改性再生塑胶颗粒对陶粒混凝土力学性能的影响研究_温永钦.pdf

0引言随着科学技术的发展，塑料制品被越来越广泛地应用于人们生活实践中1，但其具有使用周期短、分解速度慢、生物降解差等缺点2，导致塑料垃圾污染问题日益突出。同时，因为建筑行业的蓬勃发展，砂石用量需求大幅提高，导致砂石资源供应日益紧张。鉴于此，有学者用废旧塑料颗粒代替砂石骨料掺入水泥砂浆或普通混凝土中进行研究，研究结果表明其对砂浆和混凝土力学性能和耐久性能具有一定的改善作用3-5。MARZOUK等6将废弃PET瓶破碎成塑料颗粒后,等体积取代混凝土中的细骨料，表明再生塑料取代率、颗粒粒径对混凝土力学性能影响明显。杨树桐等7使用改性聚丙烯塑料等体积取代河砂后发现，混凝土的抗压强度、抗折强度均呈现先增加而后降低的趋势。冯兵辰8采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和聚碳酸酯（PC）合成了热可塑性塑胶（以下简称ABS/PC塑胶），将ABS/PC塑胶颗粒作为细骨料加入到普通混凝土中后发现，混凝土的抗压强度、劈裂强度、抗折强度均先增强后降低，当掺量为5时，其力学性能指标达到最优。王磊等9-10采用硅烷偶联剂对ABS/PC塑胶颗粒改性后发现，硅烷偶联剂对普通混凝土的力学性能具有一定改善作用。上述研究多针对ABS/PC塑胶颗粒对普通混凝土力学性能的影响，对于采用硅烷偶联剂对ABS/PC改性再生塑胶颗粒对陶粒混凝土力学性能的影响研究温永钦，姜婷婷，卢金山，王禄彤（吉林建筑大学 土木工程学院，吉林 长春130118）摘要：通过立方体抗压、劈裂抗拉和抗折试验，研究了未改性和改性再生热可塑性塑胶颗粒（ABS/PC塑胶颗粒）等体积取代河砂（取代率为0%、3%、5%、8%、10%、13%）和塑料颗粒改性剂（硅烷偶联剂）对陶粒混凝土力学性能的影响。结果表明：随着再生热可塑性塑胶颗粒取代率的增大，陶粒混凝土的干表观密度呈降低趋势，抗压、抗折、劈裂抗拉强度均呈先增大后减小的趋势，当取代率为8时，各项强度指标最优；硅烷偶联剂的加入对再生热可塑性塑胶颗粒陶粒混凝土的力学性能提升效果显著。关键词：ABS/PC塑胶颗粒；取代率；硅烷偶联剂；力学性能中图分类号：TU528.2文献标识码：Adoi：10.19761/j.1000-4637.2023.07.066.05Effect of modified recycled plastic particles on mechanical properties ofceramsite concreteWEN Yongqin,JIANG Tingting,LU Jinshan,WANG Lutong(School of Civil Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China)Abstract:The effects of the replacement rates of unmodified and modified recycled ABS/PC plastic particles(0,3%,5%,8%,10%,13%)and the plastic particle modifier(silane coupling agent)on the mechanical properties of ceramsiteconcrete were studied through the tests of cube compression,splitting tensile and flexural resistance.The results show thatwith the increase of the replacement rate of recycled ABS/PC plastic particles,the dry apparent density of ceramsiteconcrete decreases,and the compressive strength,flexural strength and tensile strength all increase first and then decrease.When the replacement rate is 8%,all strength indexes are optimal.The addition of silane coupling agent can significantlyimprove the mechanical properties of ceramsite concrete mixed with recycled ABS/PC plastic particles.Keywords:ABS/PC plastic particle;Replacement rate;Silane coupling agent;Mechanical property基金项目：吉林省教育厅科研项目（JJKH20210301KJ）。2023年第7期混 凝 土 与 水 泥 制 品2023 No.77月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSJuly66-表2试验配合比Table 2Test mix proportions塑胶颗粒进行改性及其对轻骨料混凝土的影响研究甚少。