塑料混凝土是通过塑料颗粒取代部分混凝土轻骨料，其中塑料颗粒一般为再生的回收塑料废物，可以提高废塑料的利用率并减少环境污染，并且一定量塑料颗粒可以改善混凝土的力学性能或保温性能[1-2]。聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)具有良好的保温性能、抗冲击性和可塑性能，在工业生产和日常生活中应用广泛，导致EPS废弃物较多。EPS塑料混凝土被广泛应用于围护结构、屋盖楼板、抗冲击层等建筑工程[3-4]。杨飞等[5]利用EPS制备塑料混凝土，研究表明：随着EPS的掺入，塑料混凝土的力学性能减弱，但保温隔热性能提高。Babu等[6]研究EPS粒径对塑料混凝土力学性能的影响，结果表明：小粒径EPS混凝土的抗压强度比大粒径EPS混凝土抗压强度高。严捍东等[7]利用再生EPS制备混凝土，研究表明：随着EPS的加入，混凝土表观密度和导热系数降低。但目前关于EPS塑料混凝土的研究，主要探究EPS颗粒的掺量和粒径对塑料混凝土性能的影响，而EPS颗粒表面改性对塑料混凝土性能的影响研究较少。然而，EPS属于非极性憎水材料，与混凝土中水泥浆体之间不易润湿亲和，EPS和浆体相容性较差，其界面黏结性较弱，对塑料混凝土的性能不利，因此需要EPS表面改性，提升混凝土性能[8]。本实验以EPS颗粒取代部分砂，通过改性EPS颗粒制备塑料混凝土，研究不同改性方法对塑料混凝土力学性能和保温性能的影响，并探究最优改性方法下EPS最优取代量。1主要部分1.1主要原料水泥，P·O 42.5，华新水泥股份有限公司；砂，河砂，细度模数2.5；碎石，粒径4.75~25.00 mm；废旧EPS，回收的EPS包装泡沫，表观密度14.2 kg/m3；三乙醇胺，纯度99%，广州市华莱贸易有限公司。1.2仪器与设备压力试验机，HCT106C，深圳万测试验设备有限公司；干燥箱，DHG-9420A，上海一恒科技有限公司；无线实时温度验证系统，Kaye Valprobe RT，上海天穹生物科技有限公司；接触角测试仪，DCAT，德国Dataphysics 公司；导热系数测定仪，TSWL-DR3030，天津赛威仪器设备有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-IT200，日本JEOL公司。1.3样品制备表1为塑料混凝土配合比。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.T001表1塑料混凝土配方Tab.1Formula of plastic concrete试验组w（EPS）/%水胶比（mw/mc）配合比/（kg‧m-3）水泥砂碎石EPS颗粒水三乙醇胺空白组00.44300540135001150N-EPS50.443005131350271150G1-EPS50.443005131350271151.35G2-EPS50.443005131350271151.35G3-EPS50.443005131350271151.35将EPS泡沫在研磨机中粉碎5 s，颗粒粒径约为3 mm。按表1配方不添加EPS，制备纯混凝土（空白组）。按表1配方称取水、轻骨料（砂和EPS颗粒）、水泥、碎石，倒入搅拌机中搅拌3 min，制备N-EPS。通过原料共混改性法制备G1-EPS，按表1称取各原料，将三乙醇胺、水、轻骨料（砂和EPS颗粒）、水泥、碎石依次倒入搅拌机中搅拌3 min，制备G1-EPS。通过改性剂-EPS先混改性法制备G2-EPS，按表1称取各原料，将三乙醇胺、水和EPS颗粒依次倒入搅拌机中充分搅拌1 min，让改性剂覆盖EPS表面，得到EPS改性母料；再将轻骨料（砂）、水泥、碎石依次倒入搅拌机中继续搅拌3 min，得到G2-EPS。通过改性剂-水泥包裹改性法制备G3-EPS，按表1称取各原料质量，将三乙醇胺、水和EPS颗粒依次倒入搅拌机中充分搅拌1 min；然后将水泥倒入搅拌机中搅拌1 min，得到改性剂-水泥包裹EPS母料；再将轻骨料（砂）、碎石依次倒入搅拌机中继续搅拌3 min，得到G3-EPS。同时，将制备的样品按GB/T 50082—2009养护至28 d，养护条件为温度(20±2) ℃、湿度不低于95%。