廢棄聚合物混凝土修復(fù)大壩水力表面的應(yīng)用

古力米熱·依力哈木

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

在混凝土中加入聚合物廢棄物是當(dāng)前混凝土與環(huán)保技術(shù)的有機(jī)融合，是一種新的研究思路。高聚物在工業(yè)及生活垃圾中所占比重較大，特別是在填埋廢棄物中占比更大。所以，對其進(jìn)行回收利用，可以有效地降低廢棄物所帶來的各種問題。聚丙烯(PP)[1-2]、聚乙烯(PE)[3-4]、尼龍[5-6]等，這些都是在混凝土中加入高分子聚合物的典型例子，這些聚合物以纖維形式存在，起到加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的作用，被稱作“纖維增強(qiáng)混凝土”(FRC)。

根據(jù)最終目標(biāo)的不同，可將不同類型的廢物用于混凝土[7-9]。在混凝土中使用再生塑料的優(yōu)點(diǎn)之一是減少了垃圾填埋場的固體廢物?；炷疗琳系乃け砻姹┞对谇治g磨損的裂縫中，這些裂縫是由孔隙中結(jié)晶鹽的壓力和侵蝕性引起的，造成病變，需要定期維修。因此，有必要使用一種與基材性能兼容的RM，如熱膨脹系數(shù)、機(jī)械阻力以及兩者之間良好的粘附性。對于混凝土水工表面，抗沖擊、侵蝕磨損和耐久性等性能是非常重要的。

本研究重點(diǎn)提出了一種解決方案來恢復(fù)混凝土表面水壩的水力結(jié)構(gòu)及其使用，并有效減少垃圾填埋場和環(huán)境中聚合物廢物所造成的環(huán)境問題。

1 材料與方法

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鹽水泥，表1—2中分別給出了水泥的物理特性和化學(xué)特性。

表1 水泥物理特性

表2 水泥化學(xué)特性 單位：%

1.1.2 粗骨料

采用破碎玄武巖作為粗骨料，最大尺寸為9.5mm。表3顯示了其特性。

表3 粗骨料試驗(yàn)結(jié)果

1.1.3 細(xì)骨料

天然水洗砂用于制作混凝土。細(xì)骨料的特性見表4。

表4 細(xì)骨料的特性

1.1.4 聚合廢物

使用了來自塑料回收行業(yè)的兩種聚合物：LDPE和PET。凝集的LDPE是由塑料包裝(垃圾袋和塑料袋)的加工得到的。在回收工業(yè)中，這種材料是在大約60℃的溫度下，通過機(jī)械過程進(jìn)行篩選、分離、洗滌、粉碎和粘結(jié)。PET來自液體除臭劑燒瓶。在選擇性收集之后，材料經(jīng)過預(yù)先洗滌和粉碎的分離過程。

作為對這項(xiàng)工作的補(bǔ)充，還應(yīng)用了硫化天然橡膠纖維(彈性體)，這些纖維是從回收行業(yè)無用輪胎的胎面中收集的。

聚合物廢物的特性見表5。聚合物廢料和砂的篩析見表6。

表5 回收材料的特性

表6 聚合廢砂篩分分析

1.2 配合比

為了優(yōu)化每種混凝土組成材料的混合物，進(jìn)行了混合研究，驗(yàn)證了可加工性以及隨后的軸向抗壓強(qiáng)度?？紤]到規(guī)定的坍落度為(30±10)mm，理想成分為1∶1.93∶3.07∶0.45(c∶s∶g∶w/c)，水泥消耗量為389kg/m3。該混合物被視為參考混凝土(RC)，彈性體和聚合物廢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)，以取代部分細(xì)骨料。表7中給出了所得混合物。聚合物廢物的比重低于沙子(見表5—6)。

表7 摻有高分子廢料的混凝土混合物

這導(dǎo)致混凝土外加劑中再生材料的體積更大，導(dǎo)致工作性能下降，并需要添加增塑劑，以保持規(guī)定的坍落度，但水灰比始終保持在0.45不變(見表7)。