本文采用硅烷偶联剂改性再生ABS/PC塑胶颗粒，研究再生ABS/PC塑胶颗粒等体积取代河砂对陶粒混凝土力学性能的影响。1试验概况1.1原材料水泥：吉林亚泰水泥有限公司生产的PO 42.5级；细骨料：普通河砂，细度模数2.8；粗骨料：粉煤灰陶粒，物理性能指标见表1，形貌状态见图1；塑料颗粒：再生ABS/PC塑胶颗粒，圆柱体状，粒径12 mm，高度23 mm，密度1.1 g/cm3，其形貌见图2；硅烷偶联剂：KH-570硅烷偶联剂；减水剂：聚羧酸系减水剂，减水率30%；水：自来水；无水乙醇：工业级；无水乙酸：山东祥盛精细化工有限公司生产。1.2再生ABS/PC塑胶颗粒改性将无水乙醇和水按91质量比混合，加入一定量的无水乙酸将醇水溶液的pH值调节至34，再将硅烷偶联剂采用玻璃棒缓慢加入至酸性的醇水溶液中，制备质量分数为1%的硅烷偶联剂溶液，静置5 min等待水解后缓慢搅拌，将洗净干燥的再生ABS/PC塑胶颗粒在硅烷偶联剂中充分浸润30 min后取出，置于60 烘干箱中干燥2 h，得到KH-570硅烷偶联剂改性后的再生ABS/PC塑胶颗粒。改性过程见图3。1.3试验配合比及试件制作以C30陶粒混凝土配合比为基准，采用改性再生ABS/PC塑胶颗粒等体积取代河砂，本文配合比设计的取代率分别为0、3%、5%、8%、10%、13%，试件分为A、B两组，A组采用未改性再生ABS/PC塑胶颗粒，B组采用改性再生ABS/PC塑胶颗粒，具体试验配合比见表2。向搅拌机内加入预湿1 h的陶粒、河砂、水泥和再生ABS/PC塑胶颗粒，干拌至均匀，然后缓慢加入减水剂和水搅拌2 min10-11。1.4试验方法干表观密度：将一组3个试件标准养护28 d后放入温度为（605）的干燥箱内烘至绝干状态，取出降温至室温后通过称重计算其干表观密度。表1粉煤灰陶粒物理性能指标Table 1Physical performance indicators of fly ash ceramsite粒径/mm吸水率/%堆积密度/（g/cm3）筒压强度/MPa5128.668508.5图1粉煤灰陶粒形貌图2再生ABS/PC塑胶颗粒Figure 1Morphology of flyash ceramsiteFigure 2Morphology of recycledABS/PC plastic particles图3再生ABS/PC塑胶颗粒改性Figure 3Modification of recycled ABS/PC plastic particles编号取代率/%水泥/（kg/m3）水/（kg/m3）河砂/（kg/m3）陶粒/（kg/m3）再生ABS/PC塑胶颗粒/（kg/m3）减水剂/（kg/m3）A0/B0A3/B3A5/B5A8/B8A10/B10A13/B1303581013460460460460460460160160160160160160740706684650627593640640640640640640013.823.036.846.059.84.64.64.64.64.64.6抗压强度和劈裂抗拉强度：根据GB/T 500812019混凝土物理力学性能试验方法标准的规定进行，试件尺寸为100 mm100 mm100 mm，用于抗压强度和劈裂抗拉强度试验的试件分别为24组，每组3个试件，标准养护7 d、28 d。抗折强度：根据GB/T 500812019的规定进行，试件尺寸为100 mm100 mm400 mm，折减系数为0.85，标准养护28 d。SEM分析：对样品表面进行喷金处理，观察样品表面形貌。改性再生塑胶颗粒对陶粒混凝土力学性能的影响研究温永钦，姜婷婷，卢金山，等67-2试验结果与分析2.1干表观密度不同再生ABS/PC塑胶颗粒取代率试件的干表观密度试验结果见图4。由图4可知，随着再生ABS/PC塑胶颗粒取代率的增加，陶粒混凝土的干表观密度呈现不断降低趋势，当取代率为0时，陶粒混凝土的干表观密度为1 898 kg/m3，当取代率为13时，陶粒混凝土的干表观密度降至1 830 kg/m3，产生这种现象的原因是再生ABS/PC塑胶颗粒的表观密度远小于河砂。2.2硅烷偶联剂对再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土力学性能的影响2.2.1抗压强度未改性与经硅烷偶联剂改性的再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的抗压强度对比结果见图5。由图5可知：随着ABS/PC塑胶颗粒取代率的增加，B组抗压强度呈现先增加后降低的趋势，但相较于A组，当替代率高于8%时，B组抗压强度下降趋势更平缓；B组在不同取代率情况下，7 d、28 d抗压强度始终高于A组，增幅为2.32%6.61%；硅烷偶联剂的加入可以使再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的抗压强度得到明显提高，这是由于硅烷偶联剂能提高无机材料（水泥）与有机材料（再生ABS/PC塑胶颗粒）之间的黏结性能，可以有效改善再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的界面相容性，减少界面空洞和裂纹，从而明显提高抗压性能12-13。