楊 甜

(鄭州工業(yè)技術(shù)應(yīng)用學(xué)院建筑工程學(xué)院,河南 鄭州 451100)

隨著全球經(jīng)濟發(fā)展及能源消耗加劇,人們對能源的需求與日俱增。各個國家紛紛加大節(jié)能力度,致力于新型節(jié)能建材的研究與開發(fā)。建筑節(jié)能是解決能源問題的重要途徑,其中最直接有效的方法就是選用適宜的保溫隔熱材料和結(jié)構(gòu)。

EPS顆粒已經(jīng)成為我國非常重要的隔熱原料之一。1973年,Cook[1]就對聚苯乙烯顆粒作為集料加入混凝土中進(jìn)行了研究。2004年,陳兵等人運用預(yù)拌的措施,運用“裹砂”的辦法制取EPS混凝土,使EPS代替一部分的粗細(xì)骨料制得輕質(zhì)混凝土,再用試驗檢測它的力學(xué)性能[2]。2007年,肖立光等人通過多次試驗分析了PP纖維、可再分散乳膠粉等因素對EPS混凝土的抗壓強度和熱工性能的影響[3]。通過多年的探究,EPS混凝土已經(jīng)運用到多方面中,例如,EPS砂漿、EPS保溫涂層、EPS密封膩子等。另一方面,EPS混凝土在屋頂保溫、房間隔音、路基防凍、水上承臺等領(lǐng)域也有運用。同時,由于聚苯乙烯顆粒在建筑中有防震的功能,還可以作為抗沖擊保護(hù)層?，F(xiàn)在EPS輕質(zhì)混凝土在國外,尤其是美國等發(fā)達(dá)國家中,在各個方面都有運用,并且有了非常好的效益,運用比較廣泛。由于我國針對聚苯乙烯顆粒導(dǎo)熱性能方面的試驗研究不多、成果還不足,特別是關(guān)于導(dǎo)熱系數(shù)的試驗數(shù)據(jù)相對匱乏,限制了混凝土的工程應(yīng)用。粉煤灰是煤燃燒后的無用物質(zhì),若用于混凝土的制作中,不僅可以解決廢料引起的環(huán)境問題,而且可以解決我國能源短缺的緊張局面,具有重大意義。

本文以新結(jié)構(gòu)與新技術(shù)的結(jié)合為研究方向,基于使用需求,制備粉煤灰EPS混凝土。利用工業(yè)廢渣及塑料,變廢為寶,不僅可以降低成本,還可以節(jié)約資源,實現(xiàn)在經(jīng)濟和環(huán)境兩方面達(dá)到共贏的局面。

1 原材料與試樣制備

粉煤灰EPS混凝土是以水泥、EPS顆粒、粉煤灰為重要原料,再輔助一些功能性添加劑膠粉等,經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)制成的均質(zhì)材料。

1.1 試驗用原料

EPS顆粒是一種質(zhì)輕、密度小、導(dǎo)熱率低、隔熱、隔音的材料。一方面,它的密度小,質(zhì)量輕,加入后可以降低建筑物的自重。另一方面,在發(fā)泡聚苯乙烯顆粒生產(chǎn)時其內(nèi)部形成了封閉狀氣泡,可以增加保溫隔熱性能。

粉煤灰顆粒是一種表面光滑的微珠,有潤滑作用,可以增加漿體的流動性。粉煤灰本身是一種多孔形的蜂窩狀材料,可以阻礙熱量的直接傳輸。把它加入到混凝土中代替部分水泥,不但可以減少成本,還可以提高保溫特性。

水泥硬化之后不僅具有足夠的強度,而且具有長期的穩(wěn)定性和耐久性,相比其他膠凝材料更具有經(jīng)濟環(huán)保的性能。EPS混凝土的強度主要來源于硅酸鹽水泥的膠凝作用,因而加入水泥。

膠粉是一種溶解快、粘結(jié)強度高的白色粉末狀顆粒。本試驗?zāi)z粉采用建筑速溶膠粉,粘結(jié)能力較強。

本文采用的主要原材料有：粒徑2～5mm的廢棄EPS顆粒、42.5R普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰以及膠粉、水。除特別注明外,試驗用水均采用自來水。

1.2 試塊的制備

首先把膠粉按照選定的配合比溶于一定量的水里,均勻攪拌使之完全溶解。然后,將稱好的廢棄EPS顆粒倒入攪拌機內(nèi),緊接著把水泥、粉煤灰放入攪拌機,慢速攪拌,再倒入膠粉溶液,均勻攪拌幾分鐘。最后,把余下的水都倒入機內(nèi),快速攪拌達(dá)到均勻。

安裝好模具,盡量不要用變形的模具,并且在模具里面抹上薄薄的一層脫模劑。把攪拌均勻的混合物裝入模具里,進(jìn)行人工手動成型。搗實完成后,用鏝刀刮去溢出的部分,再把頂面抹平。

