聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)具有密度低、吸水率低、耐酸碱、保温隔热、防震、可塑性强等优点，使其在货物包装材料、汽车隔音缓冲材料和建筑保温节能材料等方面广泛应用[1-2]。EPS塑料包装材料使用后被丢弃，汽车行业中EPS塑料切割后以及建筑保温材料拆除等，均产生大量的EPS废弃物。通常处理废旧EPS的方式为填埋或焚烧，但EPS塑料难以降解，填埋造成白色污染，焚烧释放有毒气体[3]。因此，处理废旧EPS成为社会关注的难题。寻求一种回收利用废旧EPS塑料的方法，不仅能够减少环境污染，同时节约资源。国内外研究表明，一定量的EPS加入混凝土，可以提高混凝土的保温性能和力学性能[4-5]。Babu等[6]研究EPS混凝土的静态力学性能。研究表明：EPS用量增加，抗压应力-应变曲线逐渐平缓，裂纹扩展长度变小。赵晓艳等[7]研究EPS混凝土的保温性能。研究表明：EPS的加入提高混凝土的保温性能。将废旧EPS加入混凝土是一种回收利用废旧EPS的可行途径。但是，目前EPS混凝土研究主要关注混凝土力学性能和保温性能，对于EPS混凝土的流变性和耐侵蚀性能研究较少。为了指导废旧EPS在混凝土中的回收利用，本实验利用废旧EPS颗粒替代细骨料（砂），制备废旧EPS塑料/混凝土复合材料，研究其流变性和耐侵蚀性能。1实验部分1.1主要原料水泥，P·O 42.5，武汉亚东水泥有限公司；砂，普通河砂，细度模数2.6；碎石，花岗岩碎石，粒径4.75~25 mm；废旧EPS颗粒，破碎粒径1~2 mm，表观密度18 kg/m3。1.2仪器与设备坍落度试验仪，TLY-1，献县金晟试验仪器厂；混凝土抗渗仪，HP-4.0，沧州鑫聚垣仪器设备有限公司；数显式压力试验机，YES-2000，济南中路昌试验机制造有限公司；X荧光石灰石碳酸钙分析仪，BM2007C，陕西波特兰电子科技有限责任公司；热重分析仪(TG)，Q10，美国Perkin-Elmer公司；精密切割机，IsoMet High Speed，美国Buehler公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-IT200，日本JEOL公司;干燥箱，DHG－9420A，上海一恒科技有限公司。1.3样品制备以废旧EPS颗粒替代一定量砂，制备EPS塑料/混凝土复合材料，表1为EPS塑料/混凝土复合材料配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.T001表1EPS/混凝土复合材料配方Tab.1Formula of EPS/concrete composite编号w（EPS）/%水胶比（mw/mc）配比/（kg·m-3）水泥砂碎石EPS水100.4538060013500170240.45380576135024170380.453805521350481704120.453805281350721705160.453805041350961706200.453804801350120170注：w（EPS）为m（EPS）∶m（EPS+砂）。浆体制备：按照表1称量各原料，将砂（或EPS）、水泥、碎石依次倒入搅拌机搅拌10 s，加水继续搅拌3 min。成型试样规格：抗渗试样的上口直径175 mm，下口直径185 mm，高度150 mm；体积吸水率试样尺寸100 mm×100 mm×100 mm；碳化试样尺寸Ф100 mm×100 mm；低温冻融和TG分析试样尺寸100 mm×100 mm×100 mm。试样养护条件：参考GB/T 50082—2009，试样在温度(20±2) ℃、湿度不低于95%环境中养护至对应龄期。1.4性能测试与表征混凝土坍落度和扩展度测试：按GB 50080—2016进行测试。渗水高度测试：按GB/T 50082—2009进行测试。抗渗压力0.8 MPa，恒压时间24 h。体积吸水率测试:试样放置在105 ℃干燥箱中烘至恒重，冷却至室温称量干燥质量m0，再将干燥的试样放入(20±2) ℃水中浸泡24 h,取出擦干表面水分,称取吸水后质量m1。吸水率α的计算公式为:α=(m1-m0)/ρv×100% （1）式（1）中：ρ为水的密度，取1 000 kg/m3。