摻級(jí)配良好再生PVC骨料混凝土的力學(xué)和吸能性能

胡時(shí)，徐穎，2

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué)省部共建深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001)

隨著塑料需求量的快速增長(zhǎng)，安全高效處理塑料廢物變得越來(lái)越重要，廢物處理不當(dāng)會(huì)引發(fā)環(huán)境問(wèn)題，并且塑料不可生物降解，焚燒塑料產(chǎn)生的氣體也會(huì)造成空氣污染和健康問(wèn)題。因此如何高效、環(huán)保、簡(jiǎn)單地回收利用塑料廢物成為近十年來(lái)的研究熱點(diǎn)，人們發(fā)現(xiàn)具有高消耗能力的建筑工程領(lǐng)域似乎是最適合回收利用塑料廢物[1]。

聚氯乙烯(PVC)是常用的熱塑性聚合物材料之一，2018年全球PVC消費(fèi)量約為5 130萬(wàn)t，亞太地區(qū)占全球PVC接近60%的市場(chǎng)份額，未來(lái)10年內(nèi)，亞太地區(qū)還將繼續(xù)引領(lǐng)全球PVC需求量增長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)外主要研究在混凝土中加入聚丙烯(PP)，丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料等，關(guān)于PVC塑料的研究較少。并且高強(qiáng)混凝土工程對(duì)脆性破壞更敏感，所以需要改善混凝土脆性[2]；同時(shí)在軍工防護(hù)、機(jī)場(chǎng)道面、深部巷道支護(hù)等沖擊荷載經(jīng)常作用的工程采用抗沖擊性、能量吸收能力強(qiáng)的混凝土[3]。

A. Mohammed等[4]將粉碎PVC板得到的PVC骨料替代混凝土中砂子，當(dāng)摻量85%時(shí)，壓縮強(qiáng)度降低了60%，對(duì)應(yīng)的彈性模量也急劇下降；梁炯豐等[5]發(fā)現(xiàn)壓縮強(qiáng)度隨PP塑料摻量增加直線下降，但提高了其混凝土的延性；劉鋒等[6]發(fā)現(xiàn)隨著塑料摻量增加，壓縮強(qiáng)度及拉壓比都比普通混凝土高，壓縮強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)摻量為5%時(shí)達(dá)到最大值。單一粒徑下，他們?cè)囼?yàn)的強(qiáng)度都下降較大，甚至隨著摻量增加，強(qiáng)度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。還有很多學(xué)者將塑料顆粒加入混凝土來(lái)提高抗沖擊性能，M. M. Al-Tayeb等[7]將車(chē)輛廢塑料作為替代骨料，在低速?zèng)_擊荷載下，摻量5%時(shí)，其抗沖擊性增加了21%，并隨著摻量增加，抗沖擊性繼續(xù)提高，增強(qiáng)的原因是添加塑料骨料增強(qiáng)了混凝土的柔韌性。R. Saxena等[8]研究了將聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)瓶切碎用來(lái)代替混凝土中天然粗細(xì)骨料，雖然含有PET骨料的混凝土壓縮強(qiáng)度較低，但隨著PET塑料摻量增加，混凝土的抗沖擊性能得到改良，同時(shí)能量吸收能力增加。但他們測(cè)試能量吸收能力的方法大都是自制落錘梁沖擊，試驗(yàn)裝置復(fù)雜且數(shù)據(jù)處理麻煩。

因此筆者將物理回收得到級(jí)配良好的再生PVC顆粒(粒徑0.3～5.0 mm)等體積替代河砂摻到混凝土中，再對(duì)其力學(xué)性能和吸能性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到立方體壓縮強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、卸載彈性模量、能量吸收率和微觀結(jié)構(gòu)圖。研究結(jié)論提供了解決塑料混凝土強(qiáng)度劇烈下降、改善脆性、提高延性和增強(qiáng)能量吸收能力的方法，為環(huán)境治理、工程應(yīng)用、安全生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

水泥：P·O 42.5級(jí)，安徽淮南海螺水泥廠；

細(xì)骨料：淮河河砂，最大粒徑4.75 mm，細(xì)度模數(shù)2.4，密度2.41 g／cm3；

粗骨料：最大粒徑小于等于16 mm的級(jí)配碎石，密度2.63 g／cm3；

水：試驗(yàn)室自來(lái)水；

PVC細(xì)骨料：從東莞市樟木頭塑膠市場(chǎng)購(gòu)得再生PVC顆粒，該公司將回收的廢棄PVC板物理回收制成顆粒，得到粒徑0.3～5.0 mm、密度1.4 g／cm3的顆粒，再進(jìn)行篩分，得到符合GB／T 14685–2011要求的級(jí)配良好再生PVC細(xì)骨料。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WAW–2000型，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