1.3 徑向壓縮試驗(yàn)下的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

以TIRE、PET和LDPE三種聚合物廢棄物分別以0.5%、1.0%、2.5%、5.0%和7.5%(重量百分比)替代細(xì)集料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和徑向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將混凝土樣本與RC進(jìn)行了比較，在7、14、28d的齡期進(jìn)行抗性演變試驗(yàn)，每個(gè)齡期取2個(gè)樣本。在直徑壓縮試驗(yàn)下的抗拉強(qiáng)度中，對每種研究混合物在28d齡期的2個(gè)試樣進(jìn)行了分析。

1.4 水下侵蝕-耐磨性

對于使用水下方法進(jìn)行的耐侵蝕性-耐磨性分析，澆筑直徑為300mm、高度為100mm的圓柱形混凝土樣品。在相對濕度高于95%、控制溫度為(23±2)℃的潮濕室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d后、對3種研究材料的水下侵蝕耐磨性進(jìn)行了評估，其含量分別為2.5%和5.0%(重量百分比)。

1.5 SO2室中的加速老化和SEM微觀結(jié)構(gòu)研究

為了測試所開發(fā)混合物的耐久性，制作了尺寸為71mm×100mm×25mm的棱柱形鋼筋混凝土樣品。這些樣品在潮濕的氣候室中老化180d，SO2含量為0.67%(體積)，內(nèi)部溫度為(40±3)℃。之后，在配備有能量分散光譜(EDS)的飛利浦XL30型設(shè)備中，對試樣進(jìn)行人工粉碎，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析其表面。

1.6 現(xiàn)場應(yīng)用

對于現(xiàn)場應(yīng)用，從TIRE、LDPE和PET以及RC中選擇了添加重量為2.5%和5%的劑量，用于水電站大壩的溢洪道表面。如圖1所示，在全面觀察其保護(hù)狀態(tài)和混凝土塊中顯示的缺陷定位后，在溢洪道中選擇RM的應(yīng)用點(diǎn)。

圖1 水電站大壩的溢洪道

2 分析討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

所研究的RMs(LDPE、PET和TIRE)和CR的軸壓阻力隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線分別如圖2—4所示。對于3種不同的研究材料及其各自的含量，結(jié)果表明固化抗壓強(qiáng)度的測定結(jié)果與再生纖維添加量成反比。

圖2 以養(yǎng)護(hù)時(shí)間計(jì)算的再生LDPE混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖3 以養(yǎng)護(hù)時(shí)間計(jì)算的再生PET混凝土的抗壓強(qiáng)度

圖4 以養(yǎng)護(hù)時(shí)間計(jì)算的再生TIRE混凝土的抗壓強(qiáng)度

此外，試驗(yàn)表明：在固化7、14、28d，RC(34.3±0.5)MPa下，LDPE0.5、LDPE1和LDPE2.5組分的抗壓強(qiáng)度約等于或優(yōu)于現(xiàn)有的抗壓強(qiáng)度；PET0.5，PET1，PET2.5和PET5；以及TIRE0.5和TIRE2.5。用TIRE對痕跡進(jìn)行了評價(jià)，指出需要改進(jìn)加藥工藝和構(gòu)象，只要中間成分TIRE1在28d抗壓強(qiáng)度較低，也低于相應(yīng)的RC值。

研究發(fā)現(xiàn)摻加聚丙烯纖維對抗壓強(qiáng)度的影響相似，其中對照(不摻聚合纖維)的抗壓強(qiáng)度低于摻加聚丙烯纖維的混合料。12.7mm長的聚丙烯纖維在體積分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度；此時(shí)，與對照混合物相比，增加了19.3%，當(dāng)摻量為0.5%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度比對照降低2.5%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低含量高分子材料的加入對混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有影響(如圖5所示)，LDPE0.5和TIRE0.5的抗壓強(qiáng)度較RC有所提高。在添加2.5%回收材料的PET中觀察到抗壓強(qiáng)度的增加。聚合物廢料添加量越大，混凝土抗壓強(qiáng)度越低。

圖5 28天后混凝土添加廢物和其各自的含量抗壓強(qiáng)度對比圖

3種材料的理想摻量為2.5%(重量)，其中PET2.5的性能最好，為(36.0±0.6)MPa，其次是LDPE2.5和TIRE2.5，兩者在28d的性能值非常接近，分別為(33.9±0.4)MPa和(33.7±0.4)MPa，如圖5所示。