2.2.2劈裂抗拉强度与拉压比未改性与经硅烷偶联剂改性的再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的劈裂抗拉强度对比结果见图6。由图6可知，随着ABS/PC塑胶颗粒取代率的增加，B组试件的7 d、28 d劈裂抗拉强度呈先增加后降低的趋势，当取代率为8%时，陶粒混凝土的28 d劈裂抗拉强度达到最大值4.12 MPa，与B0组相比，增幅达27.6%；B组的劈裂抗拉强度始终高于A组，随着ABS/PC塑胶颗粒取代率的增加，两者的差距逐渐增大；硅烷偶联剂的加入明显提高了再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的抗拉性能。表3为未改性与改性再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的拉压比。由表3可知，随着再生ABS/PC塑胶颗粒取代率的增加，陶粒混凝土的拉压比逐渐增大，当取代率为13%时，B13陶粒混凝土的拉压比达到了1/9.65，图4不同再生ABS/PC塑胶颗粒取代率试件的干表观密度Figure 4Dry apparent density of specimens with differentreplacement rates of recycled ABS/PC plastic particles1 9001 8801 8601 8401 820干表观密度/（kg/m3）02468101214取代率/%（a）7 d抗压强度（b）28 d抗压强度图5未改性与改性再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的抗压强度Figure 5Compressive strength of ceramsite concrete withunmodified and modified recycled ABS/PC plastic particles02468101214取代率/%7 d抗压强度/MPa3432302826242220改性未改性02468101214取代率/%28 d抗压强度/MPa42403836343230改性未改性图6未改性与改性再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的劈裂抗拉强度Figure 6Splitting tensile strength of ceramsite concrete withunmodified and modified recycled ABS/PC plastic particles02468101214取代率/%4.24.03.83.63.43.23.02.82.62.4劈裂抗拉强度/MPa7 d，未改性7 d，改性28 d，未改性28 d，改性2023年第7期混凝土与水泥制品总第327期68-且B组的拉压比始终大于A组试件的拉压比，表明经过硅烷偶联剂改性的再生ABS/PC塑胶颗粒可以有效提高陶粒混凝土的力学性能。2.2.3抗折强度未改性与改性再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的抗折强度试验结果对比见图7。由图7可知：B组的28 d抗折强度始终高于A组抗折强度，A、B两组之间的抗折强度差值随着取代率的增加逐渐增大,这是因为经过硅烷偶联剂改性的再生ABS/PC塑胶颗粒可以与混凝土中的无机材料发生键合作用，提高其界面相容性和陶粒混凝土的抗折性能14。2.3SEM分析图8为取代率为8%时，未改性与改性再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的SEM图。由图8（a）可知，未改性再生ABS/PC塑胶颗粒与水泥胶凝材料的界面相容性较差，存在明显的裂隙与孔洞，表明未改性再生ABS/PC塑胶颗粒与混凝土基体不能有效黏结，导致当取代率超过8%时，陶粒混凝土力学性能下降明显。由图8（b）可知，经过硅烷偶联剂溶液浸泡改性后的再生ABS/PC塑胶颗粒与胶凝材料之间的界面相容性得到明显提高，黏结性能得到改善，裂纹与孔洞大大减少，混凝土密实度有所提高，这是因为硅烷偶联剂中同时含有有机官能基团与无机官能基团，可以使无机材料与有机材料实现化学键连接，有效改善界面相容性，提高了界面强度15，最终提高陶粒混凝土的力学性能。3结论（1）随着ABS/PC塑胶颗粒取代率的增加，掺未改性的再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的干表观密度逐渐降低，其7 d、28 d抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度呈现先增加后降低的趋势，当取代率为8%时，力学性能达到最优。（2）改性再生ABS/PC塑胶颗粒对提高陶粒混凝土的7 d、28 d立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、拉压比具有明显作用。（3）硅烷偶联剂可以提高再生ABS/PC塑胶颗粒与胶凝材料界面的相容性，减少界面裂隙与孔洞，从而提高再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的力学性能。参考文献：1杜雨潇.