塑料具有抗腐蚀、耐冲击、轻质等特性而在各个领域得到广泛应用。由于塑料自身难以降解,随着塑料制品使用量不断增大,产生的塑料废弃物也不断增多[1-3]。目前对于塑料废弃物普遍的处理方式是填埋和焚烧,但这些处理方式并不能从根源上解决问题,并且造成严重的环境问题[4-6]。因此,高效利用和处理塑料废弃物成为当前研究的重要课题。目前,将塑料废弃物回收处理,并制备成再生塑料骨料添加到水泥基材料中已成为研究热点[7-8]。梁炯丰等[9]研究表明:随着塑料骨料取代率的增加,混凝土的抗压强度不断降低,当塑料骨料取代率不超过10%,可保持较高强度。胡明华等[10]研究表明:随着塑料骨料取代率的增加,混凝土的极限承载力逐渐降低。当塑料骨料取代率为30%,C30混凝土极限承载力降低24%。Hannawi等[11]研究表明:随着塑料骨料取代率的增加,再生塑料骨料砂浆(RPAM)的抗压强度逐渐降低,但塑料骨料的加入使得砂浆具有较好的弯曲韧性和能量吸收能力。颜勇[12]研究表明:随着塑料骨料取代率增加,混凝土的能量吸收显著增强,极限应变明显增大。当取代率为20%,其极限应变较对照组高63.9%。当前对再生塑料骨料水泥基材料的研究主要集中在抗压与抗折强度方面,而对于再生塑料骨料水泥基材料的耐久性研究相对较少。当前研究所用塑料骨料多数为颗粒状,是由回收的塑料废弃物进行分拣、清洗、熔融、造粒等复杂的生产工艺而得到,其生产成本较高[13]。本实验将回收PET塑料瓶直接机械破碎得到片状再生PET塑料骨料(RPA),研究不同RPA取代率对砂浆毛细吸水、氯离子渗透、碳化以及干燥收缩等耐久性能的影响。采用XRD分析RPA对砂浆水化产物的影响,同时采用SEM-EDS分析砂浆微观结构和界面化学元素比例,以期为塑料骨料在水泥基材料中的研究与应用提供参考。1实验部分1.1主要原料水泥,P·O 42.5硅酸盐水泥,绍兴市兆山建材有限公司;砂子,细度模数2.2的河沙,含水量1.0%,吸水率1.2%,表观密度2 580 kg/m3,浙江中砂建材有限公司;再生PET塑料骨料(RPA),粒径为5 mm以下的片状细骨料,吸水率0.2%,表观密度1 350 kg/m3,由回收的废弃PET塑料瓶经机械破碎所得;聚羧酸类高效减水剂,密度为1.1 g/cm3,减水率为26%,江苏冠祥建材有限公司。1.2仪器与设备搅拌机,UJZ-15,沧州科兴仪器设备有限公司;混凝土氯离子扩散系数测定仪,SW-RCM,北京盛世伟业科技有限公司;碳化箱,CCB-70,北京数智意隆仪器有限公司;砂浆收缩仪,BC-176,沧州科兴仪器设备有限公司;扫描电子显微镜(SEM),JSM-6360LV,日本电子(JEOL);X射线荧光衍射仪(XRD),Empyrea,荷兰帕纳科公司。1.3样品制备根据等体积法设计样品配合比,水灰比为0.41,表1为样品配合比。NC为RPA取代率为0的样品,P10、P20、P30和P40为RPA以10%、20%、30%和40%比例等体积取代天然砂试件(以取代率10%为例:1217(1 m3砂质量)/2580(砂密度)×10%(取代体积)×1350(PET密度)=63.7 kg/m3)。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.T001表1样品的配合比Tab.1Mixture proportion of the sample试件编号水泥水砂子RPA减水剂NC731300121701.59P107313001095.363.71.42P20731300973.6127.41.45P30731300851.9191.01.40P40731300730.2254.71.27kg‧m-3kg‧m-31.4性能测试与表征毛细吸水性能测试:按JGJ/T 70—2009和文献[14]方法进行测试,试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,分别测量试件在浸水后0、15 min、30 min、1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h和48 h的质量,试件单位面积累积毛细吸水高度的计算公式为:i=ΔWAcρw=St+b (1)式(1)中:i为试件单位面积累积毛细吸水高度,mm;ΔW为试件在不同时间段累积毛细吸水质量,g;Ac为试件底面面积,mm2;ρw为水的密度,g/cm3;S为吸水率,mm/min1/2;t为累计时间,min;b为纵轴截距,mm。抗氯离子渗透性能测试:按GB/T 50082—2009进行测试,试件尺寸为Φ100 mm×50 mm。抗碳化性能测试:按GB/T 50082—2009进行测试,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,测定试样在3、7、14、21、28 d的碳化深度。