再生塑料輕質(zhì)混凝土在建筑工程中的應(yīng)用研究

劉江榮，顏育仁

(1 杭州蕭山建筑設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江杭州 310000；2 上宸工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江杭州 310000)

近年來(lái)，由于塑料制品的大量生產(chǎn)，導(dǎo)致由塑料產(chǎn)生的白色污染越來(lái)越嚴(yán)重［1］。從1950 年大量使用塑料以來(lái)，至2018 年全世界的塑料總消耗量達(dá)到了83 億噸，其中約75.9% 的塑料制品淪為廢塑料［2］。塑料制品在人們的日常生活中隨處可見［3］，但塑料垃圾也對(duì)我們的日常生活環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅［4-5］，塑料垃圾的主要威脅來(lái)自它不易被分解［6］，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，廢塑料垃圾會(huì)逐漸增多，對(duì)自然環(huán)境的影響將更加惡劣。因此，如何將廢舊塑料進(jìn)行回收利用，將是一個(gè)意義重大的研究。

廢棄塑料利用得當(dāng)，也是能作為一種再生資源進(jìn)行使用［7］。目前對(duì)廢塑料常用的處置方式包含掩埋、焚燒、降解技術(shù)等，這些處理方法有很多缺陷，如二次污染、占用土地資源和成本高等［8］。而近年來(lái)有學(xué)者將廢舊塑料再生處理后，引入到混凝土中替代其中的粗細(xì)骨料［9-10］。PE 塑料改性混凝土有很多優(yōu)點(diǎn)，如彈性好、保溫隔熱好和抗?jié)B性好等［11-13］，因此以廢舊塑料生產(chǎn)建材制品，具有較強(qiáng)的可操作性［14-15］?，F(xiàn)在全球進(jìn)入飛速發(fā)展的階段，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)都離不開混凝土結(jié)構(gòu)，這將導(dǎo)致混凝土無(wú)論是生產(chǎn)上還是在使用上，其產(chǎn)量和用量都是巨大的，用塑料代替部分沙子對(duì)于廢塑料的回收起到巨大的作用，同時(shí)也能為天然砂資源的枯竭起到一定的緩解作用。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料包含水泥、粗細(xì)骨料、廢PE 塑料和硅烷偶聯(lián)劑。水泥參數(shù)見表1；粗細(xì)骨料參數(shù)見表2；廢PE塑料粒徑為1～2 mm，形狀為圓柱形，具體參數(shù)見表3；硅烷偶聯(lián)劑KH-560 的參數(shù)見表4。

表 1 水泥參數(shù)Table 1 Cement parameters

表2 粗細(xì)骨料參數(shù)Table 2 Coarse and fine aggregate parameters

表 3 PE 塑料參數(shù)Table 3 Parameters of PE plastic

表4 KH560 硅烷偶聯(lián)劑參數(shù)Table 4 Parameters of silane coupling agent KH560

1.2 PE 塑料改性混凝土配合比

混凝土試樣的水灰比為0.40，砂率為30%。PE 塑料顆粒同重量替代混凝土內(nèi)的砂子，重量替代率分別為0、10%、20%、30%、50% 和70%。硅烷偶聯(lián)劑按照塑料重量的0.8% 加入?；炷辆唧w配比見表5。

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

1.3 PE 塑料改性混凝土制樣

混凝土試樣拌合前，將材料溫度與室溫保持一致，試樣拌制過(guò)程中各材料的均勻混合主要依靠HJW-30 型臥式攪拌機(jī)，試樣配制首先進(jìn)行稱量，隨后將各材料加入攪拌機(jī)中，加入的順序?yàn)槭?、水泥、砂子和塑料顆粒，待各材料混合均勻后再將水緩慢加入，所有材料倒入攪拌機(jī)中的時(shí)間控制在2min 以內(nèi)，所有材料加入完成后繼續(xù)拌和2min，最后將拌合物倒出并人工拌和1～2 min，進(jìn)行測(cè)試和試件成型。

1.4 測(cè)試方法

本試驗(yàn)采用立方體試件，試件尺寸為100mm×100mm×100mm，同一齡期為一組，每組三個(gè)試樣同時(shí)制作并在同等條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。再生混凝土表觀密度通過(guò)測(cè)量質(zhì)量和體積來(lái)確定，吸水性通過(guò)測(cè)量質(zhì)量變化來(lái)確定，力學(xué)性能指標(biāo)包含強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。壓力機(jī)采用200t單軸壓力機(jī)，強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試加載速率分別為4kN/s 和0.4kN/s。

2 結(jié)果和討論

2.1 表觀密度

再生塑料替代率與混凝土表觀密度的關(guān)系如圖1 所示。結(jié)果表明：隨著摻量從0 到70% 的增加，混凝土的表觀密度呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì)，從最高的2.349kg/m3降到了1.735kg/m3。這主要是由于塑料顆粒的密度明顯小于天然骨料導(dǎo)致。通過(guò)表觀密度的下降趨勢(shì)也可以看出，隨著塑料顆粒的增加，普通混凝土逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩p骨料混凝土。

圖1 塑料替代率對(duì)混凝土表觀密度的影響Fig. 1 Effect of the replacement rate of plastic on the apparent density of concrete

2.2 吸水性

再生塑料顆粒不同的替代率對(duì)混凝土吸水率的影響如圖2 所示。在混凝土養(yǎng)護(hù)3 天和7 天時(shí)，含有塑料的混凝土吸水率均小于普通混凝土。在混凝土養(yǎng)護(hù)28 天時(shí)，含有20%～70% 的PE 塑料改性混凝土吸水量己經(jīng)超過(guò)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。這主要是由于隨著塑料的增多，混凝土內(nèi)部的弱結(jié)構(gòu)面增多，早期吸水慢，后期吸水量增大。

