廢棄EPS材料高溫改性影響機(jī)制及其混凝土力學(xué)性質(zhì)研究*

徐梅洪 吳愛軍 張龍 褚福延 南緯

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川綿陽(yáng) 621010)

0 引言

聚苯乙烯泡沫塑料(Expanded Polystyrene，EPS)是一種在聚苯乙烯樹脂加熱時(shí)加入發(fā)泡劑，冷卻后形成的硬質(zhì)閉孔結(jié)構(gòu)的輕型高分子聚合物，具有輕質(zhì)、隔聲、防震、耐堿等優(yōu)良特性。與人工陶粒等無(wú)機(jī)輕集料相比，在生產(chǎn)能耗方面，EPS耗能更低，因此廣泛應(yīng)用于儀器儀表、快餐食品的包裝等，且均為一次性使用。由于廢棄的EPS具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在自然界中很難自行降解，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。

20世紀(jì)，國(guó)內(nèi)外開始通過填埋、熔融等方法對(duì)廢棄的EPS進(jìn)行回收處理[1-3]，隨后開始利用其輕質(zhì)、隔聲、抗沖擊性等特點(diǎn)，用其做骨料制備輕質(zhì)混凝土，并進(jìn)行了如下的研究：陳兵等[4]、孟宏睿等[5]、冉雪美[6]對(duì)外加劑對(duì)EPS混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，研究表明，微硅粉和氯丁乳膠能改善EPS顆粒與水泥漿的粘接性能，鋼纖維能改善干縮性能，聚丙烯纖維能提高其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗壓強(qiáng)度；黃興元等[7]、呂柏燦[8]通過造粒工藝對(duì)廢棄塑料進(jìn)行了處理，提出了新的造粒設(shè)備與工藝；周可可等[9]、NOGUEIRA C L等[10]用超聲檢測(cè)及數(shù)值模擬的方法測(cè)試了EPS混凝土的受壓破壞過程，研究表明，超聲檢測(cè)的方法在一定程度上反映出EPS混凝土的內(nèi)部裂縫開展過程；胡俊等[11]、張恩[12]對(duì)EPS顆粒排列方式、形狀、粒子尺寸效應(yīng)等對(duì)EPS混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，并建立了較低密度的EPS混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模型；任建偉[13]、胡俊等[14]、羅玉財(cái)?shù)萚15]對(duì)EPS混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，研究表明EPS混凝土在沖擊荷載作用下，隨著EPS含量增加，材料的失效類型從準(zhǔn)脆性到延性和擠壓流動(dòng)破壞階段過渡；宋守波[16]、劉嫄春[17]、方黃磊等[18]對(duì)EPS顆粒摻量、水灰比等對(duì)EPS混凝土力學(xué)性能影響進(jìn)行了分析，并對(duì)破壞特性進(jìn)行了分析，研究表明：水灰比小于0.66時(shí)，抗壓強(qiáng)度與水灰比成正比；超過0.66時(shí)，成反比，受壓破壞非線性特征明顯，屬延性破壞。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過外加劑及造粒工藝等方式對(duì)EPS混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，較少?gòu)奶岣吖橇蠌?qiáng)度的角度進(jìn)行研究。基于此，本文采用高溫對(duì)環(huán)境中廢棄的EPS進(jìn)行處理，而后定量分析高溫對(duì)其影響機(jī)制，并將其作為輕質(zhì)骨料制作成混凝土試塊后進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試，分析其力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律。本文結(jié)論將為EPS的回收及EPS混凝土的研究提供一些參考與借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 高溫處理1.1.1 高溫處理過程

