EPS试验台（精选3篇）
EPS试验台 篇1
0 引言
EPS试验台是为了测试EPS的性能参数等而开发的机电一体化测试系统。试验内容包括转角实验,功能实验,转向力特性实验,输入输出力矩实验等。
试验台设计初期采用常规的PID控制算法,传感器等硬件采集到所需的过程变量,输入程序后,根据人工预设的Kp、Ki和Kd三个常量计算出最终控制量,再输出到相应的控制硬件中来进行控制。在实际应用中发现,EPS试验台中采用PID控制算法时,能够实现精确控制曲线的PID参数很难调节,实际上,整个调试过程中,在PID参数调整上花费了大量时间。尤其是试验台还在调整磨合的情况下,更换部分元件就需要调整一次PID参数。
为了使EPS试验台达到技术要求,并缩短调试周期,考虑将系统中使用的常规PID控制算法改为模糊PID控制算法。
1 EPS试验台系统构成
EPS试验台主要由液压伺服系统、测控系统、电控系统和机械系统组成。
液压伺服系统作为整个测试系统的动力来源和执行机构;测控系统是EPS试验台的关键,软件部分的主程序基于NI LabVIEW编写,主要实现数据采集和发生、执行元件控制、数据分析、人机交互、数据记录和状态监控等操作。数据的采集和发生使用NI的PCI-6221和PCI-6601多功能数据采集卡。EPS试验台硬件系统组成如图1所示。
2 模糊PID控制算法的构建
PID控制算法的增量表达形式如下:
式中,∆2e(k)=∆2e(k)-∆e(k-1)。KPd=KP、KId=KPTd/TI、KDd=KPTd/TD分别为相应的比例、积分和微分增益常量。
由上式可知,模糊PID控制器的几种可能形式有:1)e、∆e同时作为模糊控制器和PID控制器的输入,模糊控制器的输出KP、KI和KD作为PID控制器的参数。如图2(a)所示。2)由线性PID控制器和SISO模糊控制器构成的模糊PID控制器,模糊控制器的输入和输出分别为e(k)和ef(k)。如图2(b)所示。3)分别设计模糊控制器和PID控制器,误差较大时使用模糊控制器,误差较小时使用PID控制器。如图2(c)所示。4)由模糊P+模糊I+模糊D控制器构成的模糊PID控制器,控制器的输入和输出分别为e和∆uP、∆e和∆uI、∆2e和∆uD。如图2(d)所示。
考虑到开发周期,以及系统负荷,本文选用第一种形式。即将偏差e(t)及∆e(t)作为模糊控制器输入,输出量为KP、KI和KD。算法离散变换后,模糊控制器的输入表达为E和EC。
选用第一种形式时,E和EC下的被控过程对Kp、Ki、Kd的整定要求如下:
1)|E|很大时,无论EC大小,为使系统有良好的快速跟踪性能,应取较大的Kp,同时为避免积分饱和,可取较小Kd。2)若E·EC>0,则说明|E|在变大。|E|较大时,应取较大Kp使|E|快速减小,同时取中等Kd,较小的Ki保证系统动态性能、稳态性能;|E|较小时,可取中等Kp以改变E变化趋势,同时取较小Kd和较大Ki避免系统振荡。3)若E·EC<0,说明|E|在减小。|E|较大时,可取中等Kp迅速减小|E|,同时取较小Ki和中等Kd以提高系统动态性能、稳态性能;|E|较小时,可取较小Kp,同时取较大Ki和较小Kd。
3 控制算法的LabVIEW实现
本文软件开发平台为NI公司的虚拟仪器软件LabVIEW 2010,同时安装PID and Fuzzy Logic Toolkit工具包。
3.1 模糊控制器的设计
在LabVIEW主界面下,可通过菜单栏工具Control Design and SimulationFuzzy System Designer,进入模糊逻辑的图形设置界面进行输入、输出变量论域范围和各变量隶属函数以及模糊规则的设计,步骤如下:
1)模糊控制器采用“二输入三输出”形式设计,输入变量取E和EC,输出变量取KP、KI和KD。E、EC、KP、KI、KD的模糊集合取{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},记为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},量化到[-6,6]的论域中。输入和输出的模糊隶属函数均取三角隶属函数,解模糊方法取中位数法。