試件在48小時后脫模,最后放在溫度為20±2℃、濕度為90%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天。

1.3 混凝土性能測試方法

保溫和隔熱問題是建筑材料急需關(guān)注的問題之一。導(dǎo)熱系數(shù)是探索混凝土多孔材料的一個重要參數(shù)。保溫隔熱是粉煤灰EPS混凝土的主要效能之一,而導(dǎo)熱系數(shù)是其最有用而且最便利的量化指標(biāo)。

試件尺寸：300mm×300mm×20mm,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后取出,烘干后冷卻到室溫,用導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測試導(dǎo)熱系數(shù)。測定導(dǎo)熱系數(shù)需用的水必須是純凈水。

2 試驗方案及試驗分析

在粉煤灰EPS混凝土成型的基礎(chǔ)上,基于正交試驗理念尋求混凝土的最優(yōu)配合比。

2.1 正交試驗設(shè)計

根據(jù)正交設(shè)計法,經(jīng)全面考慮,最后確定EPS摻量、水泥用量、粉煤灰含量、膠粉及水的摻量為試驗因素,采用五因素四水平試驗,見表1所示。

2.2 正交試驗設(shè)計方案與試驗結(jié)果

選用L16(45)正交表進(jìn)行試驗設(shè)計,試驗方案與試驗結(jié)果見表2所示。其數(shù)據(jù)采集方法為：在每種工況(每個試驗號)條件下制備三個試樣,測定導(dǎo)熱系數(shù)。最后,把3個試樣3次測定的導(dǎo)熱系數(shù)平均值記入試驗結(jié)果(表2)。

表2 正交試驗方案與試驗結(jié)果

2.3 極差分析法

2.3.1 確定試驗因素的最佳水平

首先探索發(fā)泡聚苯乙烯顆粒摻量多少對結(jié)果的影響。134g EPS顆粒的影響表現(xiàn)在1、2、3、4組,同理,140g的EPS顆粒的影響表現(xiàn)在5、6、7、8組。我們可以得出134g的EPS顆粒對應(yīng)的試驗指標(biāo)之和為：

KA1=y1+y2+y3+y4=0.071+0.065+0.068+0.063=0.267

kA1=KA1/4=0.0668

同理,得出140g的EPS顆粒對應(yīng)的試驗指標(biāo)之和為：

KA2=y5+y6+y7+y8=0.057+0.054+0.052+0.053=0.216

kA2=KA2/4=0.054

146g的EPS顆粒對應(yīng)的試驗指標(biāo)之和為：

KA3=y9+y10+y11+y12=0.065+0.061+0.071+0.070=0.267

kA3=KA3/4=0.0668

152g的EPS顆粒對應(yīng)的試驗指標(biāo)之和為：

KA4=y13+y14+y15+y16=0.065+0.069+0.068+0.067=0.269

kA4=KA4/4=0.0673

依照正交設(shè)計規(guī)律,假如EPS顆粒對試驗指標(biāo)沒有作用,則kA1、kA2、kA3、kA4應(yīng)該相同,可是由以上計算得出的數(shù)據(jù)并不相同。說明,EPS顆粒含量的變動對結(jié)果有影響。因此能夠依照kA1、kA2、kA3、kA4的數(shù)值得出134g、140g、146g、152g對結(jié)果的影響程度。由于試驗指標(biāo)是導(dǎo)熱系數(shù),而且kA4>kA3=kA1>kA2,因為導(dǎo)熱系數(shù)越小保溫隔熱性能越好,因而確定A2為因素最好水平。

2.3.2 確定因素的主次順序

按照Rj的大小來斷定每個因素對試驗的影響順序。R的含義是該因素在它的取值范圍里的試驗指標(biāo)的變化程度。R越小,意味著該因素的變化對試驗的影響效果越小,這個因素就越不重要。RA=0.0673-0.0540=0.0133,同理可以得出RB、RC、RD、RE。從極差的數(shù)值可得,EPS因素的極差是其他因素的很多倍,大于粉煤灰、膠粉、水和水泥等因素的極差,而粉煤灰的極差比膠粉的極差大,水泥的極差最小。由此可以得出,粉煤灰EPS混凝土各因素對保溫隔熱性能因素影響主次因素為A>C>D>E>B,即EPS>粉煤灰>膠粉>水>水泥。

3 結(jié)論

本論文對粉煤灰EPS混凝土試塊的保溫性能進(jìn)行研究,從經(jīng)濟,環(huán)境等各個方面考慮,并通過五因素四水平的正交試驗方案,用極差分析的方法得出各種影響因素的主次順序和粉煤灰EPS混凝土的最優(yōu)配合比。粉煤灰EPS混凝土的最優(yōu)配比為：EPS：水泥：粉煤灰：膠粉：水=140∶1600∶660∶40∶1800,此時混凝土的保溫隔熱性能最好。