選取廢棄的EPS，將其破碎成長(zhǎng)寬高為50 mm×50 mm×22 mm、70 mm×50 mm×22 mm兩種大小的塊體，以及平均粒徑為1、2、3、4 mm的EPS顆粒；設(shè)置電熱恒溫干燥箱的溫度，使其從50 ℃開始往上升，每10 ℃為一個(gè)間隔，當(dāng)出現(xiàn)差異時(shí)，5 ℃為一個(gè)間隔進(jìn)行設(shè)置，每個(gè)溫度點(diǎn)停留10 min；將不同尺寸大小的EPS樣品放入電熱恒溫干燥箱進(jìn)行高溫處理；高溫處理結(jié)束后取出樣品，冷卻至恒溫，對(duì)不同溫度條件下EPS樣品的體積、強(qiáng)度、微觀形貌等進(jìn)行測(cè)試、分析。

1.1.2 高溫處理結(jié)果

高溫處理后，對(duì)樣品的質(zhì)量、尺寸等進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過計(jì)算，其結(jié)果如圖1所示，其中樣品1長(zhǎng)寬高為50 mm×50 mm×22 mm，樣品2為70 mm×50 mm×22 mm。

(a)密度

從圖1(a)中可以發(fā)現(xiàn)：50～90 ℃區(qū)間，被測(cè)試樣品的密度幾乎沒有變化；而從90 ℃的改性溫度開始，EPS材料密度隨著改性溫度的升高而逐漸增大，改性溫度在90～120 ℃，EPS密度變化率較平緩，而在120～130 ℃的改性溫度區(qū)間，EPS材料的密度增加幅度最為顯著，從120 ℃時(shí)的100 kg/m3提高到130 ℃的300 kg/m3，增加了2倍，相當(dāng)于每1 ℃升高20 kg/m3。而改性溫度120 ℃對(duì)應(yīng)的EPS材料密度相當(dāng)于改性溫度100 ℃時(shí)的4倍。但是增加速率相對(duì)于120～130 ℃的改性溫度區(qū)間較低，每1 ℃升高3.75 kg/m3。

從圖1(b)中可以發(fā)現(xiàn)：50～90 ℃的改性溫度區(qū)間，樣品的體積幾乎無(wú)變化；而在90～130 ℃的改性溫度區(qū)間，樣品的體積收縮率隨著溫度的升高逐漸增加。在此段溫度區(qū)間內(nèi)，分成90～110 ℃和110～130 ℃兩段來(lái)描述，前者溫度升高1 ℃，體積收縮率變化3%；后者溫度升高1 ℃，體積收縮率變化1.5%。顯然，EPS樣品的體積收縮率在90～110 ℃的改性溫度區(qū)間內(nèi)變化較大，而從110 ℃以后，隨著溫度的升高，體積收縮率變化趨緩。

從圖1(c)可以發(fā)現(xiàn)：EPS塊體的強(qiáng)度隨著改性溫度的升高而增大。在100～110 ℃與110～120 ℃兩個(gè)溫度區(qū)間，溫度升高1 ℃強(qiáng)度變化0.014 MPa和0.15 MPa，顯然隨著改性溫度的提高，特別是在110 ℃之后，EPS材料密度與強(qiáng)度顯著提高，115 ℃和120 ℃改性溫度下處理后的EPS材料強(qiáng)度分別是110 ℃的5倍和7倍左右。從這里可以得到，對(duì)于EPS材料高溫改性的溫度應(yīng)高于110 ℃。

1.2 EPS輕質(zhì)骨料微觀形貌分析

實(shí)驗(yàn)選擇常溫下粒徑為1、2、3、4 mm的EPS顆粒，對(duì)不同粒徑大小的EPS顆粒進(jìn)行高溫處理。選取相同條件下不同溫度的EPS顆粒樣品進(jìn)行微觀形貌測(cè)試。對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，再用SEM對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示，放大倍數(shù)均為1 000。

(a)常溫 (b)100 ℃

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，EPS材料孔徑呈減小趨勢(shì)。對(duì)比圖2(a)、2(b)可以發(fā)現(xiàn)，EPS材料孔徑在常溫下如花簇開放，形成薄膜狀的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，通過測(cè)量得到其薄壁厚度<1 μm，孔徑達(dá)到60～120 μm。而在100 ℃條件下孔徑有所收縮，表面出現(xiàn)塌縮、粘結(jié)現(xiàn)象。