2)依据上文所述KP、KI、KD整定要求,进入Rule标签,逐条添加“IF'E'IS'NB'AND'EC'IS'NB'THEN'KP'IS'PB'ALSO'KI'IS'NB'ALSO'KD'IS'NB'”形式的模糊控制规则共计49条。调试过程中,可根据实际情况对某条模糊规则进行调整。
3)设置完成后,进入Test System标签,对设计的模糊控制器输出特性进行初步测试和分析,验证控制规则是否完备,是否有规律冲突等。
全部完成后,将设计好的模糊控制器保存为后缀名为fs的文件fpid.fs,为下一步在LabVIEW测控程序中调用做准备。
3.2 模糊控制器子VI设计
EPS试验台测控系统可实现人机交互界面、多机通信、数据处理和报表生成等功能。系统中大部分功能都以子VI的形式编写,主程序对子VI进行调用,这样设计的好处是可以将不同的功能交于不同的设计人员完成,同时也减小了程序的复杂程度以及出错的风险。本文设计的模糊PID控制器也将以子VI的形式设计。
实验时,加载控制曲线,通过数据采集卡发生控制信号,经调理后驱动液压缸或马达运动,同时数据采集卡采集从力传感器产生的反馈信号,对比反馈信号和设定值的差别,动态调整数据采集卡的控制信号,从而达到精确控制的目的。
根据实验过程可对模糊PID控制器程序进行如下设计。
1)通过Read Waveform from File.vi读取编写好的控制波形文件,用来使液压缸或马达按照指定曲线运动。
2)将传感器连接到NI 6601其中一个通道上,由LabVIEW中的数据采集VI采集力传感器数据,设定采样频率等。然后将采集到的数据与加载的控制曲线进行对比,取得E、EC的值。
3)将前面生成的模糊规则文件fpid.fs由Load Fuzzy System.vi载入,并将取得的E、EC值连接到模糊控制器Fuzzy Controller.vi的输入端,选择模糊控制器模式为多输入多输出(MIMO)。Fuzzy Controller.vi将会在内部进行变量模糊化、推理、解模糊等一系列操作,然后将KP、KI、KD作为输出。
4)最后将KP、KI、KD连接到用于PID控制的PID.vi上,PID.vi的输出连接到相应的控制端口既可以完成模糊PID控制。至此,模糊PID控制设计完成。程序框图如图3所示。
4 模糊PID控制器验证
以系统中液压缸A为例,在前期的实验中,采用常规PID控制器,加载最大值为5KN的预设控制曲线时,控制效果如图4(a)所示,排除部分干扰情况,常规PID控制器的超调量在0.8KN,即14%左右,力控制曲线有较大波动。改为模糊PID控制器后,加载相似的最大值为7.6KN的预设控制曲线时,控制效果如图4(b)所示。采取模糊PID自整定控制器后,系统超调量为0.4KN,即5%左右。实验结果表明,采用模糊PID控制器后,控制精度有所提高,控制系统稳定性有所增强。
5 结论
本控制器的设计是在已有的EPS试验台测控系统的基础上进行。开发环境为NI LabVIEW平台,结合LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit模块能够方便的设计模糊PID控制器。将模糊PID控制器引入EPS试验台测控系统,能够使系统响应速度加快、控制精度提高、稳态性能变好,这是单纯PID控制难以实现的。开发过程中所使用的LabVIEW平台的良好软硬件结合功能、以及直观的开发环境使得模糊PID控制器的设计时间大大缩短。
摘要：EPS试验台中对执行元件的控制效果能够对实验结果产生较大影响,当前控制系统中采用的常规PID控制算法不能够满足实验对力的精度及稳定性要求。设计了模糊PID控制算法,并通过使用NI公司的LabVIEW,实现了该控制算法。最后,将控制器编写为子VI形式,供测控系统主程序调用。通过对比采取常规PID控制器时力曲线和采用模糊PID控制器时力曲线,证明了模糊PID控制器能够较好的满足EPS试验台控制要求,能够保证较小的超调量和较好的稳定性。
关键词：EPS试验台,模糊PID控制器,LabVIEW
参考文献
[1]韩峻峰,李玉惠,等.模糊控制技术[M].重庆:重庆大学出版社,2003.
