聚苯乙烯(PS)泡沫具有质量轻、成本低等优点，已被广泛用于包装材料、防振材料等领域。然而，废弃PS泡沫在环境中难以直接降解，从而带来环境污染[1-2]。因此，绿色化处理废弃PS泡沫成为研究热点。将废弃PS泡沫与混凝土混合制备的塑料混凝土具有质量轻、保温性能良好、成本低等优点[3-4]。王利平等[5]通过聚乙烯醇(PVA)改性PS，将其作为填料与混凝土混合制备PS混凝土复合材料，并探究复合材料力学性能。结果表明：当改性PS的添加量为10%，复合材料的抗压强度达到最大值(36.7 MPa)，并且具有较好的耐久性。杨传光等[6]通过在混凝土基体中添加不同的废弃塑料，制备塑料混凝土复合材料，并研究不同塑料对混凝土力学性能的影响。结果表明：添加5%的PS使塑料混凝土材料具有最佳的力学性能，其抗压强度和抗折强度分别达到42.4 MPa和6.9 MPa。然而，由于塑料的力学性能低于混凝土基底，复合材料的力学性能低于纯混凝土，不利于在高强度环境下使用。因此，开发具有较高力学性能的塑料混凝土，对扩大塑料混凝土材料的应用领域具有较大的意义。碳纤维(CF)具有较高的力学性能以及耐久性，可以有效用作混凝土填料，增强复合材料的力学性能。然而，CF的疏水性较强，难以在混凝土基体中混合。因此需要对CF进行改性，从而提高其与混凝土基体的相容性[7]。本实验采用硅烷偶联剂对CF进行改性，将改性CF(MCF)与PS混凝土进行混合，制备PS/MCF塑料混凝土复合材料，并对复合材料的力学性能以及保温性能进行研究。1实验部分1.1主要原料平纹布碳纤维(CF)，工业级，吉林石化股份有限公司；废弃聚苯乙烯(PS)，实验器材包装废弃物；硅酸盐水泥，玄武岩碎石，粒径10~30 mm，市售；水泥，P·II 42.5级，安徽海螺水泥股份有限公司；河沙，粒径1.03~1.25 mm，表观密度2 635 kg/m3，长江河砂厂；硅烷偶联剂，KH550，工业级，自贡天龙化工有限公司。1.2仪器与设备万能试验机，WDW-02，济南鼎测试验设备有限公司；动态光学接触角测试仪，BLD-D1，东莞博莱德仪器设备有限公司；傅里叶红外光谱仪(FTIR)，iS 10，美国热电尼高力公司；热导率测试仪，DRH-III，湘潭市仪器仪表有限公司。1.3样品制备CF的改性：将CF剪为2~10 mm的小段，将100 g的CF与无水乙醇按照1∶1.5的质量比进行混合，并加入20 mL的KH550偶联剂，室温下搅拌24 h过滤产物，产物在60 ℃下烘干24 h得到改性CF(MCF)。PS混凝土的制备：按文献[6]中配方，称取650.0 g天然砂、1.2 g减水剂、30.0 g PS塑料、430.0 g水泥和200 g水。配置前将PS破碎为颗粒（尺寸为2.1~3.4 mm），再将原料混合均匀，得到PS混凝土。PS/MCF塑料混凝土复合材料的制备：表1为PS/MCF(CF)塑料混凝土复合材料的配方。作为对照组，按照相同的比例添加未改性CF，制备PS/CF塑料混凝土复合材料。塑料混凝土复合材料在室温下养护7 d后进行测试。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.009.T001表1PS/MCF（CF）塑料混凝土复合材料的配方Tab.1Formula of PS/MCF（CF） plastic concrete composites样品MCFPS塑料混凝土样品CFPS塑料混凝土1010061.09921.09972.09832.09883.09743.09794.09654.096%%1.4性能测试与表征力学性能测试：按GB/T 50081—2002进行测试，试样为尺寸100 mm×100 mm×100 mm，载荷加载速率0.5 kN/s。接触角测试：采用水作为液滴，体积为5 μL。FTIR测试：测试范围500~4 000 cm-1。热导率测试：按JC/T 2125—2012进行测试，试样尺寸300 mm×300 mm×300 mm。蓄热系数测试：按JC/T 2125—2012进行测试，试样尺寸200 mm×200 mm×30 mm，样品两面均磨平。硫酸盐腐蚀性能测试：按GB/T 749—2008进行测试[8]，样品为尺寸100 mm×100 mm×100 mm，将样品置于10%的硫酸钠溶液中浸泡16 h，取出进行晾干，晾干1 h，在80 ℃的烘箱中烘干1 h，冷却至室温计为1个循环，分别在第10、25和50次循环时测量其抗压强度。