其次，學(xué)生管理者的引導(dǎo)教育作用。學(xué)生管理者對(duì)學(xué)生的要求和引導(dǎo)是培養(yǎng)學(xué)生基本素質(zhì)的關(guān)鍵，如果學(xué)生管理者每一項(xiàng)工作都對(duì)學(xué)生要求嚴(yán)格，精益求精，會(huì)對(duì)學(xué)生產(chǎn)生潛移默化的影響，讓學(xué)生在耳濡目染中形成工匠精神。

從圖2(c)可以發(fā)現(xiàn)，EPS材料孔徑在100～110 ℃的改性溫度區(qū)間的變化尤其明顯，表面薄膜狀微孔開始出現(xiàn)熔融并沿著表面呈現(xiàn)流動(dòng)態(tài)，最后降溫后收縮成不規(guī)則的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。

從圖2(d)可以發(fā)現(xiàn)120 ℃條件下EPS材料塊體的表面收縮成規(guī)則網(wǎng)孔，顯得比較致密，而這種蜂窩狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能明顯強(qiáng)于薄壁孔結(jié)構(gòu)，孔壁厚度大約3～4 μm，微孔大小由原來(lái)的60～120 μm，縮減到10～30 μm左右。用手?jǐn)D壓材料，明顯感覺硬度增強(qiáng)，從圖1(c)的曲線也可以看出。

2 EPS輕質(zhì)骨料混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

將改性溫度為100、110、120 ℃，粒徑為1、2、3、4 mm的EPS顆粒與水泥漿混合攪拌、澆筑成型，制備EPS混凝土試塊。實(shí)驗(yàn)采用直徑為50 mm，高度為100 mm的圓柱體PVC管作為模具，為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組制作3個(gè)相同的試塊。

2.1 性能測(cè)試

(1)端面處理。為了減小端面效應(yīng)，在對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試前需要對(duì)其兩端進(jìn)行端面處理，提高其平整度。試塊進(jìn)行端面處理后，晾干至恒重，用電子秤和游標(biāo)卡尺對(duì)其質(zhì)量、尺寸進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算密度、面積，記錄數(shù)據(jù)。

(2)力學(xué)性能測(cè)試。將待測(cè)試的EPS混凝土試塊放置在試驗(yàn)機(jī)的承壓板的正中心，使試塊的承壓面與成型面成垂直狀態(tài)，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，輸入計(jì)算好的試塊的受壓面積及測(cè)試數(shù)量等數(shù)據(jù)，當(dāng)上壓板與所測(cè)試塊接近時(shí)，調(diào)整儀器的位移速率，設(shè)置為2 mm/min，進(jìn)行測(cè)試。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.2.1 EPS混凝土試塊彈性模量分析

對(duì)不同條件下混凝土試塊應(yīng)力應(yīng)變曲線的彈性階段進(jìn)行線性擬合，經(jīng)過計(jì)算可得到其在單軸壓縮下的彈性模量，如圖3所示。

圖3 EPS混凝土試塊彈性模量

從圖中可以看出，對(duì)同一種粒徑的EPS混凝土，隨著溫度的升高，EPS材料的強(qiáng)度逐漸提高，因此其彈性模量表現(xiàn)出隨著溫度的升高而增加的趨勢(shì)，除1 mm粒徑情況下之外，其它粒徑條件下的彈性模量差異較明顯。對(duì)于同一改性溫度條件下的EPS混凝土，其彈性模量隨著粒徑的增加而減小，當(dāng)粒徑大于1 mm時(shí)，其彈性模量隨著溫度的變化差異較小。此外，用改性溫度為120 ℃下的EPS做骨料所制備的混凝土的彈性模量在1 500 MPa左右，這種低彈性模量使得其在防護(hù)結(jié)構(gòu)方面有較好的應(yīng)用，也可以使地震波在構(gòu)件內(nèi)傳遞速度減緩，表現(xiàn)出優(yōu)良的減震效果[19]。