高速攝像機(jī)：HX–3型，日本NAC公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：Supra55型，德國(guó)Carl Zeiss公司；

簡(jiǎn)易沖擊試驗(yàn)裝置：自制，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

1.3 混凝土試件制備

按JGJ 55–2011進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，水灰比為0.48，并采用內(nèi)摻法將再生PVC細(xì)骨料等體積取代河砂，替代率分別為0，5%，10%，15%，20%，30%。詳細(xì)配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比 kg／m3

上述6組配方各制備6個(gè)100 mm× 100 mm×100 mm的 立 方 體 試 件、3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件。試件制作的流程如下：先將砂、石、PVC細(xì)骨料依次倒入攪拌機(jī)干拌2 min，然后加入水泥再干拌2 min，接著將水倒入攪拌機(jī)中，濕拌2 min；之后將新拌混凝土澆注至模具中，再放在振動(dòng)臺(tái)上振搗成型；待試件24 h后拆模轉(zhuǎn)入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 性能測(cè)試

(1)力學(xué)性能試驗(yàn)。

使用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按GB／T 50081–2002以2.5 mm／min的 加 載 速 率 對(duì)100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進(jìn)行壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)；再通過(guò)在試件上下放置夾具，以0.5 mm／min的加載速率對(duì)立方體試件進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

(2)鋼球自由落體沖擊試驗(yàn)。

由于混凝土試件具備能量吸收能力，因此當(dāng)鋼球撞擊試件后會(huì)發(fā)生回彈現(xiàn)象，運(yùn)用高速攝像機(jī)捕捉回彈瞬態(tài)現(xiàn)象，用于計(jì)算試件在動(dòng)態(tài)沖擊下能量吸收能力。采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，參考ACI544和CECS02–2005的規(guī)定自制簡(jiǎn)易沖擊試驗(yàn)裝置如圖1所示，重力加速度取9.81 m／s2；鋼球質(zhì)量為0.5 kg；初始下落點(diǎn)高度取1.0 m，離刻度線距離7.5 cm (試塊的中心點(diǎn))。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

圖2 抗壓、抗拉強(qiáng)度變化過(guò)程

圖3 PVC骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

混凝土立方體壓縮強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與PVC骨料摻量的關(guān)系見(jiàn)圖2，同摻量PVC骨料混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)的卸載彈性模量Eu見(jiàn)圖3。圖2中將劉鋒等[6]研究的2～3.5 mm的PP塑料混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度用來(lái)對(duì)比。當(dāng)PVC骨料摻量為0%，5%，10%，15%，20%，30%時(shí)，其壓縮強(qiáng)度分別為49.34，52.44，45.79，46.41，45.6，43.46 MPa；劈裂抗拉強(qiáng)度為2.73，3.58，3.2，2.92，2.69，2.44 MPa。摻量5%時(shí)，其壓縮強(qiáng)度提高了6.08%，抗拉強(qiáng)度提高了31.14%，之后隨著摻量增加強(qiáng)度均下降，但壓縮強(qiáng)度下降不超過(guò)11.92%，抗拉強(qiáng)度下降不超過(guò)10.62%。而PP塑料混凝土當(dāng)摻量達(dá)到15%時(shí)，其壓縮強(qiáng)度就下降了12.25%。

壓縮強(qiáng)度先增加后降低是由于混凝土中摻入少量PVC骨料后，有效填補(bǔ)了內(nèi)部石子砂子之間的微缺陷，混凝土變得致密[9]，通過(guò)圖4 FA30%不同放大倍數(shù)的SEM照片可發(fā)現(xiàn)，隨著摻量增加，水泥和PVC骨料的界面過(guò)渡區(qū)由于邊壁效應(yīng)，粘結(jié)效果差且疏松多孔，從而強(qiáng)度降低[4-6]，對(duì)比劉鋒等[6]單一粒徑再生PVC顆粒填充混凝土的強(qiáng)度變化率，級(jí)配良好的再生PVC顆粒力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)明顯。

圖4 FA30%混凝土在不同放大倍數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)