干燥收缩性能测试:按JGJ/T 70—2009进行测试,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,分别测定试件在1、3、7、14、28、60、90 d的长度变化值,干燥收缩率计算公式为:εat=L0-LtLb (2)式(2)中:εat为试件第t d龄期的干燥收缩率;L0为试件初始长度,mm;Lt为试件第t d龄期的实测长度,mm;Lb为试件测量标距,mm。SEM分析:取28 d力学试验后破碎试块,放入无水乙醇中浸泡24 h终止水化。对试块喷金等处理,观察断面微观形貌。XRD测试:取28 d力学试验后破碎试块,放入无水乙醇中浸泡24 h终止水化。将试块磨粉,粉末于载玻片上,进行XRD测试。2结果与讨论2.1毛细吸水性能对不同RPA取代率下RPAM单位面积吸水量的变化进行线性回归拟合,图1为测试结果。从图1可以看出,RPAM单位面积吸水量与时间平方根几乎呈线性关系。随着吸水时间的增加,单位面积吸水量逐渐增大。随着RPA取代率增加,RPAM单位面积吸水量逐渐增大,P10、P20、P30和P40在48 h时单位面积吸水量较NC分别提升了18.2%、24.2%、34.8%和67.0%,与文献[15]的研究结论相似。由于RPA的尺寸分布和形状以及颗粒级配与天然骨料相比存在较大差异,导致砂浆的致密性降低。另外,由于RPA表面较光滑,导致水泥基体与RPA的界面过渡区薄弱,破坏了水泥基体内部微观结构的连续性[16],从而导致吸水性提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F001图1RPA取代率对RPAM毛细吸水性能影响Fig.1Effect of RPA substitution rate on capillary water absorption of RPAM2.2氯离子渗透性能图2为RPA取代率对RPAM抗氯离子渗透性能的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F002图2RPA取代率对RPAM抗氯离子渗透性能的影响Fig.2Effect of RPA substitution rate on chloride ion penetration resistance of RPAM从图2可以看出,RPAM的抗氯离子扩散系数满足10.5×10-12 m2/sDRCM23.0×10-12 m2/s的要求,其渗透性评价属于“一般”[17]。但RPAM的氯离子扩散系数随着RPA取代率增加而逐渐增大。相较于NC,P10、P20、P30和P40的氯离子扩散系数分别增长了6.2%、12.7%、28.4%、41.4%,且当取代率超过20%后,其氯离子扩散系数明显增长。由于RPA的掺入会引入空气,且由于塑料骨料与水泥基体之间的黏结性较弱,导致其水泥基体内部薄弱界面增多,从而导致RPAM的抗渗透能力减弱,与Silva等[18]研究结论相一致。表明随着片状RPA的掺入,混凝土的氯离子渗透系数逐渐增加。2.3碳化性能再生塑料骨料水泥基材料的抗碳化性能受其吸水率、孔隙率和透水性的影响[18]。图3为不同RPA取代率对RPAM抗碳化性能的影响。从图3可以看出,28 d龄期时,RPAM的碳化深度为3.7~8.3 mm,符合JGJ/T 193—2009中对水泥基材料抗碳化性能的Ⅳ级标准(0.1 mm≤d10 mm)要求。RPAM的碳化深度随碳化时间增长明显变大,当碳化龄期相同时,RPAM碳化深度随RPA取代率增加而增大。当RPA取代率为40%时,RPAM在28 d碳化深度为NC的2.24倍。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F003图3RPA取代率对RPAM抗碳化性能影响Fig.3Effect of RPA substitution rate on carbonation resistance of RPAM图4为经7 d和28 d碳化后RPAM试样。从图4a可以看出,RPAM的碳化深度随RPA取代率增加而逐渐增大。从图4b可以看出,掺入RPA后,随着碳化龄期增长试样RPAM密封区域在28 d碳化也较深。主要是加入RPA导致砂浆孔隙增多,加快CO2在水泥基体中的传播速度。图4经7 d和28 d碳化后RPAM试件Fig.4RPAM samples after 7 d and 28 d carbonization10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F4a1(a)经7 d碳化后RPAM试件10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F4a2(b)经28 d碳化后RPAM试件2.4干燥收缩性能干燥收缩产生的原因是混凝土处于空气当中,内部孔隙水分的散失或迁移而产生不可逆的塑性收缩,从而导致混凝土产生裂缝,使得混凝土的耐久性降低[19]。图5为不同RPA取代率对RPAM干燥收缩性能的影响。