[2]PATEL A V,MOHAN B M.Analytical structures andanalysis of the simplest fuzzy PI controllers:analyticalstructures and stability analysis[J].Information Science,2003.
[3]KOVACIC Z,BOGDAN S.胡玉玲,张立权,刘艳军,等译.模糊控制器设计理论与应用[M].北京:机械工业出版社,2010.
[4]何春华,蔡志岗.基于LabVIEW的模糊PID控制系统[J].仪表技术.2010,(07):57-62.
[5]罗光明,黄晓宇,朱建林.基于MATLAB的模糊自整定PID参数控制器计算机仿真[J].机械与电子,2001,(2):23-26.
EPS试验台 篇2
关键词：聚丙烯纤维,微观结构,EPS混凝土,强度
0前言
EPS(泡沫聚苯乙烯)混凝土是以EPS作为主要骨料,取代或部分取代传统混凝土中砂石的轻集料混凝土。EPS颗粒具有轻质、保温、可回收利用工业废料等特点,因而,EPS混凝土具有导热系数小、抗震性能好、造价低、节能环保等优点,作为保温墙体材料,具有很高的经济效益和社会效益。随着全球环境问题的日益凸显,EPS混凝土在现代节能建筑结构中的使用将越来越多。
近年来,国内外学者对EPS混凝土的性能进行了大量研究。在国外,上世纪70年代D.J.Cook[1]对EPS颗粒作为集料的轻混凝土进行了系统研究。在国内,原哈尔滨建筑大学郑秀华等[2]使用正交试验设计方法对密度小于500kg/m3的EPS混凝土进行了试验研究。哈尔滨工程大学陈卫东等人[3]对密度在400~600kg/m3范围内的EPS轻集料混凝土进行了配比试验研究。上海交通大学陈兵等人[4]利用钢纤维、树脂等配制出高强度的EPS混凝土。以往研究均证实,由于其轻骨料中EPS颗粒本身是憎水性材料,与水泥砂浆的结合力弱,导致了EPS混凝土的和易性差、强度低,使其在工程应用上受限。目前的研究中主要采用两种方法来改善EPS颗粒与水泥砂浆的结合性质:一是采用一些改善表面结合性能的外加剂(如聚醋酸乙烯乳液等),来改善材料的界面性能,提高EPS颗粒与水泥的粘结力[5];二是采用二次搅拌工艺,先对EPS颗粒进行水泥浆包裹处理,再进行二次搅拌[6]。第一种方法是通过化学处理,把EPS的憎水性变为亲水性,可使和易性提高很多,但力学性能提高并不显著。第二种方法是通过物理处理,使力学性能明显提高,但是同比例密度增大很多,会对保温效果造成影响。
合成纤维混凝土的研究及应用开始于20世纪60年代,并在70年代得到蓬勃发展。由于合成纤维能有效地控制水泥砂浆及混凝土的非结构裂缝,在80年代已被大规模地应用于新建工程和修补工程中[7]。聚丙烯纤维经过化学接枝和物理改性处理后,表面粗糙多孔,大大提高了纤维与水泥基集料的结合力。因此,本文拟采用加入聚丙烯纤维的方式来改善EPS混凝土的力学性能和其他工作性能。通过对聚丙烯纤维增强的EPS混凝土材料进行力学性能进行试验分析,并采用SEM微观结构试验探讨其作用机理。
1 试验概况
1.1 原材料与配合比
水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。
细骨料:本地河砂。
轻骨料:废弃的包装废料粉碎EPS颗粒,直径3~6mm,堆积密度10.5kg/m3;干燥状态下的珍珠岩,粒径2.5~4.0mm。
硅灰:平均粒径0.2μm,比表面积21m2/g。
聚丙烯纤维:黑龙江某公司提供,性能见表1。
外加剂:UEA膨胀剂、UNF-5高效减水剂。
水:普通饮用水。