相对水渗透系数(K)测试：由渗水高度和体积吸水率计算得到，其计算公式为：K=αD22×3 600TH （2）式（2）中：K为水渗透系数，cm/s；D为渗水高度，cm；T为恒压时间，h；H为水压力，利用水柱高度表示（1 MPa水压，以10 200 cm水柱表示），cm；α为混凝土体积吸水率，%。CaCO3含量测试：按GB/T 50082—2009进行测试，将养护28 d的试样进行碳化试验，碳化时间为28 d。对碳化试样切片，每片厚度1 mm，记录每片深度，分别磨碎过100目方孔筛，过筛的粉末放入干燥箱中105 ℃烘干，分别取1 g粉末利用碳酸钙分析仪测试CaCO3含量。冻融强度测试：养护28 d的试样，按GB/T 50082—2009进行测试，采用快冻法进行冻融试验，循环25次，测试冻融和未冻融试样的抗压强度。TG分析：利用热重分析仪测试混凝土质量损失，升温速率为10 ℃/min。SEM分析：加速电压20 kV，对试样喷金处理，观察试样断面形貌。2结果与分析2.1流变性能分析坍落度(H)和扩展度(L)在一定条件下反映混凝土流变性，可以评价混凝土的黏聚性、保水性，直接影响混凝土后期力学性能、耐侵蚀性能。通过测试EPS/混凝土复合材料的初始坍落度(H0)和初始扩展度(L0)，30 min后坍落度(H30)和扩展度(L30)，研究EPS/混凝土的流变性能，表2为混凝土和EPS/混凝土的流变性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.T002表2EPS/混凝土复合材料的流变性Tab.2Rheological properties of EPS/concrete compositesw（EPS）/%H0/mmH30/mmH损失率/%L0/mmL30/mmL损失率/%浆体状态018515814.640129825.7浆体均匀无分层419517311.344534722.0浆体均匀无分层82081965.849039020.4浆体均匀无分层122182084.655044519.1浆体均匀无分层162252154.460049617.3浆体部分分层202302204.361951916.2浆体分层、EPS浮浆从表2可以看出，随着EPS用量增加，不同时刻H和L逐渐增加，H30和L30的损失率均降低。但是当EPS用量为0~12%，混凝土浆体均匀无分层，而EPS用量16%~20%时，浆体出现分层，EPS上浮。这是因为EPS表面为光滑的球形或近似球形，与浆体之间的摩擦阻力小，且EPS具有疏水性，EPS替代砂分散于浆体，对浆体流变性有利。另外，EPS不与EPS/混凝土复合材料其他组分发生化学反应，随着时间的延长，EPS/混凝土浆体能够在较长时间下保持良好的流变性，因此EPS/混凝土的H和L损失率随着EPS用量的增大而降低。但是当EPS用量过高时（超过16%），EPS/混凝土流动性较强，密度较低的EPS容易在浆体浮力作用下上浮，出现浆体分层或不均匀，对EPS/混凝土的其他性能产生不利影响[7-8]。2.2耐侵蚀性能分析2.2.1耐水侵蚀性能分析混凝土的水侵蚀主要指雨水、地下水等沿混凝土孔隙进入混凝土内部，造成混凝土性能降低。主要采用抗渗性能评价混凝土耐水侵蚀性能，通过相对水渗透系数评定EPS/混凝土复合材料的抗渗能力。图1为EPS/混凝土复合材料相对水渗透系数。从图1可以看出，同一组试样的相对水渗透系数随着养护时间的延长而降低，养护时间超过21 d，相对水渗透系数曲线变化逐渐平缓。这是因为混凝土养护初期，水泥没有完全水化，混凝土内部存在大量毛细孔，这些毛细孔是水渗透通道，导致相对水渗透系数降低；随着养护时间的延长，混凝土水化基本完成，结构稳定性增强，内部毛细孔逐渐减少，因此相对水渗透系数趋于平缓。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F001图1EPS/混凝土复合材料相对水渗透系数Fig.1Relative water permeability coefficient of EPS/concrete composites但是随着EPS用量的增加，同一养护时间下试样相对水渗透系数先降低后增大。当EPS用量为0~12%，养护时间相同，相对水渗透系数随着EPS用量的增加而降低。当EPS用量为16%~20%，养护时间相同，相对水渗透系数随着EPS用量的增加而增大，当EPS用量为20%，相对水渗透系数超过未掺EPS的材料。