废弃聚合物混凝土修复大坝水力表面的应用

古力米热·依力哈木

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

在混凝土中加入聚合物废弃物是当前混凝土与环保技术的有机融合，是一种新的研究思路。高聚物在工业及生活垃圾中所占比重较大，特别是在填埋废弃物中占比更大。所以，对其进行回收利用，可以有效地降低废弃物所带来的各种问题。聚丙烯(PP)[1-2]、聚乙烯(PE)[3-4]、尼龙[5-6]等，这些都是在混凝土中加入高分子聚合物的典型例子，这些聚合物以纤维形式存在，起到加强混凝土结构的作用，被称作“纤维增强混凝土”(FRC)。

根据最终目标的不同，可将不同类型的废物用于混凝土[7-9]。在混凝土中使用再生塑料的优点之一是减少了垃圾填埋场的固体废物。混凝土屏障的水工表面暴露在侵蚀磨损的裂缝中，这些裂缝是由孔隙中结晶盐的压力和侵蚀性引起的，造成病变，需要定期维修。因此，有必要使用一种与基材性能兼容的RM，如热膨胀系数、机械阻力以及两者之间良好的粘附性。对于混凝土水工表面，抗冲击、侵蚀磨损和耐久性等性能是非常重要的。

本研究重点提出了一种解决方案来恢复混凝土表面水坝的水力结构及其使用，并有效减少垃圾填埋场和环境中聚合物废物所造成的环境问题。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1水泥

本研究使用的水泥是含有火山灰的硅酸盐水泥，表1—2中分别给出了水泥的物理特性和化学特性。

表1 水泥物理特性

表2 水泥化学特性 单位：%

1.1.2 粗骨料

采用破碎玄武岩作为粗骨料，最大尺寸为9.5mm。表3显示了其特性。

表3 粗骨料试验结果

1.1.3 细骨料

天然水洗砂用于制作混凝土。细骨料的特性见表4。

表4 细骨料的特性

1.1.4 聚合废物

使用了来自塑料回收行业的两种聚合物：LDPE和PET。凝集的LDPE是由塑料包装(垃圾袋和塑料袋)的加工得到的。在回收工业中，这种材料是在大约60℃的温度下，通过机械过程进行筛选、分离、洗涤、粉碎和粘结。PET来自液体除臭剂烧瓶。在选择性收集之后，材料经过预先洗涤和粉碎的分离过程。

作为对这项工作的补充，还应用了硫化天然橡胶纤维(弹性体)，这些纤维是从回收行业无用轮胎的胎面中收集的。

聚合物废物的特性见表5。聚合物废料和砂的筛析见表6。

表5 回收材料的特性

表6 聚合废砂筛分分析

1.2 配合比

为了优化每种混凝土组成材料的混合物，进行了混合研究，验证了可加工性以及随后的轴向抗压强度。考虑到规定的坍落度为(30±10)mm，理想成分为1∶1.93∶3.07∶0.45(c∶s∶g∶w/c)，水泥消耗量为389kg/m3。该混合物被视为参考混凝土(RC)，弹性体和聚合物废料以不同的含量添加。

向RC混合物中加入0.5%、1.0%、2.5%、5.0%、7.5%的TIRE、PET和LDPE(重量)，以取代部分细骨料。表7中给出了所得混合物。聚合物废物的比重低于沙子(见表5—6)。

表7 掺有高分子废料的混凝土混合物

这导致混凝土外加剂中再生材料的体积更大，导致工作性能下降，并需要添加增塑剂，以保持规定的坍落度，但水灰比始终保持在0.45不变(见表7)。

1.3 径向压缩试验下的抗压强度和抗拉强度

以TIRE、PET和LDPE三种聚合物废弃物分别以0.5%、1.0%、2.5%、5.0%和7.5%(重量百分比)替代细集料进行抗压强度试验和径向抗压强度试验。将混凝土样本与RC进行了比较，在7、14、28d的龄期进行抗性演变试验，每个龄期取2个样本。在直径压缩试验下的抗拉强度中，对每种研究混合物在28d龄期的2个试样进行了分析。

1.4 水下侵蚀-耐磨性

对于使用水下方法进行的耐侵蚀性-耐磨性分析，浇筑直径为300mm、高度为100mm的圆柱形混凝土样品。在相对湿度高于95%、控制温度为(23±2)℃的潮湿室内养护28d后、对3种研究材料的水下侵蚀耐磨性进行了评估，其含量分别为2.5%和5.0%(重量百分比)。

1.5 SO2室中的加速老化和SEM微观结构研究

为了测试所开发混合物的耐久性，制作了尺寸为71mm×100mm×25mm的棱柱形钢筋混凝土样品。这些样品在潮湿的气候室中老化180d，SO2含量为0.67%(体积)，内部温度为(40±3)℃。之后，在配备有能量分散光谱(EDS)的飞利浦XL30型设备中，对试样进行人工粉碎，并通过扫描电子显微镜(SEM)分析其表面。

1.6 现场应用

对于现场应用，从TIRE、LDPE和PET以及RC中选择了添加重量为2.5%和5%的剂量，用于水电站大坝的溢洪道表面。如图1所示，在全面观察其保护状态和混凝土块中显示的缺陷定位后，在溢洪道中选择RM的应用点。

图1 水电站大坝的溢洪道

2 分析讨论

2.1 抗压强度

所研究的RMs(LDPE、PET和TIRE)和CR的轴压阻力随养护龄期的变化曲线分别如图2—4所示。对于3种不同的研究材料及其各自的含量，结果表明固化抗压强度的测定结果与再生纤维添加量成反比。

