再生塑料颗粒在混凝土中的应用研究

曹雁峰,曾 力(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

塑料混凝土已经在建筑、道路和军事等多个工程领域投入应用，但作为一种新型建筑材料，针对它的性能研究仍处于初级阶段，其中有很多性能也需进一步改善。本文主要对塑料混凝土的基本性能进行综述，着重探讨影响塑料混凝土性能的因素，介绍改性塑料颗粒的物理与化学方法，分析改性塑料颗粒对于改善塑料混凝土性能的可行性，以期为相关研究和工程应用提供借鉴。

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 的均匀球形颗粒，为了解决塑料集料在混凝土拌和物中的离析问题，他在塑料颗粒外表涂了一层由 BST 有限公司提供的化合物。用 EPS 塑料颗粒分别替代 0、20%、40%、60% 和80% 的砂石集料，结果发现 EPS 混凝土与参照混凝土(塑料集料替代率 0)有相近的坍落度值。这是因为此试验中使用的 EPS 塑料颗粒具有封闭的表面结构，吸水率基本为零，所以塑料掺入量几乎不会对 EPS 混凝土坍落度产生影响。Albano[2]把 PET(苯二甲酸乙二酯)瓶加工成粒径为 2.6 mm和 11.4 mm 的塑料颗粒，当分别以 10% 和 20% 的比率单掺一种粒径 PET 颗粒和 50 : 50 混掺两种粒径 PET 颗粒时，发现各组 PET 混凝土的坍落度都比参照混凝土小。这主要是因为塑料颗粒表面粗糙尖锐，降低了 PET 混凝土的流动性。又因为混掺两种粒径 PET 颗粒能让塑料在混凝土中分布更加均匀，所以混掺要比单掺的塑料混凝土坍落度大。由此可见，塑料颗粒会对混凝土的工作性能产生不利影响，但这种负作用可通过优化塑料颗粒的表面形态和级配得到补偿。

1.2 密 度

塑料密度较砂石集料小得多，一般在 800～2300 kg/m3。因而相同水灰比下，塑料混凝土密度都比参照混凝土低。Tang[1]发现 EPS 塑料混凝土的密度随着集料替代率的提高呈现线性下降。而 Fahad[3]通过加入红砂填料制备出级配良好的塑料基集料 RP2F1C，分别等体积替代 25%、50%、75% 和 100% 轻质火山灰粗集料 LWA。结果表明：RP2F1C 混凝土的湿密度和硬化密度都没有明显变化，其中硬化密度低于或稍高于 ASTMC 330/C 330m 规定的密度上限(1804 kg/m3)。说明完全由 RP2F1C 作为粗集料的混凝土也可以满足轻质结构的应用要求，这一点具有重要的经济价值。

1.3 力学性能

1.3.1 抗压强度

Babu[4]在控制混凝土水灰比和密度一致的条件下，分别研究相同塑料掺入量时不同粒径 PS (聚苯乙烯)和 EPS 颗粒对塑料混凝土抗压强度的影响。结果发现：EPS 混凝土的抗压强度会随着塑料颗粒粒径的减小而增大，而且混凝土密度较小时，这种粒径影响更加显著。这是因为低密度混凝土中塑料含量更多，强度更低，小粒径颗粒的填充效应更有利于塑料混凝土强度。当保持 PS 和 EPS 粒径相等时，由于 PS 的弹性模量比 EPS 大，所以 PS 混凝土的抗压强度要比 EPS 混凝土高出约 70%，并且 EPS 混凝土发生了塑性受压破坏，PS 混凝土发生了脆性受压破坏。梁炯丰[5]也发现 PP 颗粒等体积替代细集料可以提高混凝土的延性。由此可见，小粒径、高弹模的塑料颗粒更有利于塑料混凝土强度。西南交大龚婉婷[6]发现同等掺量下，粗糙 ABS/PC(苯乙烯/聚碳酸酯)塑料混凝土的的抗压强度比光滑组提高约 2.56%～27.48%，且塑料掺量越大，这种表面效应越明显。说明在该试验中，表面粗糙的 ABS/PC 颗粒更有利于与水泥黏结。Fahad[3]的结果发现 RP2F1C 混凝土 28d 抗压强度在 12～26.9 MPa，较对照组的强度 31.7 MPa 降低了 15%～62%，且只有塑料替代率 25% 的组别同时满足ASTMC 330/C 330m 中对混凝土密度和抗压强度的要求，即 RP2F1C 25 混凝土可应用于中等强度轻质结构中。

多数试验发现，塑料集料会降低混凝土抗压强度，原因主要有以下几点：塑料颗粒的抗压强度本身就小；塑料与水泥基体的刚度差异导致塑料颗粒表面的早期裂纹发展迅速；塑料颗粒和水泥基体界面黏结薄弱；塑料颗粒表面限制了水化反应的充分进行。

