再生塑料顆粒在混凝土中的應用研究

曹雁峰,曾 力(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

塑料混凝土已經在建筑、道路和軍事等多個工程領域投入應用，但作為一種新型建筑材料，針對它的性能研究仍處于初級階段，其中有很多性能也需進一步改善。本文主要對塑料混凝土的基本性能進行綜述，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方法，分析改性塑料顆粒對于改善塑料混凝土性能的可行性，以期為相關研究和工程應用提供借鑒。

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，結果發現 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。這是因為此試驗中使用的 EPS 塑料顆粒具有封閉的表面結構，吸水率基本為零，所以塑料摻入量幾乎不會對 EPS 混凝土坍落度產生影響。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，發現各組 PET 混凝土的坍落度都比參照混凝土小。這主要是因為塑料顆粒表面粗糙尖銳，降低了 PET 混凝土的流動性。又因為混摻兩種粒徑 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，塑料顆粒會對混凝土的工作性能產生不利影響，但這種負作用可通過優化塑料顆粒的表面形態和級配得到補償。

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]發現 EPS 塑料混凝土的密度隨著集料替代率的提高呈現線性下降。而 Fahad[3]通過加入紅砂填料制備出級配良好的塑料基集料 RP2F1C，分別等體積替代 25%、50%、75% 和 100% 輕質火山灰粗集料 LWA。結果表明：RP2F1C 混凝土的濕密度和硬化密度都沒有明顯變化，其中硬化密度低于或稍高于 ASTMC 330/C 330m 規定的密度上限(1804 kg/m3)。說明完全由 RP2F1C 作為粗集料的混凝土也可以滿足輕質結構的應用要求，這一點具有重要的經濟價值。

1.3 力學性能

1.3.1 抗壓強度

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不同粒徑 PS (聚苯乙烯)和 EPS 顆粒對塑料混凝土抗壓強度的影響。結果發現：EPS 混凝土的抗壓強度會隨著塑料顆粒粒徑的減小而增大，而且混凝土密度較小時，這種粒徑影響更加顯著。這是因為低密度混凝土中塑料含量更多，強度更低，小粒徑顆粒的填充效應更有利于塑料混凝土強度。當保持 PS 和 EPS 粒徑相等時，由于 PS 的彈性模量比 EPS 大，所以 PS 混凝土的抗壓強度要比 EPS 混凝土高出約 70%，并且 EPS 混凝土發生了塑性受壓破壞，PS 混凝土發生了脆性受壓破壞。梁炯豐[5]也發現 PP 顆粒等體積替代細集料可以提高混凝土的延性。由此可見，小粒徑、高彈模的塑料顆粒更有利于塑料混凝土強度。西南交大龔婉婷[6]發現同等摻量下，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，這種表面效應越明顯。說明在該試驗中，表面粗糙的 ABS/PC 顆粒更有利于與水泥黏結。Fahad[3]的結果發現 RP2F1C 混凝土 28d 抗壓強度在 12～26.9 MPa，較對照組的強度 31.7 MPa 降低了 15%～62%，且只有塑料替代率 25% 的組別同時滿足ASTMC 330/C 330m 中對混凝土密度和抗壓強度的要求，即 RP2F1C 25 混凝土可應用于中等強度輕質結構中。

多數試驗發現，塑料集料會降低混凝土抗壓強度，原因主要有以下幾點：塑料顆粒的抗壓強度本身就小；塑料與水泥基體的剛度差異導致塑料顆粒表面的早期裂紋發展迅速；塑料顆粒和水泥基體界面黏結薄弱；塑料顆粒表面限制了水化反應的充分進行。

1.3.2 劈裂抗拉強度

Babu[4]發現 EPS 混凝土的劈裂抗拉強度隨著塑料顆粒粒徑的減小而增大。當含有彈性模量較小的 EPS 集料時，塑料混凝土試件在劈裂抗拉試驗中不會發生脆性破壞，且 EPS 含量越多，塑性破壞的特征越明顯；當含有彈性模量較大的 PS集料時，塑料混凝土試件與參照混凝土一樣會在劈裂抗拉試驗中發生脆性破壞。由此可見，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]發現 PVC 混凝土的劈裂抗拉強度會隨著塑料摻入量的增加不斷減小, 且它的抗拉強度和抗壓強度呈現很好的線性正相關。楊樹桐[8]發現 PP(聚丙烯)混凝土的劈裂抗拉強度在塑料摻入量＜ 5% 時基本不變，在≥ 5% 后呈現明顯下降趨勢。由此可見，塑料混凝土劈裂抗拉強度隨塑料摻入量的變化規律會因塑料顆粒的不同而不同。