图2 以养护时间计算的再生LDPE混凝土的抗压强度

图3 以养护时间计算的再生PET混凝土的抗压强度

图4 以养护时间计算的再生TIRE混凝土的抗压强度

此外，试验表明：在固化7、14、28d，RC(34.3±0.5)MPa下，LDPE0.5、LDPE1和LDPE2.5组分的抗压强度约等于或优于现有的抗压强度；PET0.5，PET1，PET2.5和PET5；以及TIRE0.5和TIRE2.5。用TIRE对痕迹进行了评价，指出需要改进加药工艺和构象，只要中间成分TIRE1在28d抗压强度较低，也低于相应的RC值。

研究发现掺加聚丙烯纤维对抗压强度的影响相似，其中对照(不掺聚合纤维)的抗压强度低于掺加聚丙烯纤维的混合料。12.7mm长的聚丙烯纤维在体积分数为0.3%时可提高混凝土的抗压强度；此时，与对照混合物相比，增加了19.3%，当掺量为0.5%时，混凝土抗压强度比对照降低2.5%。

实验结果表明，低含量高分子材料的加入对混凝土的抗压强度没有影响(如图5所示)，LDPE0.5和TIRE0.5的抗压强度较RC有所提高。在添加2.5%回收材料的PET中观察到抗压强度的增加。聚合物废料添加量越大，混凝土抗压强度越低。

图5 28天后混凝土添加废物和其各自的含量抗压强度对比图

3种材料的理想掺量为2.5%(重量)，其中PET2.5的性能最好，为(36.0±0.6)MPa，其次是LDPE2.5和TIRE2.5，两者在28d的性能值非常接近，分别为(33.9±0.4)MPa和(33.7±0.4)MPa，如图5所示。

虽然这些混凝土混合物的抗压强度有所降低，但其值为中等至高抗压。这种组合物可用于电力配电线路的钢筋混凝土的电杆和横臂，因此，也可用于适当的能量区域。由于这类结构推荐的该性能的下边界值为25MPa，因此只能排除TIRE7.5的痕迹。

2.2 直径压缩下的抗拉强度

当RM在直径压缩下的抗拉强度进行比较时，结果表明在强度、添加到混凝土中的废物的含量或类型之间没有任何直接关系。根据Siddique等[10]，这种行为的发生是由于没有脆弱破坏，典型的传统混凝土。

如图6所示，为混凝土的劈裂抗拉强度结果。直径压缩抗拉强度与再生材料含量无直接关系。平均而言，质量分数为1%和2.5%的3种材料的抗拉效果最好，其中LDPE2.5突出，28d的抗拉强度为3.95MPa。

图6 掺入废料及其各自含量时混凝土劈裂抗拉强度对比图

纤维增强混凝土抗压强度与抗拉强度的关系是纤维增强混凝土抗压强度分析中需要研究的重要因素之一。常规混凝土在直径压缩下的抗拉强度约为抗压强度的10%。对于LDPE、PET和TIRE材料，在分析的含量中，抗压强度与直径压缩下的抗拉强度的关系为(10.4±0.8)%。在这种情况下，添加材料的纤维起到了加固的作用，防止了裂纹的扩展。

2.3 侵蚀-耐磨性

表8给出了掺量为2.5%和5.0%的聚合废料制成的CR和混凝土经过72h侵蚀-磨损(水下法)后的质量损失值。

表8 侵蚀-磨损作用下混凝土试样的质量损失(水下法)

关于水下侵蚀磨损的质量损失，与添加2.5%聚合废料的混凝土相比，CR的效果最好。但在掺量为5%时，添加PET和LDPE的混凝土效果优于未添加的混凝土。杜红伟[11]验证了高分子纤维加固混凝土比未添加纤维的混凝土具有更高的耐磨性。

72h后耐侵蚀磨损性能依次为LDPE、PET、TIRE。结果与所用材料的形状、质地和弹性模量有关：平均晶粒直径小于0.4mm的LDPE的性能最好，LDPE2.5组分的质量损失约为7.46%。由TIRE2.5和TIRE5组成的材料表现最差。这是由于其吸水率较高，水泥浆体中连通孔隙较多，因此平均抗压强度较小，断裂过程大多发生在界面“水泥浆体纤维”中。

2.4 现场应用

在水电站大坝溢洪道面上，加入聚废剂和CR的混凝土作为RM应用时，没有出现任何技术问题。在图7(a)中，溢洪道应用的6种组合物中的一种是基于TIRE2.5的修复材料，使用时间为270d，图7(b)中是其与基底的界面细节。到目前为止，拦河坝水库运行期间由于环境或水流的作用而产生的应用缺陷、边缘或有害作用(侵蚀磨损)均未发生。

图7 基于TIRE2.5的RM照片

3 结语

本研究将再生材料与混凝土有效结合用于修复受损的大坝水力表面，研究发现以0.5%、1.0%、2.5%、5.0%和7.5%(重量)的比例添加聚合物废料和弹性体材料(LDPE、PET和TIRE)，降低了新混凝土的和易性。并且随着掺量的增加，混合料的抗压强度降低，水下侵蚀磨损试验的耐磨性增加。3种材料的理想掺量为2.5%(重量)，此时PET2.5的抗压性能最好，LDPE的抗拉性能最好，PET2.5的水下耐磨性最好。综上，当添加量为2.5%的LDPE的综合性能最好。

在技术和环境条件方面，使用再生材料添加到混凝土中是一种可以不断改进的技术。因此，该领域的研究有望在市场上得到推广。