再生塑料輕質混凝土在建筑工程中的應用研究

劉江榮，顏育仁

(1 杭州蕭山建筑設計研究有限公司，浙江杭州 310000；2 上宸工程設計集團有限公司，浙江杭州 310000)

近年來，由于塑料制品的大量生產，導致由塑料產生的白色污染越來越嚴重［1］。從1950年大量使用塑料以來，至2018年全世界的塑料總消耗量達到了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］，但塑料垃圾也對我們的日常生活環境造成了嚴重威脅［4-5］，塑料垃圾的主要威脅來自它不易被分解［6］，隨著時間的增長，廢塑料垃圾會逐漸增多，對自然環境的影響將更加惡劣。因此，如何將廢舊塑料進行回收利用，將是一個意義重大的研究。

廢棄塑料利用得當，也是能作為一種再生資源進行使用［7］。目前對廢塑料常用的處置方式包含掩埋、焚燒、降解技術等，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］。而近年來有學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骨料［9-10］。PE塑料改性混凝土有很多優點，如彈性好、保溫隔熱好和抗滲性好等［11-13］，因此以廢舊塑料生產建材制品，具有較強的可操作性［14-15］。現在全球進入飛速發展的階段，基礎設施建設都離不開混凝土結構，這將導致混凝土無論是生產上還是在使用上，其產量和用量都是巨大的，用塑料代替部分沙子對于廢塑料的回收起到巨大的作用，同時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

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

表1 水泥參數Table 1 Cement parameters

表2 粗細骨料參數Table 2 Coarse and fine aggregate parameters

表3 PE塑料參數Table 3 Parameters of PE plastic

表4 KH560硅烷偶聯劑參數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的砂子，重量替代率分別為0、10%、20%、30%、50%和70%。硅烷偶聯劑按照塑料重量的0.8%加入。混凝土具體配比見表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，試樣拌制過程中各材料的均勻混合主要依靠HJW-30型臥式攪拌機，試樣配制首先進行稱量，隨后將各材料加入攪拌機中，加入的順序為石子、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中的時間控制在2min以內，所有材料加入完成后繼續拌和2min，最后將拌合物倒出并人工拌和1～2 min，進行測試和試件成型。

1.4 測試方法

本試驗采用立方體試件，試件尺寸為100mm×100mm×100mm，同一齡期為一組，每組三個試樣同時制作并在同等條件下進行養護。再生混凝土表觀密度通過測量質量和體積來確定，吸水性通過測量質量變化來確定，力學性能指標包含強度和劈裂抗拉強度。壓力機采用200t單軸壓力機，強度和劈裂抗拉強度測試加載速率分別為4kN/s和 0.4kN/s。

2 結果和討論

2.1 表觀密度

再生塑料替代率與混凝土表觀密度的關系如圖1所示。結果表明：隨著摻量從0到70%的增加，混凝土的表觀密度呈現單調遞減的趨勢，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致。通過表觀密度的下降趨勢也可以看出，隨著塑料顆粒的增加，普通混凝土逐漸轉變為輕骨料混凝土。

圖1 塑料替代率對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混凝土吸水率的影響如圖2所示。在混凝土養護3天和7天時，含有塑料的混凝土吸水率均小于普通混凝土。在混凝土養護28天時，含有20%～70%的PE塑料改性混凝土吸水量己經超過普通混凝土，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，混凝土內部的弱結構面增多，早期吸水慢，后期吸水量增大。

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

2.3 抗壓強度

PE塑料改性混凝土抗壓強度隨替代率的變化規律如圖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度均隨著替代率的增加而遞減，這些結果與文獻報道基本一致［16］。其中，PE塑料改性混凝土的早期強度較弱，而混凝土7d與28d抗壓強度差距逐漸縮小，含有再生塑料顆粒的混凝土7d早期強度與28d強度差距很小，提升空間不大，該結果與前人的文獻結果基本一致［17］。隨著塑料顆粒含量的增加，抗壓強度降低的原因有兩個：第一，由于塑料顆粒比周圍的水泥漿體要弱，在加載過程中，裂紋會在基體中的塑料顆粒周圍產生并容易擴展；其次，由于塑料顆粒與漿體之間的粘結性差，軟塑料顆粒在混凝土基體中表現為孔隙結構。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度要求。

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

2.4 劈裂抗拉強度

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

圖4 塑料替代率對混凝土劈裂抗拉強度的影響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度和劈裂抗拉強度關系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塑料替代率呈負相關。彈性模量降低的主要是由于PE塑料替代量增加導致的，因為塑料顆粒的彈性模量遠低于天然砂的，再生塑料可模擬為混凝土基質中的孔隙，有助于降低骨料對外部荷載的阻力［18］。

圖6 塑料替代率對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，峰值荷載對應的位移逐漸增大，即混凝土的韌性逐漸增大，抵抗變形的能力逐漸增強。峰值荷載降低和韌性增強的原因主要是，再生塑料的存在類似于裂紋頂部的空洞可以降低第一個裂紋的尖端銳度，從而導致應力松弛，并最終減緩第一個微裂紋的擴展［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構圖。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渡區變得更寬更長，從而導致塑料與水泥基質之間的粘結力降低，最終導致改性混凝土的宏觀物理力學特性的劣化。同時，在圖中還可以看到有許多氣泡，且氣泡的數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構圖Fig.8 Microstructural diagram of concrete modified with different PE plastic dosage

3 結論

（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度、劈裂抗拉強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性較差，加載過程中，材料內部易產生裂紋并快速擴展。

（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，原因是塑料密度遠小于天然骨料密度，且改性混凝土內部產生較多氣泡和較寬界面過渡區。

（3）荷載-位移曲線表明塑料改性混凝土韌性有所增長，抗變形能力更強。

（4）微觀結構測試結果表明PE塑料改性混凝土基礎物理力學特性改性機理，為塑料在工程材料中的應用提供理論支撐。