再生塑料顆粒在混凝土中的應(yīng)用研究

曹雁峰,曾 力(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

塑料混凝土已經(jīng)在建筑、道路和軍事等多個(gè)工程領(lǐng)域投入應(yīng)用，但作為一種新型建筑材料，針對(duì)它的性能研究仍處于初級(jí)階段，其中有很多性能也需進(jìn)一步改善。本文主要對(duì)塑料混凝土的基本性能進(jìn)行綜述，著重探討影響塑料混凝土性能的因素，介紹改性塑料顆粒的物理與化學(xué)方法，分析改性塑料顆粒對(duì)于改善塑料混凝土性能的可行性，以期為相關(guān)研究和工程應(yīng)用提供借鑒。

1 塑料混凝土基本性能

1.1 工作性

Tang[1]把 EPS（聚苯乙烯泡沫塑料）加工成4mm 的均勻球形顆粒，為了解決塑料集料在混凝土拌和物中的離析問(wèn)題，他在塑料顆粒外表涂了一層由 BST 有限公司提供的化合物。用 EPS 塑料顆粒分別替代 0、20%、40%、60% 和80% 的砂石集料，結(jié)果發(fā)現(xiàn) EPS 混凝土與參照混凝土(塑料集料替代率 0)有相近的坍落度值。這是因?yàn)榇嗽囼?yàn)中使用的 EPS 塑料顆粒具有封閉的表面結(jié)構(gòu)，吸水率基本為零，所以塑料摻入量幾乎不會(huì)對(duì) EPS 混凝土坍落度產(chǎn)生影響。Albano[2]把 PET(苯二甲酸乙二酯)瓶加工成粒徑為 2.6 mm和 11.4 mm 的塑料顆粒，當(dāng)分別以 10% 和 20% 的比率單摻一種粒徑 PET 顆粒和 50 : 50 混摻兩種粒徑 PET 顆粒時(shí)，發(fā)現(xiàn)各組 PET 混凝土的坍落度都比參照混凝土小。這主要是因?yàn)樗芰项w粒表面粗糙尖銳，降低了 PET 混凝土的流動(dòng)性。又因?yàn)榛鞊絻煞N粒徑 PET 顆粒能讓塑料在混凝土中分布更加均勻，所以混摻要比單摻的塑料混凝土坍落度大。由此可見(jiàn)，塑料顆粒會(huì)對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響，但這種負(fù)作用可通過(guò)優(yōu)化塑料顆粒的表面形態(tài)和級(jí)配得到補(bǔ)償。

1.2 密 度

塑料密度較砂石集料小得多，一般在 800～2300 kg/m3。因而相同水灰比下，塑料混凝土密度都比參照混凝土低。Tang[1]發(fā)現(xiàn) EPS 塑料混凝土的密度隨著集料替代率的提高呈現(xiàn)線性下降。而 Fahad[3]通過(guò)加入紅砂填料制備出級(jí)配良好的塑料基集料 RP2F1C，分別等體積替代 25%、50%、75% 和 100% 輕質(zhì)火山灰粗集料 LWA。結(jié)果表明：RP2F1C 混凝土的濕密度和硬化密度都沒(méi)有明顯變化，其中硬化密度低于或稍高于 ASTMC 330/C 330m 規(guī)定的密度上限(1804 kg/m3)。說(shuō)明完全由 RP2F1C 作為粗集料的混凝土也可以滿足輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用要求，這一點(diǎn)具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.3 力學(xué)性能

