇此配比進行后續(xù)試驗.

2.3?輕骨料配比對復合泡沫混凝土性能的影響

除了輕骨料的分散性，骨料的級配也是決定泡沫混凝土性能的一個關(guān)鍵因素，在解決了EPS顆粒在泡沫混凝土內(nèi)部的分散問題的基礎(chǔ)上，為了進一步改善復合泡沫混凝土的導熱性能，將粒徑小于EPS顆粒的膨脹珍珠巖作為輕骨料來替代部分EPS顆粒，利用EPS顆粒與膨脹珍珠巖間的粒徑差異產(chǎn)生一定的級配.如圖10所示，較小粒徑的膨脹珍珠巖可以填充在大粒徑EPS顆粒間的空隙內(nèi)形成一定的級配從而降低材料的密度和導熱系數(shù).在前期的試驗基礎(chǔ)上，使用膨脹珍珠巖分別替代基于EPS顆粒體積的0%、20%、40%、60%和70%，其余試驗條件不變，通過對各組試件的表觀密度、抗壓強度、抗折強度、導熱系數(shù)進行綜合分析，確定EPS顆粒與膨脹珍珠巖的最佳配比.

2.3.1?輕骨料配比對復合泡沫混凝土表觀密度的影響

圖11顯示了隨著膨脹珍珠巖對EPS體積替代率的提升試件表觀密度的變化情況.從圖中可看出，隨著輕骨料中膨脹珍珠巖含量的提升，材料的表觀密度呈先減小后增大的表化趨勢，當膨脹珍珠巖的替代率從0%增長至40%時，材料的表觀密度從729 kg/m3降低至651 kg/m3.這主要是因為膨脹珍珠巖摻入可以有效填充EPS顆粒間的空隙，而EPS顆粒與膨脹珍珠巖之間更小的空隙則由混凝土漿體填充，這種填充效應使EPS顆粒與膨脹珍珠巖顆粒間產(chǎn)生滾珠軸承效應，這對混凝土漿體具有一定的潤滑作用，混凝土漿體具有良好的流動性有利于化學發(fā)泡過程中氣泡在混凝土內(nèi)部均勻穩(wěn)定的生成，從而使材料的表觀密度逐漸下降.

當輕骨料中膨脹珍珠巖的體積占比從40%提升至70%時，試件的表觀密度從651 kg/m3增加至789 kg/m3，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可歸結(jié)為混凝土漿體流動性的損失，首先，當膨脹珍珠巖的體積占比大于40%時，膨脹珍珠巖的總量遠大于EPS顆粒之間需要填充的空間，輕骨料原本的級配效應逐漸減弱甚至消失，這使得混凝土漿體的流動性受到影響；其次，隨著膨脹珍珠巖體積含量提升，EPS顆粒體積占比降低，輕骨料整體表面積增大，而裹漿材料的總體積不變，導致輕骨料表面核殼結(jié)構(gòu)的生成受到影響從而影響混凝土漿體的流動性.混凝土漿體的流動性降低、粘聚性提升，這使得化學發(fā)泡過程受到抑制，混凝土內(nèi)部的氣孔含量降低從而導致了材料表觀密度的提升.

2.3.2?輕骨料配比對復合泡沫混凝土力學性能的影響

圖12顯示了隨著膨脹珍珠巖對EPS體積替代率的提升試件力學性能的變化情況.從圖中可看出，隨著輕骨料中膨脹珍珠巖的體積占比提升，試件28天的抗壓強度與抗折強度均呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢.試件28天抗折強度在膨脹珍珠巖體積占比為40%時降低至最小值1.01 MPa，試件28天抗壓強度同樣在膨脹珍珠巖體積占比為40%降低至最小值2.79 MPa.

試件強度的下降與材料密度的變化有關(guān)，隨著膨脹珍珠巖與EPS顆粒逐漸形成級配，通過改善混凝土漿體的流動性提升化學發(fā)泡過程中泡沫混凝土內(nèi)部的氣相組分從而造成了材料強度的損失.當輕骨料中膨脹珍珠巖的體積占比從40%提升至70%時，試件28 d的抗壓強度提升至7.65 MPa，抗折強度提升至3.04 MPa，這主要是因為隨著輕骨料中膨脹珍珠巖體積含量的進一步提升，原本存在的輕骨料級配逐漸消失，這直接導致了混凝土漿體的流動性下降、粘聚性提升，漿體中化學發(fā)泡過程氣泡生成的阻力增大，泡沫混凝土中氣相占比逐漸下降，混凝土漿體部分趨于密實，因此試件的強度有所增加.