2.2.2 力學(xué)性能影響分析

圖4為用不同粒徑、不同溫度改性條件下的EPS做骨料，所制備的混凝土試塊的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，圖4(a)為抗壓強(qiáng)度隨著溫度的變化曲線。以常溫組為對(duì)比組，得到圖4(b)所示的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的變化率曲線。

從圖4(a)中可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同一種粒徑的EPS混凝土的抗壓強(qiáng)度，隨著改性溫度的升高而逐漸增大。由于EPS是多孔性物質(zhì)，其粒徑大小和級(jí)配對(duì)EPS輕質(zhì)混凝土孔結(jié)構(gòu)起到了決定性的作用[20]，因此對(duì)于同一種改性溫度下的EPS混凝土，其抗壓強(qiáng)度隨著粒徑的增大而顯著降低，表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)，如120 ℃下，粒徑1、2、3 mm的抗壓強(qiáng)度差距較小，而4 mm粒徑比1 mm粒徑的抗壓強(qiáng)度低40%左右。結(jié)合圖4(b)定量分析可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于粒徑1 mm的EPS顆粒，試塊的強(qiáng)度從常溫的7.6 MPa升高到120 ℃的20.34 MPa,提高167.63%；：對(duì)于粒徑2 mm的EPS顆粒，試塊的強(qiáng)度從5.82 MPa升高到19.64 MPa，提高237.46%;對(duì)于粒徑3 mm的EPS顆粒，試塊的強(qiáng)度從5.24 MPa升高到18.27 MPa,提高248.66%，提高幅度最大，約2.5倍；粒徑4 mm條件下，試塊的強(qiáng)度從5.21 MPa升高到12.17 MPa，提高133.59%，這主要是尺寸效應(yīng)的影響作用，使其增幅減小。

(a)溫度-抗壓強(qiáng)度變化曲線

究其原因，一方面EPS是多孔性物質(zhì)，另一方面EPS具有親油疏水性，導(dǎo)致其與水泥漿粘接力較弱。經(jīng)過高溫處理后，EPS顆粒逐漸收縮，密度增大，抗壓強(qiáng)度提高數(shù)倍，并且每個(gè)微孔單元熱縮成高強(qiáng)度圓孔的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)(120 ℃及以上改性溫度)，顯著改善了作為輕質(zhì)骨料引起的孔洞缺陷，使混凝土的整體強(qiáng)度顯著增加。

3 結(jié)論

(1)對(duì)廢棄EPS進(jìn)行高溫處理，在50～90 ℃區(qū)間，其密度、強(qiáng)度無(wú)變化，在90～110 ℃區(qū)間，材料的密度、強(qiáng)度略有增加，115 ℃和120 ℃條件下，EPS的強(qiáng)度較110 ℃提高5倍和7倍左右。

(2)對(duì)不同溫度條件下EPS的微觀形貌進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的不斷提高，EPS材料表面的薄膜狀微孔不斷熔融，由原來(lái)孔壁厚<1 μm、孔徑60～120 μm的大孔，熱縮為120 ℃條件下的，孔壁厚3～4 μm、孔徑為10～30 μm的小孔。

(3)對(duì)EPS混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著高溫改性溫度的提高，其混凝土的彈性模量逐漸提高，到120 ℃時(shí)，其彈性模量為1 500 MPa左右，可用于防護(hù)結(jié)構(gòu)。此外，用粒徑3 mm的EPS顆粒做骨料所制備的混凝土試塊，其強(qiáng)度從常溫的5.24 MPa升高到120 ℃條件下的18.27 MPa，提升幅度最大，約2.5倍。