1.3.1 抗壓強(qiáng)度

Babu[4]在控制混凝土水灰比和密度一致的條件下，分別研究相同塑料摻入量時(shí)不同粒徑 PS (聚苯乙烯)和 EPS 顆粒對(duì)塑料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：EPS 混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著塑料顆粒粒徑的減小而增大，而且混凝土密度較小時(shí)，這種粒徑影響更加顯著。這是因?yàn)榈兔芏然炷林兴芰虾扛?，?qiáng)度更低，小粒徑顆粒的填充效應(yīng)更有利于塑料混凝土強(qiáng)度。當(dāng)保持 PS 和 EPS 粒徑相等時(shí)，由于 PS 的彈性模量比 EPS 大，所以 PS 混凝土的抗壓強(qiáng)度要比 EPS 混凝土高出約 70%，并且 EPS 混凝土發(fā)生了塑性受壓破壞，PS 混凝土發(fā)生了脆性受壓破壞。梁炯豐[5]也發(fā)現(xiàn) PP 顆粒等體積替代細(xì)集料可以提高混凝土的延性。由此可見(jiàn)，小粒徑、高彈模的塑料顆粒更有利于塑料混凝土強(qiáng)度。西南交大龔?fù)矜肹6]發(fā)現(xiàn)同等摻量下，粗糙 ABS/PC(苯乙烯/聚碳酸酯)塑料混凝土的的抗壓強(qiáng)度比光滑組提高約 2.56%～27.48%，且塑料摻量越大，這種表面效應(yīng)越明顯。說(shuō)明在該試驗(yàn)中，表面粗糙的 ABS/PC 顆粒更有利于與水泥黏結(jié)。Fahad[3]的結(jié)果發(fā)現(xiàn) RP2F1C 混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度在 12～26.9 MPa，較對(duì)照組的強(qiáng)度 31.7 MPa 降低了 15%～62%，且只有塑料替代率 25% 的組別同時(shí)滿足ASTMC 330/C 330m 中對(duì)混凝土密度和抗壓強(qiáng)度的要求，即 RP2F1C 25 混凝土可應(yīng)用于中等強(qiáng)度輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中。

多數(shù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，塑料集料會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度，原因主要有以下幾點(diǎn)：塑料顆粒的抗壓強(qiáng)度本身就??；塑料與水泥基體的剛度差異導(dǎo)致塑料顆粒表面的早期裂紋發(fā)展迅速；塑料顆粒和水泥基體界面黏結(jié)薄弱；塑料顆粒表面限制了水化反應(yīng)的充分進(jìn)行。

1.3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

Babu[4]發(fā)現(xiàn) EPS 混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著塑料顆粒粒徑的減小而增大。當(dāng)含有彈性模量較小的 EPS 集料時(shí)，塑料混凝土試件在劈裂抗拉試驗(yàn)中不會(huì)發(fā)生脆性破壞，且 EPS 含量越多，塑性破壞的特征越明顯；當(dāng)含有彈性模量較大的 PS集料時(shí)，塑料混凝土試件與參照混凝土一樣會(huì)在劈裂抗拉試驗(yàn)中發(fā)生脆性破壞。由此可見(jiàn)，小粒徑、低彈模的塑料顆粒更有利于改善塑料混凝土抗拉性能。Kou[7]發(fā)現(xiàn) PVC 混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著塑料摻入量的增加不斷減小, 且它的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)很好的線性正相關(guān)。楊樹(shù)桐[8]發(fā)現(xiàn) PP(聚丙烯)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在塑料摻入量＜ 5% 時(shí)基本不變，在≥ 5% 后呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，塑料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨塑料摻入量的變化規(guī)律會(huì)因塑料顆粒的不同而不同。

1.3.3 抗折強(qiáng)度

Ashwin[9]針對(duì)電子產(chǎn)品塑料集料的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，塑料混凝土的抗折強(qiáng)度比參照混凝土低，且隨著塑料摻入量的增加不斷減小。楊樹(shù)桐[8]則發(fā)現(xiàn) PP 混凝土的抗折強(qiáng)度比參照混凝土高，當(dāng) PP 塑料摻入量從 0 增加到 15% 時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度先增大后減小，只是變化幅度不大。龔?fù)矜肹6]針對(duì) ABS/PC 混凝土的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粗糙的 ABS/PC 更能改善塑料混凝土的抗折性能。由此可見(jiàn)，塑料混凝土抗折強(qiáng)度與塑料顆粒的種類(lèi)、表面形態(tài)和摻入量密切相關(guān)。

1.3.4 彈性模量

塑料顆粒的彈性模量比普通砂石低得多，一般為1800～2400 MPa[10]。因而相同水灰比下，塑料混凝土的彈性模量比參照混凝土低，并隨著塑料摻入量的增大不斷降低。幾乎所有試驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了這一點(diǎn)。Babu[4]還發(fā)現(xiàn)當(dāng)用EPS 替代 16.3% ～ 66.5% 的粗集料時(shí)，塑料混凝土彈性模量會(huì)隨著材料強(qiáng)度的增大而增大。