雖然這些混凝土混合物的抗壓強(qiáng)度有所降低，但其值為中等至高抗壓。這種組合物可用于電力配電線路的鋼筋混凝土的電桿和橫臂，因此，也可用于適當(dāng)?shù)哪芰繀^(qū)域。由于這類結(jié)構(gòu)推薦的該性能的下邊界值為25MPa，因此只能排除TIRE7.5的痕跡。

2.2 直徑壓縮下的抗拉強(qiáng)度

當(dāng)RM在直徑壓縮下的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較時(shí)，結(jié)果表明在強(qiáng)度、添加到混凝土中的廢物的含量或類型之間沒有任何直接關(guān)系。根據(jù)Siddique等[10]，這種行為的發(fā)生是由于沒有脆弱破壞，典型的傳統(tǒng)混凝土。

如圖6所示，為混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果。直徑壓縮抗拉強(qiáng)度與再生材料含量無直接關(guān)系。平均而言，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和2.5%的3種材料的抗拉效果最好，其中LDPE2.5突出，28d的抗拉強(qiáng)度為3.95MPa。

圖6 摻入廢料及其各自含量時(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度對比圖

纖維增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系是纖維增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度分析中需要研究的重要因素之一。常規(guī)混凝土在直徑壓縮下的抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的10%。對于LDPE、PET和TIRE材料，在分析的含量中，抗壓強(qiáng)度與直徑壓縮下的抗拉強(qiáng)度的關(guān)系為(10.4±0.8)%。在這種情況下，添加材料的纖維起到了加固的作用，防止了裂紋的擴(kuò)展。

2.3 侵蝕-耐磨性

表8給出了摻量為2.5%和5.0%的聚合廢料制成的CR和混凝土經(jīng)過72h侵蝕-磨損(水下法)后的質(zhì)量損失值。

表8 侵蝕-磨損作用下混凝土試樣的質(zhì)量損失(水下法)

關(guān)于水下侵蝕磨損的質(zhì)量損失，與添加2.5%聚合廢料的混凝土相比，CR的效果最好。但在摻量為5%時(shí)，添加PET和LDPE的混凝土效果優(yōu)于未添加的混凝土。杜紅偉[11]驗(yàn)證了高分子纖維加固混凝土比未添加纖維的混凝土具有更高的耐磨性。

72h后耐侵蝕磨損性能依次為LDPE、PET、TIRE。結(jié)果與所用材料的形狀、質(zhì)地和彈性模量有關(guān)：平均晶粒直徑小于0.4mm的LDPE的性能最好，LDPE2.5組分的質(zhì)量損失約為7.46%。由TIRE2.5和TIRE5組成的材料表現(xiàn)最差。這是由于其吸水率較高，水泥漿體中連通孔隙較多，因此平均抗壓強(qiáng)度較小，斷裂過程大多發(fā)生在界面“水泥漿體纖維”中。

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用

在水電站大壩溢洪道面上，加入聚廢劑和CR的混凝土作為RM應(yīng)用時(shí)，沒有出現(xiàn)任何技術(shù)問題。在圖7(a)中，溢洪道應(yīng)用的6種組合物中的一種是基于TIRE2.5的修復(fù)材料，使用時(shí)間為270d，圖7(b)中是其與基底的界面細(xì)節(jié)。到目前為止，攔河壩水庫運(yùn)行期間由于環(huán)境或水流的作用而產(chǎn)生的應(yīng)用缺陷、邊緣或有害作用(侵蝕磨損)均未發(fā)生。

圖7 基于TIRE2.5的RM照片

3 結(jié)語

本研究將再生材料與混凝土有效結(jié)合用于修復(fù)受損的大壩水力表面，研究發(fā)現(xiàn)以0.5%、1.0%、2.5%、5.0%和7.5%(重量)的比例添加聚合物廢料和彈性體材料(LDPE、PET和TIRE)，降低了新混凝土的和易性。并且隨著摻量的增加，混合料的抗壓強(qiáng)度降低，水下侵蝕磨損試驗(yàn)的耐磨性增加。3種材料的理想摻量為2.5%(重量)，此時(shí)PET2.5的抗壓性能最好，LDPE的抗拉性能最好，PET2.5的水下耐磨性最好。綜上，當(dāng)添加量為2.5%的LDPE的綜合性能最好。

在技術(shù)和環(huán)境條件方面，使用再生材料添加到混凝土中是一種可以不斷改進(jìn)的技術(shù)。因此，該領(lǐng)域的研究有望在市場上得到推廣。