1.4性能测试与表征接触角测试：利用5 μL去离子水，进行接触角测试。抗压强度和抗折强度测试：按GB/T 50082—2009进行测试，抗压强度测试试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度测试试件尺寸100 mm×100 mm×400 mm。导热速率测试：在尺寸为100 mm×100 mm×100 mm试件正中间位置，垂直钻一个Φ6 mm、深50 mm的孔，将无线温度传感器放入孔底部，利用聚氨酯泡沫胶填充孔。将试件放入20 ℃实验室中恒温24 h。将试件放入60 ℃恒温烘箱中，使试件内部温度升至60 ℃，立即将试件放入20 ℃实验室中，待试件内部温度降至20 ℃时，试验结束，记录无线温度传感器温度。导热系数测试：按GB/T 10294—2008进行测试，试件尺寸300 mm×300 mm×30 mm。SEM分析：对样品表面喷金处理，观察样品表面形貌。2结果与讨论2.1改性EPS的极性为了提高EPS颗粒表面极性，增强EPS与混凝土中浆体的相容性，选用三乙醇胺作为EPS颗粒的表面活性剂，通过不同方法对EPS进行改性。通过测试改性前后EPS颗粒与水的接触角，表征EPS的极性，图1为测试结果。从图1a可以看出，N-EPS与水的接触角较大，说明未改性EPS的极性较差。从图1b~图1d可以看出，EPS颗粒改性后，与水的接触角显著降低，说明改性EPS颗粒与水亲和性显著增强。G1-EPS与水的接触角降至29°；G2-EPS与水的接触角降至10°；G3-EPS与水的接触角降至0。研究表明：G3-EPS的改性方法，对提高EPS颗粒极性的效果最明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F001图1EPS颗粒与水的接触角Fig.1Contact angle between EPS particles and water2.2塑料混凝土的SEM分析图2为EPS取代量为5%时，纯混凝土和不同EPS塑料混凝土的SEM照片。从图2a可以看出，未加EPS时，混凝土中存在较多孔洞或裂纹。从图2b~图2e可以看出，与未加EPS相比，EPS取代量为5%时，塑料混凝土中的孔洞或裂纹变小且数量减少，而且改性EPS混凝土内部孔洞比未改性EPS混凝土少，G3-EPS的孔洞、裂纹最少。因为混凝土在水化过程中放热，内部温度升高，水化后温度下降，过程中造成混凝土结构内部膨胀和收缩，产生孔洞或裂纹等缺陷。而EPS颗粒具有吸能和缓冲作用，能够分散和吸收混凝土内部产生的部分应力[9]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F002图2塑料混凝土的SEM照片Fig.2SEM images of plastic concrete specimen2.3EPS不同改性方法对塑料混凝土力学性能的影响抗压强度和抗折强度是混凝土主要力学性能，通过分析EPS塑料混凝土抗压强度和抗折强度，研究EPS不同改性方法对塑料混凝土力学性能的影响。图3为EPS取代量为5%时，塑料混凝土力学性能。从图3可以看出，空白组的抗压和抗折强度分别为17.1 MPa和3.4 MPa，与空白组相比，N-EPS的抗压和抗折强度增长不明显，分别为17.2 MPa和3.5 MPa。因为EPS的力学性能远低于混凝土中其他组分，EPS颗粒降低混凝土的力学性能利[10]。另外，N-EPS颗粒极性较差，EPS与混凝土相容性不好，虽然混凝土内部孔洞和裂纹等缺陷与空白组相比略有减少，但缺陷仍然较多，导致混凝土力学性能略有增长，但增长不明显。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F003图3塑料混凝土力学性能Fig.3Mechanical properties of plastic concreteG1-EPS、G2-EPS和G3-EPS抗压强度分别为17.7、18.1和18.4 MPa，抗折强度分别为3.7、3.9和4.1 MPa，说明加入改性EPS，混凝土抗压和抗折强度显著增加，G3-EPS的抗压和抗折强度比空白组相比，分别增加7.6%和20.6%。