1.3.2 劈裂抗拉强度

Babu[4]发现 EPS 混凝土的劈裂抗拉强度随着塑料颗粒粒径的减小而增大。当含有弹性模量较小的 EPS 集料时，塑料混凝土试件在劈裂抗拉试验中不会发生脆性破坏，且 EPS 含量越多，塑性破坏的特征越明显；当含有弹性模量较大的 PS集料时，塑料混凝土试件与参照混凝土一样会在劈裂抗拉试验中发生脆性破坏。由此可见，小粒径、低弹模的塑料颗粒更有利于改善塑料混凝土抗拉性能。Kou[7]发现 PVC 混凝土的劈裂抗拉强度会随着塑料掺入量的增加不断减小, 且它的抗拉强度和抗压强度呈现很好的线性正相关。杨树桐[8]发现 PP(聚丙烯)混凝土的劈裂抗拉强度在塑料掺入量＜ 5% 时基本不变，在≥ 5% 后呈现明显下降趋势。由此可见，塑料混凝土劈裂抗拉强度随塑料掺入量的变化规律会因塑料颗粒的不同而不同。

1.3.3 抗折强度

Ashwin[9]针对电子产品塑料集料的试验发现，塑料混凝土的抗折强度比参照混凝土低，且随着塑料掺入量的增加不断减小。杨树桐[8]则发现 PP 混凝土的抗折强度比参照混凝土高，当 PP 塑料掺入量从 0 增加到 15% 时，混凝土的抗折强度先增大后减小，只是变化幅度不大。龚婉婷[6]针对 ABS/PC 混凝土的试验结果发现，粗糙的 ABS/PC 更能改善塑料混凝土的抗折性能。由此可见，塑料混凝土抗折强度与塑料颗粒的种类、表面形态和掺入量密切相关。

1.3.4 弹性模量

塑料颗粒的弹性模量比普通砂石低得多，一般为1800～2400 MPa[10]。因而相同水灰比下，塑料混凝土的弹性模量比参照混凝土低，并随着塑料掺入量的增大不断降低。几乎所有试验结果都证实了这一点。Babu[4]还发现当用EPS 替代 16.3% ～ 66.5% 的粗集料时，塑料混凝土弹性模量会随着材料强度的增大而增大。

1.4 吸水性

Babu[11]研究分别掺入 EPS 颗粒和 PS 颗粒的两种塑料混凝土的吸水性，发现除了密度低于 1000 kg/m3的 EPS混凝土外，其余塑料混凝土的吸水率都比参照混凝土低。Babu 把塑料混凝土吸水性降低的原因归结于塑料颗粒的憎水特性。Albano[2]发现在水灰比一致的条件下，掺入 20%PET 集料的混凝土要比掺入 10% PET 集料的混凝土吸水率高，而且塑料颗粒粒径越大，PET 混凝土的吸水率也越高。根据 Porrero[12]解释，产生这种情况的原因有以下两个：一是加工的塑料颗粒往往细长扁平，导致混凝土中孔隙增多；二是塑料颗粒与胶凝材料的黏接薄弱。为了制得满足工程耐久性要求的塑料混凝土，需要综合塑料种类、粒径和掺入量等因素做进一步研究。

1.5 干缩性

Tang[1]以 500d 作干缩测试龄期，研究不同初始水养护时间下，塑料掺量对 EPS 混凝土干缩率的影响。结果表明：EPS 混凝土的干缩率随时间逐渐减小，只是在水化早期， EPS 混凝土的干缩率与参照混凝土明显不同，在水化后期，二者没有明显差别。由于光滑低弹的塑料颗粒不足以限制水泥浆体收缩，所以塑料掺量越多，EPS 混凝土的干缩率越大，且越在早期，塑料掺量的影响越显著。然而，延长初始水养护时间能有效降低 EPS 混凝土的干缩率。 Kou[7]则发现 PVC 混凝土成型 112d 后，P 5、P 15、P 30 和 P 45的干缩率相比参照混凝土 P 0 分别减小 18.1%、31.6%、48.75 % 和 72.2% (P 5指 PVC 颗粒对砂子的体积替代率为5%，其他同理)。据 Kou 解释， PVC 塑料颗粒不透水也不吸水，因而自身不会收缩，塑料混凝土整体收缩也会减小。综上可知，可以从塑料颗粒透水性和养护条件两方面控制塑料混凝土产生干缩裂缝。