试验用配合比见表2,珍珠岩、硅灰、外加剂用水泥质量的百分比表示。
注:E—膨胀剂,R—减水剂。
1.2 试件的制备
拌和EPS混凝土过程中加入聚丙烯纤维时,为了保证聚丙烯纤维在混凝土中分散均匀,不产生结团现象,本研究没有将纤维与其它骨料先干拌再加水湿拌,而是采用了先拌和混凝土后分散加入聚丙烯纤维的方法。具体的制备工艺如下:先将砂、水泥和微硅粉干拌1.5min,然后加水(扣除浸泡EPS颗粒的用水)和外加剂,搅拌2min,然后加入珍珠岩和预先浸泡的EPS颗粒,再加入纤维搅拌3min。搅拌的同时注意观察纤维在混凝土拌合料中的分散情况。最后将EPS混凝土浇注到100mm×100mm×100mm的试模中,将试件静置于试验室中24h后脱模,脱模后再置入YH-40B型混凝土标准养护箱内进行养护,箱内控制恒温恒湿,温度为(20±1)℃,相对湿度为95%以上。
1.3 试件测试
试件的测试主要分为两个内容:(1)EPS混凝土和易性和抗压强度的测试:对按上述配合比配制的EPS混凝土,通过测定坍落度评定拌合物的流动性,并通过观察评价粘聚性和保水性。依据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》,用WDW3100微机控制电子万能试验机进行抗压强度试验,测量精度为±1%,压力机量程为50k N,以0.3MPa/s的速度连续而均匀地加荷。(2)为探求聚丙烯纤维在EPS混凝土中的作用机理,采用HITACHIS-3400N系列电子扫描设备(SEM)对养护90d龄期试件的断面进行了微观形貌表征。
2 结果与讨论
2.1 和易性分析
在保持水灰比为0.34不变的条件下,做了三组坍落度试验,试验结果如图1所示。由图1可见,随聚丙烯纤维掺量的增加,新拌EPS混凝土拌合料的坍落度逐渐减小;同时,随聚丙烯纤维掺量的增加,混凝土坍落度的减小速率逐渐加快。图1中所示规律变化可以用公式(1)表示。
式中,y为EPS混凝土拌合料的坍落度,cm;x为聚丙烯纤维的掺量,kg/m3。
通过对坍落度的测试及观察试验得出:由于聚丙烯纤维的粘滞作用,导致EPS混凝土的流动性降低,对EPS颗粒上浮起到了抑制作用,而使EPS混凝土获得了良好的粘聚性和可塑性,从而改善了EPS混凝土的和易性。
2.2 力学性能试验结果分析
抗压强度试验结果如表3所示。由表3可见,随着聚丙烯纤维掺量的增加,EPS混凝土抗压强度逐渐增大,当掺量超过2.0kg/m3时,由于纤维在拌合料中分散不均匀,导致EPS混凝土强度下降,其强度与未加入纤维的EPS混凝土强度接近。掺入量在1.3~2.0kg/m3时,抗压强度提高最多,见图2。
2.3 聚丙烯纤维EPS混凝土增强机理分析
图3为EPS混凝土的SEM照片。从图3(a)可见,在EPS混凝土中,EPS的微观结构为蜂窝状的膜结构,内部组成封闭的孔,所以,EPS的强度非常低,可以忽略不计。由此可见,决定EPS轻集料混凝土强度的关键是EPS与水泥砂浆基体之间的过渡层、基质强度这两方面因素,影响与提高EPS轻集料混凝土强度都是通过这两个方面来实现的。EPS-水泥的界面过渡区主要是水化硅酸钙(CSH)的富集区,存在大量有缺陷的疏松网络结构,如图3(b)所见的孔洞和裂缝等,这些微裂缝就是EPS混凝土破坏的根源。因此,提高界面处的粘结性能对改善复合材料的力学性能至关重要,聚丙烯纤维的加入能有效弥补这一缺陷。试验用的聚丙烯纤维长度只有15mm,长径比为150,在每m3 EPS混凝土中掺加1.3kg就包含390万根纤维。这些数量众多的聚丙烯纤维掺加在混凝土中,有的跨越混凝土中存在的微细裂缝,如图3(c)所示,形成不规则交叉结构,使得裂缝尖端的发展受到限制,裂缝只能绕过纤维或把纤维拉断才能继续发展,这就需要消耗相对较大的能量,从而减少了应力集中现象的出现。