另外PVC骨料混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度與劉鋒等[6]試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)相似，但PVC混凝土壓縮強(qiáng)度提高率、抗拉強(qiáng)度降低率均優(yōu)于PP混凝土，所以使用的再生PVC骨料代替天然細(xì)骨料，對(duì)未來(lái)環(huán)境治理提供了有效方法[10-12]。

卸載彈性模量Eu是指卸載曲線的斜率，可反映試件破壞形式，謝和平等[13-14]發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中，由于沒(méi)有進(jìn)行卸載過(guò)程，因此在計(jì)算中使用初始彈性模量E0來(lái)代替Eu，圖3中示出FA30%和NC混凝土的卸載彈性模量。通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)摻量增加，混凝土卸載彈性模量隨著降低，卸載階段能量釋放速度減小。同時(shí)通過(guò)圖5不同摻量PVC骨料混凝土的破壞形態(tài)可發(fā)現(xiàn)，隨著摻量增加，試件表面宏觀貫通破裂面變少，同樣說(shuō)明混凝土脆性得到改善，延性增強(qiáng)[5]。這是因?yàn)镻VC顆粒作為彈性材料加入混凝土后，提高了抵抗壓縮變形能力，因此破壞形態(tài)不同[10]。

圖5 典型破壞形式

2.2 鋼球自由落體沖擊試驗(yàn)

在試驗(yàn)過(guò)程中忽略其它外力的影響和鋼球落地位置不同的影響。筆者定義能量吸收率EAR用來(lái)更直觀對(duì)比不同試件的能量吸收能力，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)、式(2)。

式中：EAR1——第一次沖擊的能量吸收率；

Ea1——第一次沖擊的能量吸收值；

Ep0——初始位置的重力勢(shì)能；

Ep1——第一次回彈最高點(diǎn)的重力勢(shì)能。

圖6 試驗(yàn)回彈最高點(diǎn)瞬態(tài)現(xiàn)象

通過(guò)高速攝像機(jī)捕捉鋼球回彈最高點(diǎn)的瞬態(tài)現(xiàn)象如圖6所示。由于刻度尺位置擺放問(wèn)題，所以實(shí)際回彈高度將圖中對(duì)應(yīng)刻度尺數(shù)值減去14 cm即可，因此當(dāng)PVC骨料摻量為0%，5%，10%，15%，20%，30%時(shí)，對(duì)應(yīng)的回彈最高點(diǎn)高度分別為16.5，15.06，13.89，12.57，11.38，8.89 cm。用公式(1)、公式(2)計(jì)算試件能量吸收值和能量吸收率，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。

圖7 不同摻量PVC骨料混凝土能量值及能量吸收率

通過(guò)圖7可發(fā)現(xiàn)，不同摻量下鋼球自由落體沖 擊 下 能 量 吸 收 值 為4.11，4.17，4.23，4.29，4.35，4.47 J，隨著摻量增加，回彈高度降低，但能量吸收值增加，能量吸收率分別為83.5%，84.94%，86.11%，87.43%，88.62%，91.11%，因此能量吸收能力顯著提高，這是因?yàn)镻VC顆粒具有良好的變形、彎曲性能，作為細(xì)骨料加入混凝土中生成的塑料–水泥復(fù)合材料柔韌性較好[15]。該材料可用于軍工防護(hù)、機(jī)場(chǎng)道面等沖擊荷載經(jīng)常作用的工程。

3 結(jié)論

(1)混凝土的壓縮強(qiáng)度隨PVC骨料摻量增加呈先增加后緩慢降低趨勢(shì)，摻量5%時(shí)，相比基準(zhǔn)組，強(qiáng)度增加了6.08%，從5%到30%，強(qiáng)度最高僅降低了11.92%；抗拉強(qiáng)度隨PVC骨料摻量增加也呈先增加后緩慢降低趨勢(shì)，摻量5%時(shí)，相比基準(zhǔn)組，強(qiáng)度增加了31.14%，從5%到30%，強(qiáng)度最高僅降低了10.62%，因此用級(jí)配良好的再生PVC顆粒替代天然細(xì)骨料加入混凝土的力學(xué)性能較單一粒徑塑料顆粒優(yōu)良。

(2)混凝土的卸載彈性模量隨摻量增加而降低，并且摻適量PVC骨料混凝土脆性得到改善，延性增強(qiáng)。

(3)隨PVC骨料摻量增加混凝土的能量吸收能力呈直線增加趨勢(shì)，摻量30%時(shí)，最大能量吸收率為91.11%，比基準(zhǔn)組高9.11%，能量吸收能力顯著提高。