内陆干旱区平原水库防蒸发的EPS轻质混凝土试验研究

宋兴亮， 侍克斌， 严新军, 信玉良, 董秀斌

(新疆农业大学 水利与土木工程学院,乌鲁木齐830052)

摘要：内陆干旱区年蒸发量大，通过研制一种干硬后可漂浮于水面的轻质混凝土，后期将其制成板状结构覆盖于水库水体之上，将大大减少平原水库的无效蒸发，以期达到节水目的。EPS(聚苯乙烯泡沫塑料Expanded polystyrene sphere)是一种稳定的、不吸水的、憎水性的、封闭式的超轻颗粒,用以取代混凝土的粗集料和细集料，通过加入适量的粉煤灰、高效引气减水剂和对施工工艺的改良，可改善EPS颗粒与水泥浆体的黏结性，按照试验前事先制定好的要求，可制得表观密度<500 kg/m3、抗折强度>1.5 MPa的EPS轻质混凝土。该混凝土制成板可应用于内陆干旱区平原水库的防蒸发节水技术上。

关键词：内陆干旱区；EPS；轻质混凝土；防蒸发；节水

中图分类号：TU528.2文献标志码：A

收稿日期：2013-10-21；修回日期：2013-12-09

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD25B04，2012BAD08B01)

作者简介：屈瑾(1990-)，女，甘肃白银人，硕士研究生，主要从事混凝土数值模拟的研究，(电话)18629576680(电子信箱) latika124qj@163.com。

通讯作者：娄宗科(1962-)，男，陕西凤翔人，教授，主要从事水工材料耐久性方面的教学与研究，(电话)13572412289(电子信箱) slxlzk@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.025

1研究背景

世界上有相当一部分区域都属于内陆干旱区，这些区域的基本特征是年降水量小、年蒸发量大。在该区域有许多平原水库，其特点是面积大、水深小、水库无效蒸发损失很大。例如在新疆已建的477座水库中，绝大多数都为平原水库，这些水库的总库容约为59.3×108m3。根据已有研究成果估算，新疆水库的年蒸发量为26.1×108m3，年渗漏量为8×108m3，合计每年损失水量约34.1×108m3[1-2]。

针对内陆干旱区平原水库无效蒸发损失很大的特点，旨在寻求符合我国国情，在现有科技、工艺和材料水平条件下，研制出一种在风浪条件下，满足防渗、抗风、抗冻、抗老化、结构坚固、廉价，抑制蒸发效果良好的固体覆盖物材料。

早在20世纪70年代，Cook就对EPS作为混凝土的集料进行了研究[3]。国内对EPS轻质混凝土的研究起步相对较晚，经过10多年的研究和探索，现多用于墙体保温材料。但将其应用于干旱区平原水库防蒸发节水技术上鲜见，均处在探索阶段。现代社会越来越重视保护环境，废弃的聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)由于其自身的特点性能稳定，不易降解，容易产生“白色垃圾”，对环境污染很大。倘若采用原生或破碎后再生的EPS颗粒，将其作为骨料取代粗集料和细集料，以水泥、粉煤灰为胶结料，加入适量的高效引气减水剂，经搅拌、成型、养护而制成EPS轻质混凝土,不但可以降低能耗和减少环境污染，将其与平原水库蒸发量大的实际情况结合起来，研制出一种可漂浮于平原水库上的固体覆盖物，并对该固体覆盖物包裹一层憎水材料，可显著减少平原水库的无效蒸发。

要求该EPS轻质混凝土体积密度ρ≤500 kg/m3；抗折强度f≥1.50 MPa。

2试验配比及制作

2.1　原料与配比

EPS颗粒：采用原生EPS颗粒，新疆乌鲁木齐天雄时代钢结构有限公司生产，发泡级，平均粒径3.0 mm，堆积密度为12.2 kg/m3；水泥：采用新疆天山水泥厂生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度为52 MPa；采用新疆玛纳斯电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；外加剂为高效引气减水剂、防水剂；采用实验室自来水。试验配方见表1。