有的纤维处于没有裂缝的地方,如图3(d)所示,这些聚丙烯纤维可以视为混凝土的配筋,与混凝土一起工作,提高了EPS混凝土的力学性能。图3(e)和图3(f)是试件受压破坏后的SEM照片,由图可见,由于EPS的变形能力强,加入EPS的混凝土在破坏前具有较大的变形,但EPS混凝土仍然是脆性材料。而聚丙烯纤维加入后,由于聚丙烯纤维参加受力,使整个混凝土试件表现出了较大的塑性。提高了混凝土的工作性能。试件破坏后,聚丙烯纤维并没有断裂,而是从水泥基中被拔出。
3 结论
(1)聚丙烯纤维的掺入,增大了EPS混凝土拌合料的粘聚性,降低了拌合物的流动性,如保持流动性不降低,拌和用水量必然加大,为保持水胶比不变,在掺入聚丙烯纤维的同时,需要加入减水剂。
(2)聚丙烯纤维的加入能够增强EPS-水泥基体之间的粘结强度,对裂缝的发展可起到限制作用,能够显著提高EPS混凝土的抗压强度。
(3)聚丙烯纤维对混凝土和易性和抗压强度有明显影响,综合这两方面性能,聚丙烯纤维最佳掺入量为1.3~2.0kg/m3。
参考文献
[1]Cook D J.Expanded polystyrene beads as lightweight aggre-gate for concrete[J].Precast Concrete,1973,4(4):691-693.
[2]郑秀华,葛勇,于纪寿,等.混凝土配合比的研究[J].哈尔滨建筑大学学报,1998,31(6):94-98.
[3]陈卫东,张国侠,刘嫄春.EPS新型节能墙体外保温材料[J].新型建筑材料,2007(6):41-43.
[4]Bing Chen,Juanyu Liu.Properties of lightweight expangdedpolystyrene concrete reinforced with steel fiber[J].Cement andConcrete Research,2004(34):1259-1263.
[5]赵晓艳,田稳苓,姜忻良,等.EVA改性EPS混凝土微观结构及性能研究[J].建筑材料学报,2010,13(2):244-246.
[6]刘嫄春,郭站歧,孙逸.EPS轻集料混凝土试验探讨[J].低温建筑技术,2007(6):17-19.
EPS试验台 篇3
EPS是一种稳定、不吸水、憎水性的超轻颗粒, 具有非常优异的保温、隔热和抗冲击性能。早在上世纪70年代初, EPS颗粒作为超轻质材料用于配制一些特殊功能的混凝土[1~3]。研究表明, 当用EPS颗粒制备的轻质混凝土表观密度为845kg/m3时, 抗压强度、弹性模量可以分别达到4.8MPa和5.9k N/mm2, 是相同表观密度的膨胀珍珠岩混凝土的50%和100%, 但EPS混凝土的耐久性及抗冲击荷载的能力远远优于膨胀珍珠岩混凝土。近年来, EPS颗粒作为保温隔热材料开始在我国建筑领域得到快速的应用, 主要有EPS复合墙板和EPS保温砂浆等[4~9]。从1990年开始, 国外有学者开展了EPS轻质高强混凝土的研究工作, 通过利用EPS颗粒取代粗集料和部分细集料配制出强度为3.0MPa~10MPa, 表观密度在1400kg/m3以下的EPS混凝土, 并对EPS混凝土的强度与表观密度关系进行了探讨[10~11]。随后, 印度等国学者也开展了这方面的研究工作, 通过外掺聚合物和微硅粉等方法, 配制出了强度为20MPa, 表观密度为1900kg/m3的EPS混凝土[12~14]。在我国, 哈尔滨建筑大学郑秀华等利用正交设计试验方法, 探讨了胶凝材料用量、外加剂等因素对其强度的影响, 并配制出强度只有1MPa以下的EPS混凝土[15]。陈兵等利用微硅粉、树脂和钢纤维对EPS混凝土进行改性, 配制出抗压强度达到20MPa, 而表观密度只有普通混凝土的70%, 同时对其劈裂抗拉强度和干缩性能进行了探讨[16~18]。
