再生塑料轻质混凝土在建筑工程中的应用研究

2022-10-25刘江荣颜育仁

合成材料老化与应用 2022年5期

刘江荣，颜育仁

(1 杭州萧山建筑设计研究有限公司，浙江杭州 310000；2 上宸工程设计集团有限公司，浙江杭州 310000)

近年来，由于塑料制品的大量生产，导致由塑料产生的白色污染越来越严重［1］。从1950年大量使用塑料以来，至2018年全世界的塑料总消耗量达到了83亿吨，其中约75.9%的塑料制品沦为废塑料［2］。塑料制品在人们的日常生活中随处可见［3］，但塑料垃圾也对我们的日常生活环境造成了严重威胁［4-5］，塑料垃圾的主要威胁来自它不易被分解［6］，随着时间的增长，废塑料垃圾会逐渐增多，对自然环境的影响将更加恶劣。因此，如何将废旧塑料进行回收利用，将是一个意义重大的研究。

废弃塑料利用得当，也是能作为一种再生资源进行使用［7］。目前对废塑料常用的处置方式包含掩埋、焚烧、降解技术等，这些处理方法有很多缺陷，如二次污染、占用土地资源和成本高等［8］。而近年来有学者将废旧塑料再生处理后，引入到混凝土中替代其中的粗细骨料［9-10］。PE塑料改性混凝土有很多优点，如弹性好、保温隔热好和抗渗性好等［11-13］，因此以废旧塑料生产建材制品，具有较强的可操作性［14-15］。现在全球进入飞速发展的阶段，基础设施建设都离不开混凝土结构，这将导致混凝土无论是生产上还是在使用上，其产量和用量都是巨大的，用塑料代替部分沙子对于废塑料的回收起到巨大的作用，同时也能为天然砂资源的枯竭起到一定的缓解作用。

1 材料和方法

1.1 材料

试验材料包含水泥、粗细骨料、废PE塑料和硅烷偶联剂。水泥参数见表1；粗细骨料参数见表2；废PE塑料粒径为1～2 mm，形状为圆柱形，具体参数见表3；硅烷偶联剂KH-560的参数见表4。

表1 水泥参数Table 1 Cement parameters

表2 粗细骨料参数Table 2 Coarse and fine aggregate parameters

表3 PE塑料参数Table 3 Parameters of PE plastic

表4 KH560硅烷偶联剂参数Table 4 Parameters of silane coupling agent KH560

1.2 PE塑料改性混凝土配合比

混凝土试样的水灰比为0.40，砂率为30%。PE塑料颗粒同重量替代混凝土内的砂子，重量替代率分别为0、10%、20%、30%、50%和70%。硅烷偶联剂按照塑料重量的0.8%加入。混凝土具体配比见表5。

表5 混凝土配比（kg/m3）Table 5 Concrete mix proportion (kg/m3)

1.3 PE塑料改性混凝土制样

混凝土试样拌合前，将材料温度与室温保持一致，试样拌制过程中各材料的均匀混合主要依靠HJW-30型卧式搅拌机，试样配制首先进行称量，随后将各材料加入搅拌机中，加入的顺序为石子、水泥、砂子和塑料颗粒，待各材料混合均匀后再将水缓慢加入，所有材料倒入搅拌机中的时间控制在2min以内，所有材料加入完成后继续拌和2min，最后将拌合物倒出并人工拌和1～2 min，进行测试和试件成型。

1.4 测试方法

本试验采用立方体试件，试件尺寸为100mm×100mm×100mm，同一龄期为一组，每组三个试样同时制作并在同等条件下进行养护。再生混凝土表观密度通过测量质量和体积来确定，吸水性通过测量质量变化来确定，力学性能指标包含强度和劈裂抗拉强度。压力机采用200t单轴压力机，强度和劈裂抗拉强度测试加载速率分别为4kN/s和 0.4kN/s。

2 结果和讨论

2.1 表观密度

再生塑料替代率与混凝土表观密度的关系如图1所示。结果表明：随着掺量从0到70%的增加，混凝土的表观密度呈现单调递减的趋势，从最高的2.349kg/m3降到了1.735kg/m3。这主要是由于塑料颗粒的密度明显小于天然骨料导致。通过表观密度的下降趋势也可以看出，随着塑料颗粒的增加，普通混凝土逐渐转变为轻骨料混凝土。