这是因为混凝土水化过程中产生热量，造成混凝土内部膨胀，水化完成后温度降低又出现收缩，整个过程在EPS/混凝土内部形成毛细孔、孔隙或是微观裂纹。当EPS用量低于12%，EPS颗粒均匀分布于EPS/混凝土浆体中，混凝土水化膨胀的应力传递至EPS可以被分散或分解，EPS又恢复至原有形状，这个过程减少毛细孔、孔隙或是微观裂纹的形成。另外EPS的疏水性能阻碍水在混凝土内部的渗透，因此混凝土内部完好致密，相对水渗透系数降低。但是当EPS用量达到16%，EPS用量过大，EPS本身较轻，出现上浮和分层，导致混凝土浆体组分不均一，试样内部出现裂纹或缺陷。另外，过量的EPS导致部分EPS直接相连，EPS之间没有连接力，导致EPS间成为薄弱点，也存在孔隙，为水渗透提供通道，因此EPS用量超过16%时，混凝土相对水渗透系数增大[9]。2.2.2耐二氧化碳侵蚀性能分析空气中CO2气体能够通过混凝土的孔隙或裂纹等通道扩散至混凝土，与混凝土水化产生的Ca(OH)2发生化学反应，生成CaCO3和水，这是CO2对混凝土的侵蚀过程，也称作混凝土的碳化。碳化过程发生体积膨胀，破坏混凝土结构；另外混凝土的碳化使混凝土的碱性下降，而混凝土的碱性环境对混凝土耐久性有利。因此，混凝土的耐二氧化碳侵蚀性能对混凝土的性能至关重要。图2为EPS/混凝土的CaCO3含量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F002图2EPS/混凝土复合材料CaCO3含量Fig.2CaCO3 content of EPS/concrete composites从图2可以看出，对于同一试样，随着深度增加，CaCO3的含量逐渐降低，这是因为深度越深，进入试样内部的CO2含量越少，试样被碳化的程度也越低，因此CaCO3含量少。另外，同一试样随着深度的增加，曲线分三个阶段，第一阶段曲线急剧下降，第二阶段曲线缓慢下降，第三阶段曲线基本趋于水平。因为混凝土被碳化后，试样分为完全碳化区、部分碳化区和未碳化区，与曲线的变化趋势相符合。完全碳化区和部分碳化区均属于碳化区，这部分CaCO3含量由碳化产生和混凝土水化中产生；未碳化区的CaCO3含量只由混凝土水化产生[10]。EPS用量为0~12%时，随着EPS用量增加，试样碳化深度逐渐减小。当EPS用量为12%，碳化深度最小；当EPS用量超过16%，随着EPS用量的增加，试样碳化深度增大；当EPS用量为20%，试样碳化深度约为23 mm，超过未加EPS的试样(20 mm)。这是因为EPS用量较低时，EPS的加入减少混凝土内部毛细孔、孔隙或是微观裂纹，而且EPS不与CO2反应，抑制CO2向混凝土内部扩散。但是当EPS用量过大（超过16%），混凝土浆体出现分层和EPS颗粒上浮，导致混凝土结构不致密。另外过量的EPS之间直接连接的薄弱点，为CO2扩散提供通道，因此EPS用量超过16%时，混凝土的碳化深度增加[10]。2.2.3耐温度侵蚀性能分析混凝土温度侵蚀主要包括低温和高温侵蚀，且低温或高温侵蚀均造成混凝土的结构或成分发生变化，导致混凝土性能降低。混凝土低温侵蚀，主要指温度在零度以下时，混凝土受到冻融破坏。混凝土的高温侵蚀主要指混凝土处于火灾或高温工作环境时受到侵蚀。图3为试样冻融前后的抗压强度。从图3可以看出，随着EPS用量的增加，未冻融和冻融试样的抗压荷载逐渐降低，这是因为EPS颗粒抗压强度远低于砂粒，EPS颗粒替代砂粒，降低试样抗压强度。加入EPS后，冻融强度损失率先降低后增大。EPS用量为0~12%时，冻融强度损失率分别为15.2%、15.0%、12.8%和9.5%，试样冻融强度损失率逐渐降低。EPS用量为16%~20%时，冻融强度损失率分别为18.0%和19.3%，比不加EPS时分别增大2.8%和4.1%，这说明EPS用量过量（超过16%），EPS/混凝土的抗冻性降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F003图3EPS/混凝土复合材料抗压强度Fig.3Compressive strength of EPS/concrete composites图4为冻融后试样的SEM照片。从图4可以看出，未加EPS时，冻融后试样内部出现细小孔洞和裂纹。