本文在作者前期研究工作的基础上, 探讨了不同基材强度、EPS颗粒粒径及掺加聚丙烯纤维对EPS轻质高性能混凝土力学性能的影响。
1 实验
1.1 原材料与配比
(1) 水泥:52.5级普通硅酸盐水泥, 其28d抗压强度为72.5MPa, 矿物组成见表1。
(2) 骨料:采用一定级配的石英砂, 级配见表2。
(3) EPS颗粒:采用了三种不同粒经的球形EPS颗粒, 其粒径与密度见表2。
(4) 微硅粉:颗粒粒径约0.01~0.1μm, 其矿物组成见表1。
(5) 聚丙烯纤维:长度约10 mm, 直径约100μm, 其具体性能指标见表3。
(6) 减水剂:Mighty-150高效减水剂。
为了研究不同基材强度对EPS轻质高强混凝土力学性能的影响, 本次试验研究分别考虑基材强度为130MPa, 90MPa和50MPa进行试验设计, EPS掺量分别为19.4%、37.6%和55.8%。
1.2 试件制作
采用30L的搅拌机进行拌和。首先将水泥、微硅粉和石英砂进行拌合, 然后将水与减水剂一起加入进行搅拌形成均匀料浆, 再加入EPS颗粒和聚丙烯纤维进行充分搅拌形成均匀的可流动的拌合物。立即对新拌EPS混凝土拌合物进行表观密度测试并迅速将均匀的EPS混凝土拌和物装入试模并进行人工振动成型。
1.3 试件养护与测试
选用100mm×100mm×100mm立方体试模, 进行抗压强度和劈裂抗拉强度测试。测试龄期为3d、7d、14d、28d和60d。
试件成型24h后脱模, 然后将试件置于标准养护室养护至规定龄期。抗压强度测试在2000k N的压力机上进行, 加荷速度为0.3~0.5MPa/s, 劈裂抗拉强度以0.04~0.06MPa/s速度连续而均匀地进行加荷。
2 实验结果与讨论
2.1 抗压强度
2.1.1 EPS颗粒体积含量和EPS混凝土表观密度的影响
对于EPS轻质混凝土来说, 表观密度是一个重要的参数, 其直接影响和决定EPS混凝土性能, 而表观密度又主要受EPS体积掺量的影响。图1给出了EPS混凝土抗压强度与EPS混凝土的表观密度和EPS体积掺量的影响。从图中可以看出:EPS混凝土的抗压强度随着表观密度的增加而增大, 即随着EPS体积掺量的增大而降低, 这与以前的研究结果基本一致[12,16], 但非线性关系。对于基材强度为130MPa的基准普通混凝土, 其表观密度为2258kg/m3。而对于掺有直径约为1mm的EPS颗粒的EPS混凝土, 当表观密度分别为基准混凝土的80%、60%和45%时, 其抗压强度则分别为基准混凝土的46%、24%和10%。而对于基材抗压强度为50MPa的EPS混凝土来说, 当表观密度分别为基准混凝土的80%、60%和45%时, 其强度仅分别为基准试样的45%、19%和8%。这表明在表观密度较低的时候, 基材强度高的EPS混凝土抗压强度随表观密度下降而较为显著。
2.1.2 基材强度和EPS颗粒粒径对抗压强度的影响