2.2　试件制作

2.2.1搅拌工艺

搅拌工艺对EPS轻质混凝土的成型、抗压强度、抗折强度性能等都有着极其重要的影响。采用假设表观密度法，通过前人的研究表明粉煤灰按胶凝材料质量的30%替代时强度最大，同时质量最轻[4]。

表1　EPS轻质混凝土试验用料配方 Table 1　Proportioning of EPS light-weighted concrete

本实验混凝土全部采用人工拌合。首先将水泥和粉煤灰干拌5 min，待拌合均匀后加入水和高效引气减水剂。为防止EPS颗粒飞溅，缓缓将EPS颗粒倒于水上，边拌合边倒，使EPS颗粒表面被水湿润，如此本来具有惰性特性的EPS颗粒因为水的湿润覆盖而使自身也具有活性。最后再充分拌合5 min。此步非常关键，是笔者在大量的试件制备过程中总结出来的。它可以密实混凝土的内部，使组分均匀，大大提高混凝土的强度，因为如果直接将所有原料加入到容器中搅拌，EPS颗粒因为自身重量比较轻，拌合过程中易四处飞溅，再加上其本身表面比较光滑不亲水、活性差，导致EPS颗粒不能与水泥基很好地结合，最后使得混凝土整体结构疏松，强度和性能降低。因此该搅拌方法是非常有效的。图1是EPS基础颗粒，图2(a)是初拌的拌合物,图2(b)是拌合均匀后的EPS混凝土。从图1中可以看出,EPS颗粒分布比较均匀,没有出现团块现象，制作的EPS混凝土质量达到预期的要求。

该混凝土大面积推广生产时，可采用全封闭式砂浆搅拌机，适当延长搅拌时间，拌合均匀。

图1　EPS颗粒 Fig.1　EPS particles

图2　拌合物及成型的EPS混凝土 Fig.2　Mixture materials and molded EPS

2.2.2制作工艺

将搅拌均匀的拌合物分层装入试模，振动时必须在混凝土上覆盖一块大小和混凝土上表面一样的铁板,避免在振动过程中由于EPS颗粒太轻而导致其从混凝土表面浮出现象的发生[5]。振动时间对EPS混凝土强度的影响也是一个非常重要的因素,时间过短孔隙比较多,各组不能很匀称地分布,时间过长又会使组分分层,因此要把握好振动时间，同时控制好振动频率,其标准是看有没有EPS颗粒浮出浆体表面，通过前人的研究表明振动10 s时振动效果最好[6]。在推广生产时亦采用此振动方法。

新拌混凝土的塌落度反映了混凝土在重力作用下克服内部黏聚力而发生流动的性能。由于本试验采用的是原生EPS，颗粒呈球形，表面较光滑，使拌合物流动性得到改善，有利于浇捣成形。在制作过程中测得其塌落度大致在16 ～20 cm。塌落度试验参照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》[7]。

2.3　试件养护与测试

立方体抗压强度试验选用100 mm×100 mm×100 mm立方体试模,抗折强度试验选用160 mm×40 mm×40 mm长方体试模,测试龄期为28 d。试件成型24 h后脱模,脱模后在试件外表面用刷子分别刷2 ～3 mm厚掺入防水剂的水泥浆，0.30，0.35，0.40，0.45水胶比的试件分别刷0.65，0.60，0.55，0.50水胶比的水泥浆，见图3(a)和图3(b)。待24 h试件表面硬化后，将其置于温度为20±2℃、湿度为90%的养护室中养护至规定的龄期。养护至28 d后擦干试件表面水分，用电子秤称其质量，用游标卡尺测其尺寸，计算试样体积，进而计算出试样密度。立方体抗压强度的测试在2 000 kN的压力机上进行,加载速度为0.8 kN/s；抗折强度测试在最大负荷为500 kg的电动抗折仪上进行；所有试验连续而匀速加载。

