电子废弃物替代粗骨料制备混凝土的可行性研究

滕 冲

(兴义市水务局，贵州 兴义 562400)

0 引言

混凝土是全球使用最多的建筑材料。其优点有高抗压强度、耐久性和能够浇铸成所需形状[1]。在混凝土中，骨料占有很大的比重。城市的快速发展导致了大规模的基础设施建设，这也导致了越来越多的天然岩石被开采，造成了自然资源的严重破坏。因此，研究混凝土中天然骨料的替代品对保护自然资源有着重要的意义。废弃混凝土为再生骨料提供了潜在的资源。但仅靠拆迁得到的废弃物无法满足建造业的需求[2]，因此需要探索其他途径。

根据环境保护部门给出的数据，全球电子废弃物的产量以每年6%～10%的速度增长，其中只有5%被回收[3]。将这些电子废弃物转化为混凝土建筑的材料可以有效提高电子废弃物的回收比例。将电子废弃物替代粗骨料制备混凝土，有助于缓解废弃物造成的环境污染问题。电子废弃物的回收利用可以减少固体废物，节省能源，降低垃圾填埋成本。与天然骨料相比，电子废弃物的生产成本相对较低。电子废弃物的重量更轻，因此可以减少运输过程中的燃料消耗及其相关费用。电子废弃物替代粗骨料制备混凝土，可以最大限度地减少制造和使用过程中的搬运工作。此外，地震力取决于结构的自重，采用电子废弃物替代粗骨料可以降低混凝土的自重，从而降低地震的影响[4]。

对近期文献的回顾表明，对电子废弃物混凝土的研究主要集中在塑料骨料上，如分类、清洗、粉碎或研磨塑料垃圾[5]。然而，通过加热工艺对电子废弃物进行改性，制造出形状和尺寸与天然骨料相当的塑料骨料这一方面，目前还缺乏研究。因此，为了研究电子废弃物替代粗骨料制备混凝土的可行性，有必要探索这种新型混凝土的各种性能。本文通过对混凝土的工作性、力学性能和耐久性几个方面进行测试。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1胶凝材料

采用符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准的普通硅酸盐水泥(P.O42.5R)作为胶凝材料。水泥的主要物理特性和水泥的化学成分见表1—2。

表1 水泥主要物理特性

表2 水泥的化学成分

1.1.2天然骨料

采用当地天然河砂作为细骨料，堆积密度为1457kg/m3。采用当地的碎石灰石作为粗骨料，堆积密度为1526kg/m3，压碎值为19.72%。天然骨料的物理特性见表3，筛分析结果如图1所示。

图1 河砂、碎石灰石和塑料骨料的筛分析结果

表3 天然骨料和塑料骨料的物理特性

1.1.3电子废弃物

目前研究中使用的电子废弃物通常为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS塑料)。它是由聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物组成的不透明工程塑料。由于其强度高、韧性好、质量小、易于加工的特点，在电子设备、包装材料和汽车中得到了广泛的应用。本研究使用的电子废弃物(废弃电脑、鼠标、键盘、打印机等)是从当地市场购买的，经过4个不同的阶段将其转化为塑料骨料。

首先使用普通自来水对原始电子废弃物进行清洗，然后将其粉碎成小块。对所有破碎的电子废弃物进行筛选，去除其他相关物品，如电线、钢材等。电子废弃物碎成小块后，在窑炉中高温(200°C)熔化，然后放入水中冷却，将其转化为塑料块。最后，将塑料块粉碎后转化为塑料骨料。得到的电子废弃物骨料的最大尺寸为18.2mm，最小尺寸为4.5mm。塑料骨料的物理特性见表3，筛分析结果如图1所示。

1.2 混凝土配合比

试验配合比以JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》为依据，本研究共制备了4组混凝土，电子废弃物替代粗骨料的质量百分比分别为0%、10%、20%和30%，其中替代率为0%的混凝土为对照组。在本研究中，每组混凝土混合成分的水胶比恒定为0.45。各组混凝土的配合比见表4。使用倾筒式混凝土搅拌机，以每分钟35转的转速制备混凝土。混凝土的搅拌分两个阶段进行。首先，将骨料(细骨料、粗骨料和电子垃圾)与总水量一半的水混合搅拌4分钟。然后，将剩余的水与水泥一起混合搅拌4分钟。