1.4 吸水性

Babu[11]研究分別摻入 EPS 顆粒和 PS 顆粒的兩種塑料混凝土的吸水性，發(fā)現(xiàn)除了密度低于 1000 kg/m3的 EPS混凝土外，其余塑料混凝土的吸水率都比參照混凝土低。Babu 把塑料混凝土吸水性降低的原因歸結(jié)于塑料顆粒的憎水特性。Albano[2]發(fā)現(xiàn)在水灰比一致的條件下，摻入 20%PET 集料的混凝土要比摻入 10% PET 集料的混凝土吸水率高，而且塑料顆粒粒徑越大，PET 混凝土的吸水率也越高。根據(jù) Porrero[12]解釋?zhuān)a(chǎn)生這種情況的原因有以下兩個(gè)：一是加工的塑料顆粒往往細(xì)長(zhǎng)扁平，導(dǎo)致混凝土中孔隙增多；二是塑料顆粒與膠凝材料的黏接薄弱。為了制得滿足工程耐久性要求的塑料混凝土，需要綜合塑料種類(lèi)、粒徑和摻入量等因素做進(jìn)一步研究。

1.5 干縮性

Tang[1]以 500d 作干縮測(cè)試齡期，研究不同初始水養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，塑料摻量對(duì) EPS 混凝土干縮率的影響。結(jié)果表明：EPS 混凝土的干縮率隨時(shí)間逐漸減小，只是在水化早期， EPS 混凝土的干縮率與參照混凝土明顯不同，在水化后期，二者沒(méi)有明顯差別。由于光滑低彈的塑料顆粒不足以限制水泥漿體收縮，所以塑料摻量越多，EPS 混凝土的干縮率越大，且越在早期，塑料摻量的影響越顯著。然而，延長(zhǎng)初始水養(yǎng)護(hù)時(shí)間能有效降低 EPS 混凝土的干縮率。 Kou[7]則發(fā)現(xiàn) PVC 混凝土成型 112d 后，P 5、P 15、P 30 和 P 45的干縮率相比參照混凝土 P 0 分別減小 18.1%、31.6%、48.75 % 和 72.2% (P 5指 PVC 顆粒對(duì)砂子的體積替代率為5%，其他同理)。據(jù) Kou 解釋?zhuān)?PVC 塑料顆粒不透水也不吸水，因而自身不會(huì)收縮，塑料混凝土整體收縮也會(huì)減小。綜上可知，可以從塑料顆粒透水性和養(yǎng)護(hù)條件兩方面控制塑料混凝土產(chǎn)生干縮裂縫。

2 改性塑料顆粒

2.1 物理改性

Choi[13]將粒徑5～15mm 的 PET 塑料顆粒加入到溫度為(250±10)℃、轉(zhuǎn)速為 30 ～ 50 r/min 的混合器中，20 s 后，加入?；郀t礦渣粉，由此加工出的塑料顆粒近乎球形，且表面涂有一層礦渣粉。用改性 PET 顆粒分別替代 0、25%、50% 和 75% 的集料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：同一水灰比下，改性 PET 混凝土的坍落度隨著集料替代率的增大而增大，對(duì)比 Albano[2]的試驗(yàn)結(jié)果可知，光滑球狀的 PET 顆粒能夠改善塑料混凝土的工作性能。雖然改性 PET 混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度仍會(huì)隨著集料替代率的增加而減小，但減小速率明顯比普通 PET 混凝土緩慢。這主要是因?yàn)楦男?PET 顆粒表面的高爐礦渣粉會(huì)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，不僅生成更多的C-S-H，且會(huì)消耗氫氧化鈣晶體，從而增強(qiáng)了界面強(qiáng)度。

Choi[14]通過(guò)相似方法用河砂磨細(xì)粉包裹 PET 塑料，得到一批表面光滑的球形顆粒。改性 PET 顆粒與普通塑料顆粒最大的差別就在于它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不僅孔隙率高，而且被晶體包裹。用改性 PET 塑料顆粒分別替代 0、25%、50% 和 75% 的集料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同一水灰比下，改性 PET 混凝土的工作性能顯著提高。Choi 發(fā)現(xiàn)當(dāng)集料替代率為 25% 時(shí)，改性 PET 混凝土的強(qiáng)度比與參照混凝土類(lèi)似，尤其在水灰比為 0.49 時(shí)，前者強(qiáng)度比超過(guò)后者。由此可見(jiàn)，改性 PET 塑料集料的最佳替代率為 25%。Choi 還發(fā)現(xiàn)改性 PET 混凝土的抗折強(qiáng)度會(huì)隨抗壓強(qiáng)度的增大而增大，變化范圍介于參照混凝土與普通輕質(zhì)混凝土之間。由上可知，用具有化學(xué)活性的粉末包裹 PET 顆粒，可以在一定程度上改善塑料混凝土性能。