1.3.3 抗折強度

Ashwin[9]針對電子產品塑料集料的試驗發現，塑料混凝土的抗折強度比參照混凝土低，且隨著塑料摻入量的增加不斷減小。楊樹桐[8]則發現 PP 混凝土的抗折強度比參照混凝土高，當 PP 塑料摻入量從 0 增加到 15% 時，混凝土的抗折強度先增大后減小，只是變化幅度不大。龔婉婷[6]針對 ABS/PC 混凝土的試驗結果發現，粗糙的 ABS/PC 更能改善塑料混凝土的抗折性能。由此可見，塑料混凝土抗折強度與塑料顆粒的種類、表面形態和摻入量密切相關。

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。幾乎所有試驗結果都證實了這一點。Babu[4]還發現當用EPS 替代 16.3% ～ 66.5% 的粗集料時，塑料混凝土彈性模量會隨著材料強度的增大而增大。

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，發現除了密度低于 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于塑料顆粒的憎水特性。Albano[2]發現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 Porrero[12]解釋，產生這種情況的原因有以下兩個：一是加工的塑料顆粒往往細長扁平，導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、粒徑和摻入量等因素做進一步研究。

1.5 干縮性

Tang[1]以 500d 作干縮測試齡期，研究不同初始水養護時間下，塑料摻量對 EPS 混凝土干縮率的影響。結果表明：EPS 混凝土的干縮率隨時間逐漸減小，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，延長初始水養護時間能有效降低 EPS 混凝土的干縮率。 Kou[7]則發現 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 顆粒對砂子的體積替代率為5%，其他同理)。據 Kou 解釋， PVC 塑料顆粒不透水也不吸水，因而自身不會收縮，塑料混凝土整體收縮也會減小。綜上可知，可以從塑料顆粒透水性和養護條件兩方面控制塑料混凝土產生干縮裂縫。

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)℃、轉速為 30 ～ 50 r/min 的混合器中，20 s 后，加入粒化高爐礦渣粉，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，結果發現：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，對比 Albano[2]的試驗結果可知，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、抗壓強度和劈裂抗拉強度仍會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。這主要是因為改性 PET 顆粒表面的高爐礦渣粉會與水泥水化產物發生反應，不僅生成更多的C-S-H，且會消耗氫氧化鈣晶體，從而增強了界面強度。

Choi[14]通過相似方法用河砂磨細粉包裹 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部結構不僅孔隙率高，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，結果發現同一水灰比下，改性 PET 混凝土的工作性能顯著提高。Choi 發現當集料替代率為 25% 時，改性 PET 混凝土的強度比與參照混凝土類似，尤其在水灰比為 0.49 時，前者強度比超過后者。由此可見，改性 PET 塑料集料的最佳替代率為 25%。Choi 還發現改性 PET 混凝土的抗折強度會隨抗壓強度的增大而增大，變化范圍介于參照混凝土與普通輕質混凝土之間。由上可知，用具有化學活性的粉末包裹 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度，直接做集料摻入混凝土必然會導致后者強度大幅降低。為了解決這個問題，研究者嘗試用直接加熱法提高塑料顆粒的自身強度。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、無深孔、吸水率低，雖然不能與水泥基體發生反應，但可以在一定程度上改善 EPS 混凝土的性能。當用改性 EPS 塑料顆粒等體積替代 0、25%、50%、100% 的砂石集料時，測得塑料混凝土 28d 抗壓強度在 12.58 ～ 23.34 MPa 之間，完全滿足非承重結構輕質混凝土的強度要求。而且改性EPS 顆粒還能提高塑料混凝土的抗凍性。

2.2 化學改性

化學預處理就是利用化學試劑浸泡或者光線照射等方法改變塑料的分子結構，使塑料能夠和膠凝材料發生反應，從而增強界面黏結強度。早在 1996 年，Naik[17]為了提高塑料顆粒與水泥基體的界面黏結，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，雖然處理結果不理想，但為化學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構，通過 SEM 觀察發現，處理后的 PE 塑料與水化硅酸鈣黏結更加緊密。西南交大王磊[19]利用硅烷偶聯劑能夠實現有機與無機材料界面化學鍵合的特性，選取不同濃度的硅烷偶聯劑處理 ABS/PC 塑料顆粒。結果發現硅烷偶聯劑可以改善 ABS/PC 混凝土的力學性能，且這種影響會隨著塑料顆粒摻量的增加而增強。

3 結 語

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采，兼具經濟效益、環境效益和生態效益。塑料混凝土具有良好的變形能力，可以用在多種結構構件中，如護墻板、幕墻、復合地板系統；路面和鐵路軌道床基層；海洋結構物、海床和海柵欄；軍事結構防護的能量吸收材料等等[20-21]。雖然塑料混凝土已經在工程實際中有所應用，但也必須正視和解決塑料顆粒對混凝土性能的危害。因此，了解不同因素對塑料混凝土性能的作用規律尤為重要。盡管已有許多文獻對此展開了研究，但仍不完善，未來的研究工作有必要從以下幾個方面開展。

(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材料。

(2)塑料集料對混凝土力學性能的影響機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性能，界面效應和相互影響規律。

(3)包裹活性物質的物理改性和化學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是一個很有意義的研究課題。