表4 混凝土配合比设计

1.3 试验方法

1.3.1坍落度测试

为了确定混凝土的工作性，根据GB 50164—2011《混凝土质量控制标准》进行了坍落度试验。对每组新鲜混凝土进行3次坍落度锥体试验，取3次坍落度值的平均值作为结果。

1.3.2力学性能测试

按照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》，通过万能试验机进行抗压强度和劈裂抗拉强度试验。为了评价电子废弃物混凝土的力学性能，制备尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土立方体试块用于抗压强度试验，制备尺寸为直径150mm×高300mm的圆柱体试样用于劈裂抗拉强度试验。测试时间为28天龄期，取3次测试值的平均值作为测试结果。

1.3.3耐久性测试

通过热暴露、吸水率、耐磨性和干湿循环试验对电子废弃物混凝土的耐久性进行了评价。通过高温下混凝土立方体试件的抗压强度来评估热暴露对电子废弃物混凝土的影响。为了研究吸水率，使用尺寸为直径100mm×高50mm的混凝土圆柱体试样进行了测试。将龄期为28天的试件在110℃的烘箱中烘干24小时，测量试样的重量(W1)。将干燥的试样在室温下完全浸入清水中24小时。将试样从浸泡状态下取出后，擦去表面的水，记录试样的重量(W2)并计算吸水率。吸水率的计算公式如下：

(1)

按照GB/T 16925—1997《混凝土及其制品耐磨性试验方法》制备尺寸为高150mm×直径100mm的圆柱体试样，养护28天后，使用磨耗试验机进行测试耐磨性，根据试样的质量损失率来表示混凝土的耐磨性，计算公式如下：

(2)

其中Ma是磨损前的重量、Mb是磨损后的重量。

干湿循环试验采用100mm×100mm×100mm的立方体试样。养护28天后，进行干湿循环测试。将试样置于水中24小时，然后将其从水中取出并让其干燥24小时，累积间隔48小时(两天)为一个周期。记录25次和50次交替干湿循环后试样的重量和抗压强度。通过数字天平记录试样的重量，通过万能试验机测试试样得到抗压强度。

2 结果和讨论

2.1 混凝土的工作性

电子废弃物混凝土的工作性是通过坍落度测试确定的，各组混凝土的坍落度值如图2所示。可以看出，与对照组相比，加入电子废弃物的混凝土的工作性随着电子废弃物替代率的增加而显著增加。这是由于塑料骨料的吸水率很低，导致浆体中存在过量的水。而且粉碎的塑料骨料的大小和形状不规则，会阻碍骨料和其他材料之间的自由运动。当电子废弃物替代率为10%时，工作性提高了66%，当替代率为30%时，工作性提高了134%。使用塑料骨料在控制尺寸和形状的情况下，比天然骨料混凝土具有更高的工作性。

图2 电子废弃物不同替代率时混凝土坍落度

2.2 混凝土的力学性能

2.2.1抗压强度

混凝土抗压强度是混凝土结构设计中所采用的基本性能之一。所有配合比的混凝土立方体试块抗压强度结果如图3所示。从结果中可以看出，随着混凝土中电子废弃物用量的增加，混凝土的抗压强度逐渐降低。从图中可以看出，当置换率为10%、20%和30%时，电子废弃物混凝土的抗压强度分别下降7.7%、16.8%和24.4%。

图3 电子废弃物不同替代率时混凝土抗压强度

混凝土抗压强度的降低是由于塑料骨料的表面较为光滑，水泥砂浆和塑料骨料之间产的作用力较弱。此外，塑料骨料是疏水性材料，吸水率低，导致水泥基质中水分过多也是强度降低的一个原因。此外，与碎石灰石相比，塑料骨料的强度和刚度也较低，并且会产生应力集中区域，支持裂缝的传播，从而导致抗压能力下降。