图3　成型后的抗折和抗压试件 Fig.3　Specimens for flexural and compressive tests

3试验结果及分析

在试验过程中发现，EPS颗粒在混凝土搅拌过程中易产生离析，其与水泥浆体界面黏结力表现较差。因此采用了边拌合边倒入EPS颗粒，使EPS颗粒表面被水所湿润的拌制方法，以增强EPS颗粒和水泥浆体的黏结性。

通过图2(b)可以看出拌制的EPS轻质混凝土和易性、流动性良好，没有出现泌水现象。这是由于高效引气减水剂的引入使单位用水量大幅度减少，以及水溶性高分子化合物增加液相的黏度[8]，引气减水剂又可明显地降低混凝土表面张力，所以改善了新拌混凝土的和易性，减少了泌水和离析现象的发生。并且本实验全部采用的是原生EPS颗粒,其表面较光滑,颗粒呈球形,使得拌合物更易于流动，有利于浇筑成型。加入EPS混凝土中的高效引气减水剂能够产生均匀、稳定、封闭、不易破坏、互不连通的微细气泡,这些微细的气泡充实了硬化后混凝土内部的孔隙,隔断了内部的毛细管通道,阻碍了混凝土的吸水性和渗水作用，可大大提高EPS混凝土的抗渗性、抗冻性和抗盐冻性，改善了EPS混凝土的耐久性能，并且由于此种EPS混凝土制成的板漂浮于水面上，所以承受的水压力很小。

通过表2中的试件28 d抗压抗折强度值发现其规律并不符合常规。在实际应用中该EPS轻质混凝土制成的混凝土板，在全天候的外界条件下主要承受风浪力作用，所以主要从抗折强度衡量板的强度。而EPS颗粒和水泥浆界面的黏结强度很好地反应了板的抗折强度。由于EPS颗粒自身易变形，具有很强韧性的性质决定了其抗折抗压强度规律并不满足常规混凝土的规律。并且由于掺入高效引气减水剂，使试件抗折强度有显著的提高。

本试验过程尚不规范，试验样本仍然存在不足的因素，并没有找到其抗折强度和抗压强度之间的规律，有待作者及后续研究人员继续更深入细致的研究。

表2　各配合比试件的强度和密度 Table 2　Strength and density of specimens made of different proportions

通过试件测试其力学性能,发现EPS轻质混凝土属于延性破坏，不同于普通混凝土表现为脆性破坏。在加压过程中荷载压力促使EPS轻质混凝土试件内部产生大量不规则的微小裂纹，并使试件本身产生变形，但这些微小裂纹并没有形成相互贯通可控制强度的宏观裂缝[9]。试件破坏过程是逐渐变化的，即使破坏后其形体依然较为完整，这反应了EPS混凝土具有一定的缓冲吸能特性，见图4(a)和图4(b)。

图4　试件破坏后的形状 Fig.4　Shape of the specimens after failure

4结论

EPS轻质混凝土的密度主要取决于EPS颗粒和水泥的用量：EPS颗粒用量越大,相应的水泥的用量就减小，EPS混凝土密度就越低。但水泥在混合材料中所起到的黏聚颗粒的作用将减小，EPS混凝土强度就越低，二者呈反相关性。

通过添加高效引气减水剂发挥其引气作用，能够显著提高EPS混凝土的抗渗性、抗冻性、耐久性和抗折强度，使混凝土的各项性能得到很大改善。

本试验EPS轻质混凝土的最佳配方为:水胶比为0.45时，即水用量93 g、水泥用量145 g、粉煤灰用量62 g、EPS颗粒用量10.20 g、减水剂按胶凝材料质量的1%添加，此时试件密度为435.21 kg/m3，28 d抗折强度为2.21 MPa，抗压强度为0.37 MPa，满足研究目标所提出的要求。将此种EPS轻质混凝土制成板，应用于内陆干旱区平原水库的防蒸发节水技术上会是一种新思路新方法。