图2给出了不同表观密度下EPS混凝土中EPS颗粒粒径对其抗压强度的影响。从图中可以看出, 对于相同表观密度和基材强度的EPS混凝土, 抗压强度随着掺加的EPS颗粒粒径增大而下降, 同时也发现, EPS颗粒粒径对抗压强度的影响与基材强度和EPS混凝土表观密度相关。对于表观密度为1800kg/m3、基材强度为130MPa的EPS混凝土, 掺加直径为1mm的EPS颗粒的混凝土抗压强度较掺加直径为2.5mm的提高了22%, 而掺加直径为2.5mm的较6.3mm的提高了17%。然而, 当EPS混凝土表观密度为1400kg/m3时其抗压强度各自分别提高了36%和22%。这表明, 随着EPS体积掺量的增大, EPS颗粒粒径对抗压强度的影响增大。这可能是由于表观密度低的EPS混凝土中, EPS颗粒体积含量较高, 其本身的强度较低, 从而直径小的EPS颗粒对强度贡献明显。同样我们也发现, 在相同表观密度下, 随着基材强度的降低, 掺加的EPS颗粒粒径对抗压强度的影响作用降低。以采用基材强度为130MPa、表观密度为1000kg/m3的EPS混凝土抗压强度为例, 掺加直径为2.5mm的EPS颗粒较掺加1.0mm的下降了30%;而相同表观密度下, 采用基材强度分别为90MPa和50MPa的EPS混凝土, 掺加直径为2.5mm的EPS颗粒较1.0mm的相应抗压强度下降分别为37%和47%。其主要原因可能是由于基材强度高, 而EPS颗粒对强度的影响在一定程度上减弱了, 因此EPS颗粒粒径的影响也降低了。
为了更好地比较在相同表观密度下, EPS颗粒粒径对抗压强度的影响, 我们对EPS混凝土抗压强度进行了归一化处理, 其中归一化强度定义为σEPS/σmatrix, σEPS为EPS混凝土抗压强度, σmatrix为基材的抗压强度。图3给出了不同表观密度下, 基材强度和EPS颗粒粒径对归一化强度的影响。从图中可以看出, 对于给定的表观密度和EPS颗粒粒径, 归一化强度随着基材强度的增大而增大。例如, 表观密度为1400kg/m3的掺有直径为2.5mm的EPS颗粒的混凝土, 当基材分别为130MPa、90MPa和50MPa时, 其归一化强度分别为0.17、0.14和0.1。这表明, 制备轻质高强EPS混凝土, 采用较高强度的基材是一个好的选择。
2.1.3 聚丙烯纤维对抗压强度的影响
图4给出了聚丙烯纤维对基材强度为130MPa的EPS混凝土抗压强度的影响。从图中可以看出, 聚丙烯纤维可以大幅度提高EPS混凝土抗压强度, 提高幅度最高可达到25%。对于EPS体积掺量较低时, 聚丙烯纤维对EPS混凝土抗压强度提高的幅度随掺加的EPS颗粒粒径的增大而增大。如当EPS体积掺量为20%时, 对于掺有直径分别为1.0mm、2.5mm和6.3 mm的EPS颗粒的混凝土, 相对于未掺聚丙烯纤维的EPS混凝土, 聚丙烯纤维对其抗压强度分别提高了8%、20%和24%。另一方面, 当EPS体积掺量较大时, EPS颗粒粒径对掺聚丙烯纤维混凝土抗压强度的影响不是很显著。此外, 我们也发现对于掺有相同粒径尺寸的EPS颗粒的混凝土, 随着EPS体积掺量的增加, 聚丙烯纤维对抗压强度的提高显得更为显著。
图5和图6分别给出了聚丙烯纤维对基材强度为90MPa和50MPa的EPS混凝土抗压强度的影响。从图中可以看出, 聚丙烯纤维对抗压强度的影响与基材为130MPa时类似, 聚丙烯纤维能显著提高EPS混凝土的抗压强度。对比图4、图5和图6, 可以看出:对于掺有相同体积掺量和相同粒径的EPS颗粒混凝土, 聚丙烯纤维对抗压强度的提高幅度随基材强度提高而降低。例如在EPS体积掺量为20%, EPS颗粒粒径为1mm的EPS混凝土, 基材强度为130MPa时, 掺聚丙烯纤维使抗压强度提高了8%;而基材强度为90MPa和50MPa的EPS混凝土, 掺聚丙烯纤维使抗压强度提高了20%和21%, 提高幅度大大高于基材强度为130MPa的EPS混凝土。这表明, 对于采用较低强度的基材配制的EPS混凝土, 掺加聚丙烯纤维是提高抗压强度的一个比较好的方式。
2.2 劈裂抗拉强度