圖2 塑料替代率對(duì)混凝土吸水性的影響Fig. 2 Effect of plastic substitution rate on water absorption of concrete

2.3 抗壓強(qiáng)度

PE 塑料改性混凝土抗壓強(qiáng)度隨替代率的變化規(guī)律如圖3 所示。從圖3 可以看出，PE 塑料改性混凝土在不同齡期下的強(qiáng)度均隨著替代率的增加而遞減，這些結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道基本一致［16］。其中，PE 塑料改性混凝土的早期強(qiáng)度較弱，而混凝土7d 與28d 抗壓強(qiáng)度差距逐漸縮小，含有再生塑料顆粒的混凝土7d 早期強(qiáng)度與28d 強(qiáng)度差距很小，提升空間不大，該結(jié)果與前人的文獻(xiàn)結(jié)果基本一致［17］。隨著塑料顆粒含量的增加，抗壓強(qiáng)度降低的原因有兩個(gè)：第一，由于塑料顆粒比周圍的水泥漿體要弱，在加載過(guò)程中，裂紋會(huì)在基體中的塑料顆粒周圍產(chǎn)生并容易擴(kuò)展；其次，由于塑料顆粒與漿體之間的粘結(jié)性差，軟塑料顆粒在混凝土基體中表現(xiàn)為孔隙結(jié)構(gòu)。因此在本研究中，只要控制合適的塑料顆粒含量，還是可以保證混凝土的強(qiáng)度要求。

圖3 塑料替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 3 Effect of plastic substitution rate on compressive strength of concrete

2.4 劈裂抗拉強(qiáng)度

PE 塑料改性混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨替代率的變化規(guī)律如圖4 所示。從圖4 可以看出，PE 塑料改性混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與PE 塑料替代率呈負(fù)相關(guān)，劈裂抗拉強(qiáng)度降低的主要原因與抗壓強(qiáng)度降低的原因相同。PE 塑料改性混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的擬合關(guān)系如圖5 所示。從圖5 可以看出，PE 改性混凝土的抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度呈正相關(guān)的關(guān)系。

圖4 塑料替代率對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig. 4 Effect of plastic substitution rate on splitting tensile strength of concrete

圖5 塑料改性混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系Fig. 5 Relationship between strength and splitting tensile strength of plastic modified concrete

2.5 彈性模量

PE 塑料改性混凝土的彈性模量如圖6 所示。從圖6可以看出，PE 塑料改性混凝土彈性模量與PE 塑料替代率呈負(fù)相關(guān)。彈性模量降低的主要是由于PE 塑料替代量增加導(dǎo)致的，因?yàn)樗芰项w粒的彈性模量遠(yuǎn)低于天然砂的，再生塑料可模擬為混凝土基質(zhì)中的孔隙，有助于降低骨料對(duì)外部荷載的阻力［18］。

圖6 塑料替代率對(duì)混凝土彈性模量的影響Fig. 6 Effect of the replacement rate of plastic on the elastic modulus of concrete

2.6 荷載- 位移曲線

圖7 為PE 塑料改性混凝土的荷載- 位移曲線。從圖7 可以看出，隨著PE 塑料替代率增加，峰值荷載大小逐漸降低，峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移逐漸增大，即混凝土的韌性逐漸增大，抵抗變形的能力逐漸增強(qiáng)。峰值荷載降低和韌性增強(qiáng)的原因主要是，再生塑料的存在類似于裂紋頂部的空洞可以降低第一個(gè)裂紋的尖端銳度，從而導(dǎo)致應(yīng)力松弛，并最終減緩第一個(gè)微裂紋的擴(kuò)展［19］。

圖7 塑料改性混凝土荷載- 位移曲線Fig. 7 Load displacement curve of plastic modified concrete

2.7 微觀分析

圖8 為30% 和70%PE 塑料摻量的改性混凝土微觀結(jié)構(gòu)圖。從圖8 可以看出，隨著PE 塑料摻量的增加，塑料與水泥砂漿的界面過(guò)渡區(qū)變得更寬更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致塑料與水泥基質(zhì)之間的粘結(jié)力降低，最終導(dǎo)致改性混凝土的宏觀物理力學(xué)特性的劣化。同時(shí)，在圖中還可以看到有許多氣泡，且氣泡的數(shù)量和深度隨著再生塑料摻量的增加而增大，這也是PE 塑料改性混凝土強(qiáng)度降低的一大原因。

圖8 不同PE 塑料摻量改性混凝土微觀結(jié)構(gòu)圖Fig. 8 Microstructural diagram of concrete modified with different PE plastic dosage

3 結(jié)論

（1）隨著再生塑料替代量的增加，PE 塑料改性混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均逐漸降低，主要是由于塑料與周圍水泥漿體粘結(jié)性較差，加載過(guò)程中，材料內(nèi)部易產(chǎn)生裂紋并快速擴(kuò)展。

（2）隨著塑料顆粒含量的增加，PE 塑料改性混凝土的表觀密度逐漸減小，吸水性逐漸增大，原因是塑料密度遠(yuǎn)小于天然骨料密度，且改性混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多氣泡和較寬界面過(guò)渡區(qū)。

（3）荷載- 位移曲線表明塑料改性混凝土韌性有所增長(zhǎng)，抗變形能力更強(qiáng)。

（4）微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果表明PE 塑料改性混凝土基礎(chǔ)物理力學(xué)特性改性機(jī)理，為塑料在工程材料中的應(yīng)用提供理論支撐。