参考文献：

[1]侍克斌．在新疆实行水库节水的设想[C]∥力学与西部开发会议.乌鲁木齐：中国力学学会，2001：41．(SHI Ke-bin.The Idea of Reservoir Water Saving in Xinjiang[C]∥ Proceedings of Conference on Mechanics and Western China Development. Urumqi：Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics,2001：41.(in Chinese))

[2]严新军．内陆干旱区平原水库防蒸发节水试验研究[D]．乌鲁木齐:新疆农业大学，2004．(YAN Xin-jun. Study on Water Saving by Preventing Evaporation Experiment in Inland Arid Area Plain Reservoirs[D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University, 2004.(in Chinese))

[3]COOK D J. Expanded Polystyrene Beads as Lightweight Aggregate for Concrete [J]. Precast Concrete, 1973, 4(4): 691-693.

[4]吴秋生，余其俊,韦江雄，等.EPS轻骨料混凝土工作性能改善与评价方法研究[J].新型建筑材料，2007,(11)：63-67. (WU Qiu-sheng, YU Qi-jun, WEI Jiang-xiong,etal. Methods Available for Improving and Evaluating the Workability of EPS Light Weight Concrete[J]. New Building Materials, 2007, (11): 63-67. (in Chinese))

[5]秦至谦,张志恒,宁寻安.膨胀聚苯乙烯轻骨料混凝土研制[J].广东工业大学学报,2008,25(3):103-106.(QIN Zhi-qian, ZHANG Zhi-heng, NING Xun-an. Expanded Polystyrene Lightweight Aggregate Concrete is Developed[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2008,25(3):103-106. (in Chinese))

[6]薛宗明.聚苯乙烯轻质骨料掺量对混凝土砌块性能影响的试验研究[J].施工技术,2005,37(2):95-98.(XUE Zong-ming. Test Researches on Influences of Polystyrene Aggregate Content on Concrete Block Properties[J]. Construction Technology, 2005,37(2):95-98. (in Chinese))

[7]GB/T50080—2002,普通混凝土拌合物性能试验方法[S].(GB/T50080—2002, Test Methods for the Performance of Ordinary Concrete Mixture [S]. (in Chinese))

[8]任雨.对高效引气减水剂的探讨[J].广东建材，2008，(9)：27-28.(REN Yu. Discussion on Efficient Air-entraining and Water Reducing Agent [J]. Guangdong Building Materials, 2008，(9)：27-28. (in Chinese))

[9]胡俊，巫绪涛，胡时胜.EPS混凝土动态力学性能研究[J].振动与冲击，2011，30(7):205-209.(HU Jun，WU Xu-tao，HU Shi-sheng. Dynamic Mechanical Behavior of EPS Concrete[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(7): 205-209. (in Chinese))

(编辑：王慰)

A Light-weighted Concrete Made of EPS to Prevent ReservoirEvaporation in Inland Arid Plain Area

SONG Xing-liang, SHI Ke-bin, YAN Xin-jun, XIN Yu-liang, DONG Xiu-bin

(School of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052,China)

Abstract:A light-weighted concrete is developed to reduce the invalid evaporation and save water in inland arid plain areas. It could float on water surface after drying and so is made into plate-like structure overlying on the water surface in reservoir. EPS (expanded polystyrene sphere) is a super-light closed particle which is stable, non-water-absorbent, and hydrophobic. It is used to replace the coarse and fine aggregates in concrete, and by adding an appropriate amount of fly ash, efficient air-entraining water-reducing agent and improving the production technique, the cohesiveness between EPS particles and cement mortar is improved. According to requirements set before the test, the light-weighted concrete with apparent density less than 500 kg/m3 and flexural strength larger than 1.5 MPa is produced. Plates made of this light-weighted concrete could be applied to preventing the evaporation in reservoirs in inland arid plain areas.

Key words:inland arid areas; EPS; light-weighted concrete; evaporation prevention; water conservation

2015,32(04):129-132，138