与抗压强度相似, 劈裂抗拉强度随着EPS体积掺量的增大而下降。图7给出了EPS混凝土劈裂抗拉强度 (ft) 与抗压强度之间的关系。由图可见, 劈裂抗拉强度随着抗压强度增大而提高。以前的研究表明[13,19], 劈裂抗拉强度与抗压强度可以用以下关系表示:
式中, ft—劈裂抗拉强度, MPa;
fbcy—抗压强度, MPa。
在文献[13,19]中, 劈裂抗拉强度与抗压强度关系分别表达为ft=0.23·f0cy.67和ft=0.358·f0cy.675。而在本研究中, 通过拟合 (相关系数达到0.98) , EPS混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度关系为:
图8给出了聚丙烯纤维对基材强度为130MPa的EPS混凝土劈裂抗拉强度的影响。从图中可以看出, 聚丙烯纤维显著提高了EPS混凝土的劈裂抗拉强度, 对于给定粒径的EPS混凝土, 聚丙烯纤维对EPS混凝土劈裂抗拉强度提高的幅度随EPS体积掺量的增大而增大。而对于相同级配的EPS混凝土, 聚丙烯纤维对劈裂抗拉强度的提高幅度随着所掺加的EPS颗粒粒径的增大而降低。例如, 对于基材强度为130MPa, 表观密度为1800kg/m3的EPS混凝土, 在EPS颗粒粒径为1.0mm时, 掺聚丙烯纤维使劈裂抗拉强度提高了44%;而当EPS颗粒粒径分别为2.5mm和6.3 mm时, 掺聚丙烯纤维则使劈裂抗拉强度分别提高了40%和36%。
在进行劈裂抗拉强度测试时, 与普通混凝土不一样, 当EPS体积掺量较大时, 其破坏是逐步和缓慢的, 尤其是掺加了聚丙烯纤维的EPS混凝土, 其破坏过程具有良好的塑性。
3 结论
(1) 对于相同材料配比的EPS混凝土, 所掺加的EPS颗粒粒径越小, 其强度越高。而随EPS颗粒粒径减小而提高的抗压强度幅度随着EPS体积掺量的增大而增大, 即EPS混凝土表观密度较低时, EPS颗粒粒径对抗压强度的影响显著。
(2) EPS混凝土的抗压强度随表观密度的增大而增大, 即抗压强度随EPS体积掺量的增大而降低。而这种抗压强度随表观密度的增大而增大的幅度随着所配制的基材强度的提高而显得显著。
(3) 对相同表观密度和掺有相同颗粒粒径的EPS混凝土, 其归一化抗压强度随着所配制的基材强度增大而提高, 基材强度成为影响EPS混凝土抗压强度重要的因素。因此, 配制轻质高强EPS混凝土, 宜采用较高强度的基材。
(4) 对于相同配比的EPS轻质混凝土, 聚丙烯纤维能较大幅度地提高其抗压强度。对于采用低强基材配制的EPS轻质混凝土, 聚丙烯纤维对抗压强度提高幅度高于采用高强基材配制的EPS轻质混凝土, 这表明对于采用低强基材配制EPS混凝土宜掺加聚丙烯纤维进行增强, 在本研究中, 聚丙烯纤维最高可以提高EPS混凝土强度达到43%。
(5) EPS混凝土的劈裂抗拉强度随抗压强度提高而增大, 劈裂抗拉强度与抗压强度可以用ft=0.386·f0cy.6557进行描述。对于相同材料配比的EPS轻质混凝土, 聚丙烯纤维能显著提高其劈裂抗拉强度, 在本研究中, 掺加聚丙烯纤维的EPS混凝土其劈裂抗拉强度可提高44%。
摘要：通过试验探讨了EPS颗粒粒径、基材强度和聚丙烯纤维对EPS轻质混凝土强度的影响。试验结果表明, 对于相同配比条件下的EPS轻质混凝土, 掺加的EPS颗粒粒径越小, 其抗压强度越高;EPS体积掺量越高, EPS颗粒粒径对抗压强度的影响越显著。同时, EPS颗粒粒径对抗压强度影响的效果, 与所配制EPS轻质混凝土的基材强度有关, 基材强度越低, EPS颗粒粒径大小对抗压强度影响的效果越显著。此外, 掺加聚丙烯纤维能显著提高EPS混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。