掺废塑料瓶碎料的水泥砂砖技术性能试验研究

林滢，聂忆华，李润瑶，陈诗琦，李臻，王康旭，吴越

（湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201）

为解决经济发展带来的大量废弃塑料制品，将废塑料回收再生应用于建筑材料中这一方法具有明显的优势。近年来国内外有少数学者尝试将不同种类的废塑料加工制作成各式各样的砖，或与水泥等材料混合，制成新型混凝土砌块，以期达到能大批量应用到房屋建筑中去[1]。水泥砂砖为脆性材料，一般其抗压强度较高，抗折强度偏低，破损时发生脆性断裂。废塑料瓶为塑性材料，具有较好的韧性和延性，加入到水泥砂砖中可有效提高水泥砂砖的抗折强度和缓解脆性破损[2]。将回收废塑料瓶碎料，掺入到普通水泥砂砖中开展试验研究，探讨废塑料瓶碎料掺量对水泥砂砖的抗压、抗折强度及抗折断裂缝深度的影响规律，为废塑料类水泥砂砖建材推广提供参考，促进废塑料材料的回收再利用，利于保护生态环境，节约社会资源。

1 试验方案

1.1 试验材料

原材料选择参照《普通混凝土小型砌块》（GB/T 8239—2014）要求。

1.1.1 废塑料：主要收集废弃矿泉水瓶、饮料瓶这2 类塑料瓶进行再生利用，废塑料瓶回收预处理工艺过程主要包括材料分选、洗涤、烘干、破碎[3]，加工为5～10 mm 的片状颗粒，如图1所示；

图1 废塑料瓶及破损后示意图

1.1.2 水泥：P.O.42.5；

1.1.3 砂：天然河砂，细砂、细度模数2.0；

1.1.4 水：自来水。

1.2 基本配合比

研究采用的水泥砂浆基准配合比如表1所示，通过单一改变废塑料瓶碎料在混合料中的体积占比，开展不同废塑料瓶碎料掺量（0%、2%、4%、6%、8%）下强度试验。技术要求参照《普通混凝土小型砌块》（GB／T 8239—2014）。

表1 废塑料水泥砂砖基准配合比

1.3 试验方法

根据基准配合比，参照《普通混凝土小型砌块》（GB/T 8239—2014）与《砌墙砖试验方法》（GB/T 2542—2012）成型、标准养护后，测试试件的抗压强度、抗折强度与抗折断裂缝深度。

试件制作及养护方法：将再生的废塑料瓶碎料与水泥、河砂倒入搅拌机预先混合，后加水搅拌均匀，其中水灰比保持0.48，废塑料瓶碎料等体积替代原料中河砂体积，再倒入尺寸为240 mm×115 mm×53 mm 的砖模中，静置24 h 凝固成型后脱模，放入混凝土标准养护箱，在温度20±2 ℃、湿度95%以上养护28 d[4]。

抗折强度测试方法：将试件平放在安装了两根下支撑棒的材料试验机底板上，两支撑棒的间距即为跨距，取200 mm，试件两端面与支撑棒的距离应相同，加压棒加压于试件中央（如图2所示），以0.1 kN/s 左右的速度均匀加荷，直至试件断裂，记录最大破坏荷载P。试验每块试件的抗折强度（Rc）按式（1）计算[5]。

图2 强度试验示意图

式中：Rc—抗折强度，MPa；P—最大破坏荷载，N；L—跨距，mm；B—试件宽度，mm；H—试件高度，mm。

抗折试验结束后试件并未完全断裂，而是在试件中部沿高度方向上产生一条裂缝，如图3所示。试验后用钢直尺测量两侧裂纹最大深度，取平均值即为抗折断裂缝深度。

图3 废塑料掺量4%的抗折断裂缝

抗压强度测试方法：将抗折试验后的试件沿裂缝分为两半截砖，两半截砖切断口相反叠放，叠合部分不得小于100 mm，得到抗压强度试验试件。测量每个试件长、宽尺寸，取其平均值。将试件平放在压力试验机的加压板的中央，垂直于受压面加荷，加荷速度以5 kN/s 左右，直至试件破坏为止，记录最大破坏荷载P。每块试样的抗压强度（Rp）按式（2）计算[5]。

式中：Rp—抗压强度，MPa；P—最大破坏荷载，N；L—受压面（连接面）的长度，mm；B—受压面（连接面）的宽度，mm。

2 试验结果及规律

2.1 抗压强度

图4给出了抗压强度随废塑料瓶碎料掺量的变化规律。由图4a 可知，随废塑料掺量增加，水泥砂砖7 d、28 d 抗压强度呈抛物线先增后降，约在4%达到最大值，抗压强度增幅9.5%；由图4b 可知，掺了废塑料的水泥砂砖7 d 抗压强度与28 d 抗压强度的比值变小，表明废塑料的加入对水泥砂砖的早期抗压强度有所影响。

图4 抗压强度随塑料掺量的变化规律

2.2 抗折强度

图5给出了抗折强度随废塑料瓶碎料掺量的变化规律。由图5a 可知，随废塑料掺量增加，水泥砂砖7 d、28 d 抗折强度呈抛物线先增后降，约在4%达到最大值，抗折强度增幅12.7%；由图5b 可知，掺了废塑料的水泥砂砖7 d 抗折强度与28 d 抗折强度的比值变小，表明废塑料的加入对水泥砂砖的早期抗折强度有所影响，该影响小于对早期抗压强度的影响。

图5 抗折强度随塑料掺量的变化规律

2.3 抗折断裂缝深度

图6给出了抗折断裂缝深度随废塑料瓶碎料掺量的变化规律。由图6可知，随废塑料掺量增加，水泥砂砖7 d、28 d 抗折断裂缝深度呈抛物线先减后增，约在4%达到最小值，出现未完全脆性折断现象，表明废塑料瓶碎料加入增加水泥砂砖的韧性。

图6 抗折断裂缝深度随塑料掺量的变化规律

3 结论

3.1 随废塑料掺量增加，水泥砂砖7 d、28 d 抗压强度呈抛物线先增后降，掺量约4%时达到最高，增幅9.5%；掺了废塑料的砂砖7 d/28 d 抗压强度比值变小。

3.2 随废塑料掺量增加，水泥砂砖7 d、28 d 抗折强度呈抛物线先增后降，掺量为4%时达到最高，增幅12.7%；掺了废塑料的水泥砂砖7 d/28 d 抗折强度比值变小。

3.3 随废塑料掺量增加，水泥砂砖7 d、28 d 抗折断裂缝深度呈抛物线先减后增，约在4%达到最小值，未完全脆性折断，增加了水泥砂砖的韧性。

综合可知，掺4%废塑料瓶碎料等体积替代混合料中的河砂，可以有效提高废塑料再生水泥砂砖的抗压、抗折强度，且增加了水泥砂砖的韧性，不再脆性折断。