冻融试验：按GB/T 50082—2009进行测试[9]，样品尺寸20 mm×20 mm×30 mm，将样品在3%的氯化钠溶液中浸泡1 h，再冷冻24 h后对其解冻。经过50次冻融测量其抗压强度。2结果与讨论2.1MCF的FTIR分析图1为改性前后CF的FTIR谱图。从图1可以看出，CF在1 375 cm-1处的峰为C=C的伸缩振动峰[10]。而MCF中1 375 cm-1处峰位没有发生变化，在1 104 cm-1和852 cm-1处出现新吸收峰，来源于硅烷中的Si—O—Si以及Si—O—C键，说明偶联剂对CF成功改性[11]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.009.F001图1改性前后CF的FTIR谱图Fig.1FTIR spectra of CF before and after modification图2为改性前后CF的接触角。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.009.F002图2改性前后CF的接触角Fig.2Contact angles of CF before and after modification从图2a可以看出，改性前CF的接触角在145°左右，呈现疏水性，说明其与塑料混凝土基体相容性较差，因此不利于提升塑料混凝土的性能。从图2b可以看出，MCF接触角已接近于0，说明其的亲水性明显提高，提升MCF与塑料混凝土基体的相容性，从而提高PS/MCF塑料混凝土复合材料的性能。2.2PS/MCF塑料混凝土复合材料的力学性能分析图3为不同PS/CF塑料混凝土复合材料的抗压强度。从图3可以看出，当MCF或CF含量逐渐增大，混凝土复合材料的抗压强度均先增大后降低。当MCF的含量为3%，PS/MCF塑料混凝土的抗压强度达到最大值，为4.96 MPa，相较纯PS塑料混凝土的抗压强度(4.27 MPa)提高16.2%，说明MCF的加入可以有效地提高PS塑料混凝土的抗压强度。PS/MCF塑料混凝土复合材料的抗压强度高于PS/CF塑料混凝土，由于MCF具有较好的亲水性，与塑料混凝土基体之间进行充分混合，增大塑料混凝土的抗压强度。但当MCF含量较高，部分MCF分散较差，与塑料混凝土基体间的结合较差，从而导致复合材料的抗压强度相对降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.009.F003图3不同PS塑料混凝土复合材料的抗压强度Fig.3Compressive strength of different PS plastic concrete composites图4为不同PS塑料混凝土复合材料的抗折强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.009.F004图4不同PS塑料混凝土复合材料的抗折强度Fig.4The flexural strength of different PS plastic concretecomposites从图4可以看出，随着CF或MCF含量的增加，复合材料的抗折强度呈现先增加后下降的趋势。当MCF的含量为3%，PS/MCF塑料混凝土的抗折强度达到最大值为9.3 MPa。相比纯PS塑料混凝土，加入CF或MCF的PS塑料混凝土复合材料的抗折强度均升高，说明CF或MCF的加入，可以有效增强材料的抗折强度。CF与混凝土基体之间的界面结合作用，使样品受到的力传递至CF，可以使一部分外力被有效分解，从而增强其抗折性能。此外，PS/MCF塑料混凝土复合材料的抗折强度明显高于同比例下PS/CF塑料混凝土。由于MCF的亲水性提高，增强其与混凝土界面之间的结合作用，明显增大PS/MCF塑料混凝土复合材料抗折性能。结果表明，MCF的加入可以明显增强PS塑料混凝土复合材料的力学性能。2.3PS/MCF塑料混凝土复合材料的保温性能分析图5为不同PS塑料混凝土复合材料的热导率。从图5可以看出，随着CF或MCF含量的增加，PS塑料混凝土复合材料的热导率逐步增加，是由于CF的热导率相比混凝土基体较高。此外，PS/MCF塑料混凝土复合材料的热导率低于PS/CF塑料混凝土复合材料，由于CF与混凝土基体之间的结合性较差，CF与混凝土基体之间存在较多空隙，使热量可以有效地通过空隙流失，从而增强热导率。尽管CF或MCF的加入使PS塑料混凝土复合材料的热导率均上升，然而根据《屋面保温隔热用泡沫混凝土》(JC/T 2125—2012)中规定，保温混凝土材料的热导率标准值(≤0.19 W/(m·K))，得到的PS塑料混凝土复合材料均满足此标准。