2.2.2抗拉强度

混凝土的劈裂抗拉强度是评价混凝土抗伸长能力的一个重要参数。所有配合比的混凝土圆柱体试样劈裂抗拉强度结果如图4所示。结果表明，随着电子废弃物在混凝土中的比例增加，劈裂抗拉强度降低。当置换比为10%、20%和30%时，电子废弃物混凝土的劈裂抗拉强度分别下降22.4%、31.2%和38.9%。

图4 电子废弃物不同替代率时混凝土抗拉强度

混凝土抗拉强度降低的原因可能是与天然骨料相比，电子废弃物与水泥浆体之间的粘结性或界面粘结性较弱，塑料骨料光滑的表面纹理难以在混凝土基质进行适当的粘合。

2.3 混凝土的耐久性

2.3.1热暴露(高温测试)

高温对建筑材料抗压强度的影响是防火建筑设计中必不可少的参数。电子废弃物混凝土暴露在150℃和300℃的温度下混凝土的抗压强度如图5所示。从图中可以看出，在150℃和300℃的温度下，混凝土的抗压强度的变化趋势与常温环境下的变化趋势相同，均随着电子废弃物替代率的增加而减小。此外，电子废弃物混凝土的颜色也发生了轻微的变化，在300℃的温度下，表面的塑料骨料明显凸出。在实验过程中观察到，塑料骨料在150℃时没有明显变化，但在300℃时产生了刺鼻性气味。在150℃时，混凝土的抗压强度下降了16.2%—24.4%，在300℃时抗压强度下降了34.1%—38.0%。总体而言，在150℃和300℃时，与对照组相比，随着电子废弃物替代率的增加，混凝土的抗压强度降低并不明显。

图5 混凝土暴露在不同温度下的抗拉强度

2.3.2吸水率

将电子废弃物混凝土试件放入水中前后，分别记录其重量，通过公式(1)计算吸水率。电子废弃物不同替代率对混凝土吸水率的影响如图6所示。可以看出，随着电子废弃物替代率的增加，吸水率呈逐渐减低的趋势[7]。其主要原因是塑料骨料属于憎水材料，吸水率很低。电子废弃物替代率分别为10%、20%和30%时，混凝土的吸水率分别降低了12.6%、21.1%和30.3%。

图6 电子废弃物不同替代率时混凝土吸水率

2.3.3耐磨性

混凝土劣化会影响结构寿命，混凝土抗磨损能力低会加剧劣化。图7给出了电子废弃物不同替代率时混凝土的磨损量。从图中可以看出，电子废弃物混凝土的耐磨性明显大于对照组混凝土。随着电子废弃物含量的增加，耐磨性的增加逐渐平缓。由于塑料骨料比天然骨料更坚韧，具有更高的耐磨性，因此通过增加混凝土中的电子废弃物，能够减少混凝土的磨损量。电子废弃物替代率分别为10%、20%和30%时，混凝土的耐磨性分别提高了42.1%、48.9%和51.6%。

图7 电子废弃物不同替代率时混凝土磨损量

2.3.4干湿循环

电子废弃物混凝土干湿循环25次和50次的抗压强度如图8所示。实验结果表明，掺入电子废弃物能有效抑制干湿循环导致的强度损失，随着电子废弃物替代率的增加，强度损失逐渐减小。这种性能的改善可能与塑料骨料的低吸水率有关。在25次和50次循环时，对照组抗压强度的损失分别为23.0%和38.1%，电子废弃物替代率为30%时，混凝土的抗压强度仅降低了5.6%和10.5%。

图8 干湿循环对各组混凝土抗压强度的影响

3 结论

本文采用实验分析的方法研究了电子废弃物替代粗骨料制备混凝土的可行性。结果表明；混凝土掺入电子废弃物后，工作性、耐久性得到改善。随着电子废弃物替代率的增加，混凝土的坍落度逐渐变大，抗压强度和抗拉强度均呈下降的趋势，但均在允许的范围内，混凝土的吸水率和磨损量逐渐降低；热暴露试验表明，混凝土的抗压强度随着温度的升高而降低。但电子废弃物替代率的增加对热暴露下混凝土的抗压强度没有实质性影响。电子废弃物应用于混凝土制备具有可行性。由于实验可能存在偏差，因此在应用时要结合混凝土配比实验进行确认，加强质量控制。