因为EPS改性后，提高EPS颗粒极性，使EPS与混凝土其他组分结合性增强，混凝土内部孔洞和裂纹等缺陷减少，且EPS具有吸能和应力缓冲作用，对提高混凝土力学性能有利[11]。因此，当w(EPS)为5%，EPS的加入能够提高塑料混凝土的力学性能，而且改性EPS使混凝土力学性能增长显著，G3-EPS塑料混凝土的力学性能最优。2.4EPS不同改性方法对塑料混凝土保温性能的影响图4为EPS取代量为5%的塑料混凝土导热系数。从图4可以看出，空白样、N-EPS、G1-EPS、G2-EPS和G3-EPS导热系数分别为0.245、0.231、0.213、0.189和0.167 W/(m·K)。与空白组相比，加入未改性EPS和改性EPS的塑料混凝土导热系数均逐渐降低。因为EPS加入后，混凝土微观结构中孔洞或裂纹缺陷更少，延长热量在混凝土内部传递，导致混凝土导热系数降低明显[12]。因此，随着EPS的加入，混凝土导热系数逐渐降低，尤其是EPS改性后，使混凝土导热系数更低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F004图4塑料混凝土导热系数Fig.4Thermal conductivity of plastic concrete图5为塑料混凝土的导热速率。从图5可以看出，EPS取代量为5%时，空白组混凝土经60 min后，温度达到60 ℃，混凝土再经120 min，温度降至20 ℃。随着EPS增加，塑料混凝土升温和降温时间明显变长，导热速率降低，从20 ℃升温至60 ℃，N-EPS、G1-EPS、G2-EPS和G3-EPS混凝土试件所需时间分别为100、140、170和230 min；从60 ℃降至20 ℃，N-EPS、G1-EPS、G2-EPS和G3-EPS混凝土所需时间分别为140、160、170和180 min。与空白组相比，N-EPS、G1-EPS、G2-EPS和G3-EPS试件升温时间分别延长40、80、110和170 min，降温时间分别延长20、40、50和60 min。研究表明，EPS加入提高塑料混凝土的保温性能，且EPS改性后极性越强，塑料混凝土升温和降温时间越长，保温性能越好，与塑料混凝土导热系数变化规律一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F005图5塑料混凝土导热速率Fig.5Heat conduction rate of plastic concreteEPS的加入降低混凝土的导热系数和导热速率。塑料混凝土的保温性能随着EPS加入不断提高，而且改性后EPS对混凝土保温性能提高效果更明显，保温性能提高效果顺序为G3-EPSG2-EPSG1-EPSN-EPS。2.5EPS最优取代量分析基于最佳的改性方法，探究不同EPS取代量对塑料混凝土性能的影响，表2为不同G3-EPS塑料混凝土的配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.T002表2不同G3-EPS塑料混凝土配方Tab.2Formula of different G3-EPS plastic concrete编号w（EPS）/%水胶比（mw/mc）配合比/（kg‧m-3）水泥砂碎石EPS颗粒水三乙醇胺150.443005131350271151.352100.443004861350541152.703150.443004591350811154.05图6为不同EPS取代量的G3-EPS塑料混凝土的SEM照片。从图6a~图6b可以看出，改性EPS取代量增至10%时，G3-EPS塑料混凝土中孔洞或裂纹等缺陷逐渐减少。从图6c可以看出，当改性EPS取代量增至15%，G3-EPS塑料混凝土中孔洞或裂纹增多。因为EPS颗粒具有吸能和缓冲作用，能够分散和吸收混凝土内部产生的部分应力[9]。但改性EPS取代量达到15%时，因为EPS掺量过大容易造成部分EPS直接接触，而EPS之间不能发生反应，则EPS颗粒界面间成为薄弱区域，在混凝土水化过程中又容易产生孔洞和裂纹等缺陷[13]。因此，G3-EPS塑料混凝土在改性EPS取代量为10%时，塑料混凝土微观结构最好。