2 改性塑料颗粒

2.1 物理改性

Choi[13]将粒径5～15mm 的 PET 塑料颗粒加入到温度为(250±10)℃、转速为 30 ～ 50 r/min 的混合器中，20 s 后，加入粒化高炉矿渣粉，由此加工出的塑料颗粒近乎球形，且表面涂有一层矿渣粉。用改性 PET 颗粒分别替代 0、25%、50% 和 75% 的集料，结果发现：同一水灰比下，改性 PET 混凝土的坍落度随着集料替代率的增大而增大，对比 Albano[2]的试验结果可知，光滑球状的 PET 颗粒能够改善塑料混凝土的工作性能。虽然改性 PET 混凝土的弹性模量、抗压强度和劈裂抗拉强度仍会随着集料替代率的增加而减小，但减小速率明显比普通 PET 混凝土缓慢。这主要是因为改性 PET 颗粒表面的高炉矿渣粉会与水泥水化产物发生反应，不仅生成更多的C-S-H，且会消耗氢氧化钙晶体，从而增强了界面强度。

Choi[14]通过相似方法用河砂磨细粉包裹 PET 塑料，得到一批表面光滑的球形颗粒。改性 PET 颗粒与普通塑料颗粒最大的差别就在于它的内部结构不仅孔隙率高，而且被晶体包裹。用改性 PET 塑料颗粒分别替代 0、25%、50% 和 75% 的集料，结果发现同一水灰比下，改性 PET 混凝土的工作性能显著提高。Choi 发现当集料替代率为 25% 时，改性 PET 混凝土的强度比与参照混凝土类似，尤其在水灰比为 0.49 时，前者强度比超过后者。由此可见，改性 PET 塑料集料的最佳替代率为 25%。Choi 还发现改性 PET 混凝土的抗折强度会随抗压强度的增大而增大，变化范围介于参照混凝土与普通轻质混凝土之间。由上可知，用具有化学活性的粉末包裹 PET 颗粒，可以在一定程度上改善塑料混凝土性能。

有些塑料几乎不具备抗压强度，直接做集料掺入混凝土必然会导致后者强度大幅降低。为了解决这个问题，研究者尝试用直接加热法提高塑料颗粒的自身强度。Kan[15-16]加热EPS 颗粒( 130 ℃ 下加热 30 min 效果最佳)，使它的体积减小 20 倍，密度从 10 kg/m3提高到 217 kg/m3，抗压强度从0.12 MPa 提高到 8.29 MPa。改性 EPS 颗粒表面与天然集料相似，硬度高、无深孔、吸水率低，虽然不能与水泥基体发生反应，但可以在一定程度上改善 EPS 混凝土的性能。当用改性 EPS 塑料颗粒等体积替代 0、25%、50%、100% 的砂石集料时，测得塑料混凝土 28d 抗压强度在 12.58 ～ 23.34 MPa 之间，完全满足非承重结构轻质混凝土的强度要求。而且改性EPS 颗粒还能提高塑料混凝土的抗冻性。

2.2 化学改性

化学预处理就是利用化学试剂浸泡或者光线照射等方法改变塑料的分子结构，使塑料能够和胶凝材料发生反应，从而增强界面黏结强度。早在 1996 年，Naik[17]为了提高塑料颗粒与水泥基体的界面黏结，就尝试用水、漂白剂(5%HOCl)、漂白剂(5% HOCl)+氢氧化钠溶液3种试剂处理高密度 PE(聚乙烯)塑料，虽然处理结果不理想，但为化学改性塑料混凝土提供了一种思路。KO[18]将 PE 塑料用丙酮清洗烘干之后，进行 PAM (丙烯酰胺)移植，然后再用紫外线照射以改变聚合物的分子结构，通过 SEM 观察发现，处理后的 PE 塑料与水化硅酸钙黏结更加紧密。西南交大王磊[19]利用硅烷偶联剂能够实现有机与无机材料界面化学键合的特性，选取不同浓度的硅烷偶联剂处理 ABS/PC 塑料颗粒。结果发现硅烷偶联剂可以改善 ABS/PC 混凝土的力学性能，且这种影响会随着塑料颗粒掺量的增加而增强。

3 结 语

塑料颗粒掺入混凝土，不仅使废弃塑料得以处理，而且减少了砂石集料的开采，兼具经济效益、环境效益和生态效益。塑料混凝土具有良好的变形能力，可以用在多种结构构件中，如护墙板、幕墙、复合地板系统；路面和铁路轨道床基层；海洋结构物、海床和海栅栏；军事结构防护的能量吸收材料等等[20-21]。虽然塑料混凝土已经在工程实际中有所应用，但也必须正视和解决塑料颗粒对混凝土性能的危害。因此，了解不同因素对塑料混凝土性能的作用规律尤为重要。尽管已有许多文献对此展开了研究，但仍不完善，未来的研究工作有必要从以下几个方面开展。

(1)已有研究表明，加入塑料纤维和硅粉能够明显改善塑料混凝土的性能，可考虑在塑料混凝土中掺入此类材料。

(2)塑料集料对混凝土力学性能的影响机理多停留在宏观层面，尚不明确，有必要从微观尺度分析塑料与水泥基体的黏结性能，界面效应和相互影响规律。

(3)包裹活性物质的物理改性和化学试剂处理为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为有效成分参与水化反应是一个很有意义的研究课题。