摻廢塑料瓶碎料的水泥砂磚技術性能試驗研究

林瀅，聶憶華，李潤瑤，陳詩琦，李臻，王康旭，吳越

（湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭 411201）

為解決經濟發(fā)展帶來的大量廢棄塑料制品，將廢塑料回收再生應用于建筑材料中這一方法具有明顯的優(yōu)勢。近年來國內外有少數學者嘗試將不同種類的廢塑料加工制作成各式各樣的磚，或與水泥等材料混合，制成新型混凝土砌塊，以期達到能大批量應用到房屋建筑中去[1]。水泥砂磚為脆性材料，一般其抗壓強度較高，抗折強度偏低，破損時發(fā)生脆性斷裂。廢塑料瓶為塑性材料，具有較好的韌性和延性，加入到水泥砂磚中可有效提高水泥砂磚的抗折強度和緩解脆性破損[2]。將回收廢塑料瓶碎料，摻入到普通水泥砂磚中開展試驗研究，探討廢塑料瓶碎料摻量對水泥砂磚的抗壓、抗折強度及抗折斷裂縫深度的影響規(guī)律，為廢塑料類水泥砂磚建材推廣提供參考，促進廢塑料材料的回收再利用，利于保護生態(tài)環(huán)境，節(jié)約社會資源。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

原材料選擇參照《普通混凝土小型砌塊》（GB/T 8239—2014）要求。

1.1.1 廢塑料：主要收集廢棄礦泉水瓶、飲料瓶這2 類塑料瓶進行再生利用，廢塑料瓶回收預處理工藝過程主要包括材料分選、洗滌、烘干、破碎[3]，加工為5～10 mm 的片狀顆粒，如圖1所示；

圖1 廢塑料瓶及破損后示意圖

1.1.2 水泥：P.O.42.5；

1.1.3 砂：天然河砂，細砂、細度模數2.0；

1.1.4 水：自來水。

1.2 基本配合比

研究采用的水泥砂漿基準配合比如表1所示，通過單一改變廢塑料瓶碎料在混合料中的體積占比，開展不同廢塑料瓶碎料摻量（0%、2%、4%、6%、8%）下強度試驗。技術要求參照《普通混凝土小型砌塊》（GB／T 8239—2014）。

表1 廢塑料水泥砂磚基準配合比

1.3 試驗方法

根據基準配合比，參照《普通混凝土小型砌塊》（GB/T 8239—2014）與《砌墻磚試驗方法》（GB/T 2542—2012）成型、標準養(yǎng)護后，測試試件的抗壓強度、抗折強度與抗折斷裂縫深度。

試件制作及養(yǎng)護方法：將再生的廢塑料瓶碎料與水泥、河砂倒入攪拌機預先混合，后加水攪拌均勻，其中水灰比保持0.48，廢塑料瓶碎料等體積替代原料中河砂體積，再倒入尺寸為240 mm×115 mm×53 mm 的磚模中，靜置24 h 凝固成型后脫模，放入混凝土標準養(yǎng)護箱，在溫度20±2 ℃、濕度95%以上養(yǎng)護28 d[4]。

抗折強度測試方法：將試件平放在安裝了兩根下支撐棒的材料試驗機底板上，兩支撐棒的間距即為跨距，取200 mm，試件兩端面與支撐棒的距離應相同，加壓棒加壓于試件中央（如圖2所示），以0.1 kN/s 左右的速度均勻加荷，直至試件斷裂，記錄最大破壞荷載P。試驗每塊試件的抗折強度（Rc）按式（1）計算[5]。

圖2 強度試驗示意圖

式中：Rc—抗折強度，MPa；P—最大破壞荷載，N；L—跨距，mm；B—試件寬度，mm；H—試件高度，mm。

抗折試驗結束后試件并未完全斷裂，而是在試件中部沿高度方向上產生一條裂縫，如圖3所示。試驗后用鋼直尺測量兩側裂紋最大深度，取平均值即為抗折斷裂縫深度。

圖3 廢塑料摻量4%的抗折斷裂縫

抗壓強度測試方法：將抗折試驗后的試件沿裂縫分為兩半截磚，兩半截磚切斷口相反疊放，疊合部分不得小于100 mm，得到抗壓強度試驗試件。測量每個試件長、寬尺寸，取其平均值。將試件平放在壓力試驗機的加壓板的中央，垂直于受壓面加荷，加荷速度以5 kN/s 左右，直至試件破壞為止，記錄最大破壞荷載P。每塊試樣的抗壓強度（Rp）按式（2）計算[5]。

式中：Rp—抗壓強度，MPa；P—最大破壞荷載，N；L—受壓面（連接面）的長度，mm；B—受壓面（連接面）的寬度，mm。

2 試驗結果及規(guī)律

2.1 抗壓強度

圖4給出了抗壓強度隨廢塑料瓶碎料摻量的變化規(guī)律。由圖4a 可知，隨廢塑料摻量增加，水泥砂磚7 d、28 d 抗壓強度呈拋物線先增后降，約在4%達到最大值，抗壓強度增幅9.5%；由圖4b 可知，摻了廢塑料的水泥砂磚7 d 抗壓強度與28 d 抗壓強度的比值變小，表明廢塑料的加入對水泥砂磚的早期抗壓強度有所影響。

圖4 抗壓強度隨塑料摻量的變化規(guī)律

2.2 抗折強度

圖5給出了抗折強度隨廢塑料瓶碎料摻量的變化規(guī)律。由圖5a 可知，隨廢塑料摻量增加，水泥砂磚7 d、28 d 抗折強度呈拋物線先增后降，約在4%達到最大值，抗折強度增幅12.7%；由圖5b 可知，摻了廢塑料的水泥砂磚7 d 抗折強度與28 d 抗折強度的比值變小，表明廢塑料的加入對水泥砂磚的早期抗折強度有所影響，該影響小于對早期抗壓強度的影響。

圖5 抗折強度隨塑料摻量的變化規(guī)律

2.3 抗折斷裂縫深度

圖6給出了抗折斷裂縫深度隨廢塑料瓶碎料摻量的變化規(guī)律。由圖6可知，隨廢塑料摻量增加，水泥砂磚7 d、28 d 抗折斷裂縫深度呈拋物線先減后增，約在4%達到最小值，出現未完全脆性折斷現象，表明廢塑料瓶碎料加入增加水泥砂磚的韌性。

圖6 抗折斷裂縫深度隨塑料摻量的變化規(guī)律

3 結論

3.1 隨廢塑料摻量增加，水泥砂磚7 d、28 d 抗壓強度呈拋物線先增后降，摻量約4%時達到最高，增幅9.5%；摻了廢塑料的砂磚7 d/28 d 抗壓強度比值變小。

3.2 隨廢塑料摻量增加，水泥砂磚7 d、28 d 抗折強度呈拋物線先增后降，摻量為4%時達到最高，增幅12.7%；摻了廢塑料的水泥砂磚7 d/28 d 抗折強度比值變小。

3.3 隨廢塑料摻量增加，水泥砂磚7 d、28 d 抗折斷裂縫深度呈拋物線先減后增，約在4%達到最小值，未完全脆性折斷，增加了水泥砂磚的韌性。

綜合可知，摻4%廢塑料瓶碎料等體積替代混合料中的河砂，可以有效提高廢塑料再生水泥砂磚的抗壓、抗折強度，且增加了水泥砂磚的韌性，不再脆性折斷。