基于循环经济的废旧塑料制品材料的再生利用表3未改性与改性再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的拉压比Table 3Tensile compression ratio of ceramsite concrete withunmodified and modified ABS/PC plastic particles编号拉压比编号拉压比A0A3A5A8A10A131/10.711/10.691/10.501/10.291/10.441/10.12B0B3B5B8B10B131/10.711/10.651/10.251/10.041/9.871/9.65图7未改性与改性再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的抗折强度Figure 7Flexural strength of ceramsite concrete withunmodified and modified recycled ABS/PC plastic particles5.85.65.45.25.04.802468101214取代率/%抗折强度/MPa改性未改性（a）未改性图8未改性与改性再生ABS/PC塑胶颗粒陶粒混凝土的SEM图Figure 8SEM images of ceramsite concrete with unmodifiedand modified recycled ABS/PC plastic particles（下转第74页）（b）改性改性再生塑胶颗粒对陶粒混凝土力学性能的影响研究温永钦，姜婷婷，卢金山，等69-J.合成材料老化与应用,2021,50(6):147-149.2张海波,尚海涛,李启强,等.废旧塑料改性砂浆力学性能研究J.河南理工大学学报(自然科学版),2014,33(2):238-241.3 KOU S C,LEE G,POON C S,et al.Properties of lightweightaggregate concrete prepared with PVC granules derived fromscraped PVC pipes J.Waste Management,2009,29(2):621-628.4 FRAJ A B,KISMI M,MOUNANGA P.Valorization of coarserigid polyurethane foam waste in lightweight aggregate concreteJ.Construction and Building Materials,2010,24(6):1069-1077.5AKCAOZOGLUS,ATISCD,AKCAOZOGLUK.Aninvestigation on the use of shredded PET waste bottles asaggregate in lightweight concreteJ.Waste Management,2010,30(2):285-290.6 MARZOUK O,DHEILY R,QUENEUDEC M.Valorization ofpost-consumerwasteplasticincementitiousconcretecompositesJ.Waste Management,2007,27(2):310-318.7杨树桐,孙泽田.掺废弃塑料颗粒混凝土力学和弯曲变形性能J.建筑材料学报,2015,18(1):123-127.8冯兵辰.废旧塑料颗粒水泥混凝土力学性能研究J.交通标准化,2012(2):72-74.9王磊,何晔,张小月.硅烷偶联剂改性再生塑料混凝土的力学性能J.兰州理工大学学报,2014,40(6):136-139.10王磊,何晔,朱生晖.硅烷偶联剂浓度对再生塑料混凝土力学性能影响J.硅酸盐通报,2015,34(2):335-339.11李启强,张海波,李明远,等.废旧聚苯颗粒改性水泥砂浆力学性能研究J.混凝土与水泥制品,2014(3):76-78.12杨春景,张营营.废旧塑料改性轻骨料混凝土力学性能及疲劳性能研究J.中外公路,2016,36(5):254-257.13孙振华,蒋丽君,张海洋.SCA对再生混凝土中ABS材料的界面相容性改善研究J.塑料科技,2021,49(5):53-56.14董素芬,姜丽,田元艳.硅烷偶联剂对橡胶集料水泥砂浆力学性能的影响J.混凝土与水泥制品,2012(5):20-23.15王书刚.再生聚氯乙烯混凝土的力学性能及其应用研究D.镇江:江苏科技大学,2021.收稿日期：2023-04-29第一作者：温永钦（1975），女，副教授。联系电话：[phone]E-mail：（上接第69页）2023年第7期混凝土与水泥制品总第327期5姜玉凤,陈跃,李明,等.碱激发钢渣微粉免蒸压加气混凝土的制备研究J.硅酸盐通报,2020,39(8):2574-2580.6 FONT A,SORIANO L,MONZO J,et al.Salt slag recycled by-products in high insulation alternative 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