有些塑料幾乎不具備抗壓強(qiáng)度，直接做集料摻入混凝土必然會(huì)導(dǎo)致后者強(qiáng)度大幅降低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究者嘗試用直接加熱法提高塑料顆粒的自身強(qiáng)度。Kan[15-16]加熱EPS 顆粒( 130 ℃ 下加熱 30 min 效果最佳)，使它的體積減小 20 倍，密度從 10 kg/m3提高到 217 kg/m3，抗壓強(qiáng)度從0.12 MPa 提高到 8.29 MPa。改性 EPS 顆粒表面與天然集料相似，硬度高、無(wú)深孔、吸水率低，雖然不能與水泥基體發(fā)生反應(yīng)，但可以在一定程度上改善 EPS 混凝土的性能。當(dāng)用改性 EPS 塑料顆粒等體積替代 0、25%、50%、100% 的砂石集料時(shí)，測(cè)得塑料混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度在 12.58 ～ 23.34 MPa 之間，完全滿足非承重結(jié)構(gòu)輕質(zhì)混凝土的強(qiáng)度要求。而且改性EPS 顆粒還能提高塑料混凝土的抗凍性。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)預(yù)處理就是利用化學(xué)試劑浸泡或者光線照射等方法改變塑料的分子結(jié)構(gòu)，使塑料能夠和膠凝材料發(fā)生反應(yīng)，從而增強(qiáng)界面黏結(jié)強(qiáng)度。早在 1996 年，Naik[17]為了提高塑料顆粒與水泥基體的界面黏結(jié)，就嘗試用水、漂白劑(5%HOCl)、漂白劑(5% HOCl)+氫氧化鈉溶液3種試劑處理高密度 PE(聚乙烯)塑料，雖然處理結(jié)果不理想，但為化學(xué)改性塑料混凝土提供了一種思路。KO[18]將 PE 塑料用丙酮清洗烘干之后，進(jìn)行 PAM (丙烯酰胺)移植，然后再用紫外線照射以改變聚合物的分子結(jié)構(gòu)，通過(guò) SEM 觀察發(fā)現(xiàn)，處理后的 PE 塑料與水化硅酸鈣黏結(jié)更加緊密。西南交大王磊[19]利用硅烷偶聯(lián)劑能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)與無(wú)機(jī)材料界面化學(xué)鍵合的特性，選取不同濃度的硅烷偶聯(lián)劑處理 ABS/PC 塑料顆粒。結(jié)果發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑可以改善 ABS/PC 混凝土的力學(xué)性能，且這種影響會(huì)隨著塑料顆粒摻量的增加而增強(qiáng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

塑料顆粒摻入混凝土，不僅使廢棄塑料得以處理，而且減少了砂石集料的開(kāi)采，兼具經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和生態(tài)效益。塑料混凝土具有良好的變形能力，可以用在多種結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，如護(hù)墻板、幕墻、復(fù)合地板系統(tǒng)；路面和鐵路軌道床基層；海洋結(jié)構(gòu)物、海床和海柵欄；軍事結(jié)構(gòu)防護(hù)的能量吸收材料等等[20-21]。雖然塑料混凝土已經(jīng)在工程實(shí)際中有所應(yīng)用，但也必須正視和解決塑料顆粒對(duì)混凝土性能的危害。因此，了解不同因素對(duì)塑料混凝土性能的作用規(guī)律尤為重要。盡管已有許多文獻(xiàn)對(duì)此展開(kāi)了研究，但仍不完善，未來(lái)的研究工作有必要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展。

(1)已有研究表明，加入塑料纖維和硅粉能夠明顯改善塑料混凝土的性能，可考慮在塑料混凝土中摻入此類(lèi)材料。

(2)塑料集料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響機(jī)理多停留在宏觀層面，尚不明確，有必要從微觀尺度分析塑料與水泥基體的黏結(jié)性能，界面效應(yīng)和相互影響規(guī)律。

(3)包裹活性物質(zhì)的物理改性和化學(xué)試劑處理為改性塑料混凝土提供了一些思路，如何改性塑料分子使其作為有效成分參與水化反應(yīng)是一個(gè)很有意義的研究課題。