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.009.F005图5不同PS塑料混凝土复合材料的热导率Fig.5Thermal conductivity of different PS plastic concrete composites通常蓄热系数大，说明材料储存热量的能力大，保温效果好。图6为不同PS塑料混凝土复合材料的蓄热系数。从图6可以看出，随着CF或MCF含量的增加，PS/MCF塑料混凝土复合材料的蓄热系数均下降，由于CF的加入导致材料的热导率增加，热量流失更快。MCF加入使PS/MCF混凝土材料的蓄热系数高于PS/CF混凝土材料。根据《屋面保温隔热用泡沫混凝土》(JC/T 2125—2012)中规定，保温混凝土材料的蓄热系数标准值(≥3.85 W/(m·K))，除5号样低于标准值，其他样品均符合标准。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.009.F006图6不同PS塑料混凝土复合材料的蓄热系数Fig.6Heat storage coefficient of different PS plastic concrete composites2.4PS/MCF塑料混凝土复合材料的耐久性能表2为PS/MCF塑料混凝土复合材料耐久性能。从表2可以看出，经过不同次数的抗硫酸盐实验，PS/MCF塑料混凝土复合材料的抗压强度均下降，当MCF的含量为3%，PS/MCF塑料混凝土的抗压强度下降率最低，50次抗硫酸盐腐蚀实验，PS/MCF的抗压强度降至4.711 MPa，下降率为5.06%，说明其具有较好的耐腐蚀性。由于MCF具有较好的耐腐蚀性能、较强的亲水性，与混凝土之间结合性好，阻止腐蚀液浸入。50次抗冻融实验下，4号样抗压强度下降率最低1.38%。因此，4号样具有优异的耐冻融性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.009.T002表2PS塑料混凝土和PS/MCF塑料混凝土复合材料的耐久性Tab.2Durability of plastic concrete and PS/MCF plastic concrete composites样品抗硫酸盐试验后抗压强度/MPa抗硫酸盐试验后抗压强度下降率/%冻融50次后抗压强度/MPa冻融50次后抗压强度下降率/%10255010255014.0873.9953.8904.236.388.844.1622.4524.3444.2544.1984.156.137.364.4342.1734.5804.4764.4833.655.845.694.6641.8944.7974.7514.7113.324.265.064.8941.3854.7434.6634.6563.465.095.244.8331.622.5PS/MCF塑料混凝土复合材料的SEM分析图7为1号、4号和5号样的SEM照片。从图7可以看出，纯PS塑料混凝土的表面具有较多微孔，受应力容易开裂。而4号样中由于MCF与混凝土基体之间的相容性较好，部分MCF与混凝土基体紧密结合，有效提高其力学性能，并且微孔消失，对其抗腐蚀性能具有较好的增强作用。而MCF含量较多的样品中，MCF在混凝土的内部分布较杂乱，使得力学性能相比4号样下降。此外，杂乱分布的MCF使得混凝土基体内部出现较多的微孔，导致其抗腐蚀性能也发生下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.009.F007图7不同PS塑料混凝土复合材料的SEM照片Fig.7SEM images of different PS plastic concrete composites3结论（1）通过在PS混凝土基体中加入MCF，制备PS/MCF塑料混凝土复合材料，由于硅烷的引入，CF的亲水性得到有效提高，从而增大其与混凝土基体之间的结合力。（2）4号样的力学性能最好，其抗压强度和抗折强度分别为4.96 MPa和9.3 MPa。PS/MCF塑料混凝土复合材料的热导率增大，但均满足相关标准。（3）4号样表现最佳的耐久性，经过50次硫酸盐腐蚀试验和50次冻融试验，其抗压强度分别下降5.06%和1.38%。因此，4号样具有较好的保温性能和力学性能，可以有效地用于屋面保温混凝土材料。