图1 塑料替代率对混凝土表观密度的影响Fig.1 Effect of the replacement rate of plastic on the apparent density of concrete

2.2 吸水性

再生塑料颗粒不同的替代率对混凝土吸水率的影响如图2所示。在混凝土养护3天和7天时，含有塑料的混凝土吸水率均小于普通混凝土。在混凝土养护28天时，含有20%～70%的PE塑料改性混凝土吸水量己经超过普通混凝土，而含有10%的塑料的混凝土吸水量仍然小于普通混凝土。这主要是由于随着塑料的增多，混凝土内部的弱结构面增多，早期吸水慢，后期吸水量增大。

图2 塑料替代率对混凝土吸水性的影响Fig.2 Effect of plastic substitution rate on water absorption of concrete

2.3 抗压强度

PE塑料改性混凝土抗压强度随替代率的变化规律如图3所示。从图3可以看出，PE塑料改性混凝土在不同龄期下的强度均随着替代率的增加而递减，这些结果与文献报道基本一致［16］。其中，PE塑料改性混凝土的早期强度较弱，而混凝土7d与28d抗压强度差距逐渐缩小，含有再生塑料颗粒的混凝土7d早期强度与28d强度差距很小，提升空间不大，该结果与前人的文献结果基本一致［17］。随着塑料颗粒含量的增加，抗压强度降低的原因有两个：第一，由于塑料颗粒比周围的水泥浆体要弱，在加载过程中，裂纹会在基体中的塑料颗粒周围产生并容易扩展；其次，由于塑料颗粒与浆体之间的粘结性差，软塑料颗粒在混凝土基体中表现为孔隙结构。因此在本研究中，只要控制合适的塑料颗粒含量，还是可以保证混凝土的强度要求。

图3 塑料替代率对混凝土抗压强度的影响Fig.3 Effect of plastic substitution rate on compressive strength of concrete

2.4 劈裂抗拉强度

PE塑料改性混凝土劈裂抗拉强度随替代率的变化规律如图4所示。从图4可以看出，PE塑料改性混凝土的劈裂抗拉强度与PE塑料替代率呈负相关，劈裂抗拉强度降低的主要原因与抗压强度降低的原因相同。PE塑料改性混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的拟合关系如图5所示。从图5可以看出，PE改性混凝土的抗压强度与劈裂抗拉强度呈正相关的关系。

图4 塑料替代率对混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.4 Effect of plastic substitution rate on splitting tensile strength of concrete

图5 塑料改性混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度关系Fig.5 Relationship between strength and splitting tensile strength of plastic modified concrete

2.5 弹性模量

PE塑料改性混凝土的弹性模量如图6所示。从图6可以看出，PE塑料改性混凝土弹性模量与PE塑料替代率呈负相关。弹性模量降低的主要是由于PE塑料替代量增加导致的，因为塑料颗粒的弹性模量远低于天然砂的，再生塑料可模拟为混凝土基质中的孔隙，有助于降低骨料对外部荷载的阻力［18］。

图6 塑料替代率对混凝土弹性模量的影响Fig.6 Effect of the replacement rate of plastic on the elastic modulus of concrete

2.6 荷载-位移曲线

图7为PE塑料改性混凝土的荷载-位移曲线。从图7可以看出，随着PE塑料替代率增加，峰值荷载大小逐渐降低，峰值荷载对应的位移逐渐增大，即混凝土的韧性逐渐增大，抵抗变形的能力逐渐增强。峰值荷载降低和韧性增强的原因主要是，再生塑料的存在类似于裂纹顶部的空洞可以降低第一个裂纹的尖端锐度，从而导致应力松弛，并最终减缓第一个微裂纹的扩展［19］。

图7 塑料改性混凝土荷载-位移曲线Fig.7 Load displacement curve of plastic modified concrete

2.7 微观分析

图8为30%和70%PE塑料掺量的改性混凝土微观结构图。从图8可以看出，随着PE塑料掺量的增加，塑料与水泥砂浆的界面过渡区变得更宽更长，从而导致塑料与水泥基质之间的粘结力降低，最终导致改性混凝土的宏观物理力学特性的劣化。同时，在图中还可以看到有许多气泡，且气泡的数量和深度随着再生塑料掺量的增加而增大，这也是PE塑料改性混凝土强度降低的一大原因。