图6不同EPS取代量下G3-EPS塑料混凝土的SEM照片Fig.6SEM images of G3-EPS plastic concrete with different EPS substitution amount10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F6a1（a）w(EPS)=5%10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F6a2（b）w(EPS)=10%10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F6a3（c）w(EPS)=15%图7为不同EPS取代量下G3-EPS塑料混凝土的力学性能。从图7可以看出，随着改性EPS取代量从5%增至15%时，混凝土抗压和抗折强度先增大后降低，当改性EPS取代量为10%时，G3-EPS塑料混凝土抗压和抗折强度最大，继续增加EPS取代量，G3-EPS塑料混凝土抗压和抗折强度显著降低。因为EPS的加入减少混凝土内部孔洞和裂纹等缺陷的产生，且EPS具有吸能和应力缓冲作用，对提高混凝土力学性能有利。同时，EPS的力学性能远低于混凝土中其他组分，而且过量的EPS颗粒加入，产生薄弱区域，EPS颗粒降低混凝土的力学性能[12]。因此，将一定量改性EPS加入混凝土中，可以提高混凝土力学性能，且改性EPS取代量为10%时，制备的混凝土力学性能最好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F007图7不同EPS取代量下G3-EPS塑料混凝土的力学性能Fig.7Mechanical properties of G3-EPS plastic concrete with different EPS substitution amount图8为不同EPS取代量下G3-EPS塑料混凝土的导热系数。从图8可以看出，改性EPS取代量为5%、10%和15%时，G3-EPS塑料混凝土导热系数分别为0.167、0.147和0.139 W/(m·K)。随着改性EPS取代量增加，G3-EPS塑料混凝土导热系数逐渐降低，并且改性EPS取代量不超过10%时，塑料混凝土导热系数降低较快，改性EPS取代量达到15%时，塑料混凝土导热系数降低较慢。因为EPS的导热系数远低于混凝土中其他组分，因此改性EPS的加入，降低塑料混凝土的导热系数。当EPS取代量较低，混凝土微观结构中孔洞或裂纹缺陷更少，延长热量在混凝土内部传递，导致混凝土导热系数降低明显；当改性EPS取代量达到15%，混凝土微观结构中孔洞或裂纹缺陷增多，促进热量在混凝土内部的传递，对混凝土保温性能不利，因此导热系数降低速率变慢[14]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.017.F008图8不同EPS取代量下G3-EPS塑料混凝土的导热系数Fig 8Thermal conductivity of G3-EPS plastic concrete with different EPS substitution amount随着改性EPS取代量增加，G3-EPS塑料混凝土力学性能先增大后减小，导热系数逐渐降低。当改性EPS取代量为10%，混凝土得到最优的力学性能和较好保温性能，继续增加改性EPS取代量，混凝土力学性能显著降低，保温性能继续提高，但提高速率较慢。3结论（1）三乙醇胺改性EPS颗粒，EPS与水的接触角显著减小，提高EPS颗粒的极性，混凝土内部缺陷更少，而且改性剂-水泥包裹改性法对EPS极性和混凝土结构完整性提高更显著。（2）EPS取代量为5%时，EPS的加入能够提高塑料混凝土的力学性能和保温性能，而且EPS改性后，混凝土力学性能和保温性能增长显著。（3）改性剂-水泥包裹改性法制备的塑料混凝土力学性能和保温性能最好。改性剂-水泥包裹改性法中，随着EPS取代量的增加，混凝土力学性能先增大后减小，导热系数逐渐降低。当EPS取代量为10%，G3-EPS塑料混凝土得到最优的力学性能和较好保温性能。