当EPS用量为12%，冻融试样内部基本没有孔洞或裂纹。当EPS用量达到20%，冻融试样内部存在一条显著裂纹，裂纹宽度和长度比不加EPS的试样显著。这说明EPS用量一定时，能够减少冻融造成的内部缺陷。EPS用量为0~12%时，随着EPS用量的增加，混凝土冻融强度损失率降低。这是因为低温时混凝土中的水分结冰体积膨胀，当温度升高时冰融化，这种冻融过程的体积变化，对混凝土内部结构造成破坏。而且随着不断的冻融循环，这种破坏不断加剧，使试样抗压强度不断降低。EPS阻碍水分进入混凝土，发生结冰的可能性减小，对混凝土造成的损伤少。另外混凝土是刚性材料，内部水分结冰体积膨胀对混凝土影响较大，但是EPS可以提高混凝土可塑性，使周围的水分结冰膨胀挤压混凝土内部结构，EPS可以分散和释放一定量的应力，可缓解冻融对混凝土内部结构的破坏[11-13]。图4冻融后EPS/混凝土复合材料试样SEM照片Fig.4SEM images of frozen-thawed specimen of EPS/concrete composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F4a1（a）w（EPS）=010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F4a2（b）w（EPS）=12%10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F4a3（c）w（EPS）=20%EPS用量为16%~20%时，随着EPS用量增加，试样冻融强度损失率增大。这是因为EPS颗粒含量过大时，混凝土结构不致密，EPS直接接触会产生薄弱区域，增大冻融破坏，最后导致冻融强度损失率增大。这与图4的结论可以相互验证。绪广东等[14]研究发现：EPS热分解温度在200~350 ℃之间。Ji等[10]研究发现：Ca(OH)2在400~500 ℃之间分解，本实验TG分析温度范围为30~370 ℃，图5为EPS/混凝土复合材料TG曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F005图5EPS塑料/混凝土复合材料TG曲线Fig.5TG curves of EPS/concrete composites从图5可以看出，未加EPS时，在100 ℃左右出现一个失重阶段。加入EPS后，不同试样的TG曲线基本分为两个失重阶段，第一阶段在100 ℃左右，第二阶段在225~350 ℃之间。第一阶段的失重主要为试样内部的自由水蒸发，第二阶段主要为EPS的热分解。而且温度达到350 ℃时，第二阶段的失重基本结束。另外，随着EPS用量的增加，试样的失重率增大。因此，EPS替代部分砂，混凝土的耐高温侵蚀性能下降。加入EPS后，试样中EPS在225 ℃后开始分解，分解后造成试样内部出现孔洞。图6为热处理后试样的SEM照片。从图6可以看出，随着EPS用量的增加，试样中空洞逐渐明显，这降低混凝土的力学性能及其他耐侵蚀性能，因此处于高温环境的混凝土要控制EPS的用量。图6热处理后样品断面SEM照片Fig.6SEM images of sample section after heat treatment10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F6a1（a）w（EPS）=010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F6a2（b）w（EPS）=12%10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.008.F6a3（c）w（EPS）=20%3结论（1）EPS用量为0~12%时，随着EPS用量的增加，混凝土耐水侵蚀性能，耐二氧化碳侵蚀性能和耐低温冻融侵蚀性能提高；EPS用量为16%~20%时，混凝土耐水侵蚀性能，耐二氧化碳侵蚀性能和耐低温冻融侵蚀性能降低。（2）EPS用量为0~20%时，混凝土耐高温侵蚀性能降低，混凝土中的EPS颗粒在225 ℃开始分解，因此高温环境使用的混凝土要控制EPS的用量。（3）EPS用量为12%时，混凝土耐水侵蚀性能，耐二氧化碳侵蚀性能和耐低温冻融侵蚀性能达到最优。