2.3.3?輕骨料配比對復合泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響

從圖13可以看出，試件的導熱系數(shù)隨著膨脹珍珠巖在輕骨料中體積占比的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢.膨脹珍珠巖體積占比為40%時材料的導熱系數(shù)達到最低值0.119 W/m·K.混凝土內(nèi)部氣相占比是影響其導熱系數(shù)最主要的原因，因此，材料的導熱系數(shù)一般與其密度保持相近的變化趨勢.

由于在泡沫混凝土內(nèi)部加入了EPS顆粒，并且膨脹珍珠巖能夠利用輕骨料輕質(zhì)多孔的結(jié)構(gòu)特點來有效降低混凝土的密度和導熱系數(shù)從而使材料具有保溫隔熱的能力.

首先，膨脹珍珠巖與EPS顆粒形成的級配效應使混凝土漿體的流動性逐漸提高，這使得化學發(fā)泡過程中氣泡產(chǎn)生的阻力降低，混凝土內(nèi)部的氣孔含量提升；其次，隨著膨脹珍珠巖含量的提升，原本填充在EPS顆粒之間的混凝土漿體逐漸被膨脹珍珠巖替代，這也變相地提升了混凝土中的氣相組成.這便是試件導熱系數(shù)下降，保溫性能提升的主要原因.而當膨脹珍珠巖體積占比上升至70%時，試件的導熱系數(shù)持續(xù)上升至0.244 W/m·K，這主要是因為過多的膨脹珍珠巖會導致輕骨料原本的級配消失，直接影響到混凝土漿體的流動性使混凝土趨于密實，氣孔的減少導致了試件導熱系數(shù)的增長，與此同時，膨脹珍珠巖密度大于EPS顆粒也是導致泡沫混凝土保溫性能下降的原因之一.

綜上所述，選用兩種輕骨料混合可以產(chǎn)生級配從而有效提升泡沫混凝土的性能，當輕骨料選用膨脹珍珠巖與EPS顆粒按體積比3∶7混合，制備得到的泡沫混凝土在強度方面雖存在一定的缺陷但擁有最低的表觀密度和最佳的保溫性能.綜合考慮，本部分著重提升泡沫混凝土的保溫性能，因此膨脹珍珠巖與EPS顆粒體積比為3∶7時/鐵尾礦/輕骨料復合泡沫混凝土的性能最佳.

3?結(jié)論

（1）使用“裹漿造殼法”對聚苯乙烯泡沫（EPS）顆粒進行預處理可以有效提升有機顆粒與無機膠凝材料間的界面相容性，從而有效提升輕骨料在復合泡沫混凝土內(nèi)的分散性.裹漿材料中硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鐵尾礦按2.5∶2.5∶5的質(zhì)量份比混合，制備得到的復合泡沫混凝土具有最佳的力學性能，同時EPS顆粒的分散性最好.

（2）EPS顆粒與膨脹珍珠巖之間的粒徑差異可以使輕集料產(chǎn)生級配效應從而通過改善復合泡沫混凝土的性能.當EPS顆粒與膨脹珍珠巖按照7∶3的體積比混合，制備得到的復合泡沫混凝土性能最佳，試件28天的抗壓強度為2.79 MPa，抗折強度為1.01 MPa，表觀密度為651 kg/m3，導熱系數(shù)為0.119 W/m·K.

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【責任編輯：蔣亞儒】

基金項目：國家自然科學基金項目（21276152，21076152）；陜西省區(qū)域創(chuàng)新能力引導計劃項目 （2021QFY04-04）；陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃-陜煤聯(lián)合基金資助項目（2019JLM-33）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（20JK0628）

作者簡介：劉雷鵬（1990—），男，陜西榆林人，副教授，博士，研究方向：功能高分子復合材料、介電彈性體材料