从图5可以看出,在28 d龄期之前,各组RPAM试件的干缩较大。随着RPA取代率的增加,RPAM的干燥收缩增大,28 d龄期后RPAM收缩情况逐渐减缓。NC试件在90 d龄期时,干燥收缩率为9.92×10-4。P10、P20、P30和P40试件在90 d龄期时的干燥收缩率较NC试件分别增长了19.5%、34.7%、54.7%和67.5%。与Tang等[20]的结论相似,当掺入20%~80%的塑料骨料后,导致水泥基材料的干燥收缩率较NC大。主要是由于塑料骨料具有较低的刚度,塑料骨料对水泥基体的收缩应力具有较低的抵抗力。掺入塑料骨料导致水泥基体薄弱面及孔隙增多,加快了基体内部水分向外界扩散的速度,从而导致其干燥收缩率较大[21-22]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F005图5不同RPA取代率对RPAM干燥收缩性能的影响Fig.5Effect of different RPA substitution rate on drying shrinkage of RPAM2.5RPA最佳用量讨论基于已有试验成果[23-24],对RPA取代率下RPAM的力学性能指标(单轴抗压峰值应力、抗弯强度、抗弯峰值挠度和弯曲振动阻尼比)与耐久性能指标(单位面积毛细吸水量、氯离子渗透系数、碳化深度和干燥收缩率)进行归一化处理,并对其进行线性拟合,图6为拟合结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F006图6RPAM耐久性与力学性能及RPA取代之间的关系Fig.6Relationship between RPAM durability and mechanical properties and RPA substitution注:σ为抗压峰值应力;σm为最大抗压峰值应力;f为抗弯强度;fm为最大抗弯强度;δ为抗弯峰值挠度;δm为最大抗弯峰值挠度;ζ为阻尼比;ζm为最大阻尼比;i为48 h单位面积毛细吸水量;im为48 h单位面积最大毛细吸水量;DRCM为28 d氯离子渗透系数;DRCMm为28 d最大氯离子渗透系数;C为28 d碳化深度;Cm为28 d最大碳化深度;D为90 d干燥收缩率;Dm为90 d最大干燥收缩率从图6可以看出,RPAM力学性能指标与耐久性能指标均随RPA取代率变化呈线性关系,各线性相关系数R20.90,拟合程度较好。另外,随着RPA取代率增加,RPAM的抗压峰值应力及抗弯强度呈线性递减。而RPAM的抗弯峰值挠度和弯曲振动阻尼比以及耐久性,随RPA取代率增加呈线性递增。各拟合线相交时的交点表示在此RPA取代率下,RPAM的力学性能与耐久性能达到相对平衡点,即RPA较好的用量。因此,当RPA取代率为14.8%~19.7%时,RPAM的抗压峰值应力和抗弯强度分别约为NC的76.9%~82.1%和73.9%~79.4%,而RPAM的抗弯峰值挠度和弯曲振动阻尼比较NC分别提升了20.6%~27.5%和22.1%~29.6%。另外,由于RPA的掺入,RPAM的耐久性逐渐降低,各项性能指标较NC逐渐增加。RPA取代率为14.8%~19.7%时,RPAM在48 h单位面积毛细吸水量、28 d氯离子渗透系数、28 d碳化深度以及90 d干燥收缩率较NC分别增加21.0%~28.4%、12.3%~17.3%、58.6%~72.9%和26.0%~33.8%。2.6XRD分析图7为NC与P40试件的XRD谱图。从图7可以看出,NC的SiO2特征峰明显高于P40,主要是由于RPA取代天然砂。另外,P40的Ca(OH)2特征峰高于NC,而水化硅酸钙(C-S-H)的特征峰却低于NC。可能是由于RPA的片状疏水特性,RPA附近区域积水较多,使RPA与水泥浆体接触面区域的水灰比提高,导致Ca(OH)2在RPA表面处富集生长[25-26],使P40组的Ca(OH)2特征峰高于NC。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F007图7NC与P40试件的XRD谱图Fig.7XRD patterns of NC and P40 samples2.7SEM分析图8为NC试件的SEM-EDS照片。表2为NC试件的EDS元素分析数据。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F008图8NC试件的SEM-EDS照片Fig.8SEM-EDS images of NC sample10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.T002表2NC试件的EDS元素分析数据Tab.2EDS element analysis data of NC sample元素质量百分比原子百分比C10.351.53O61.081.26Mg0.340.11Al1.830.15Si13.640.41Ca12.380.39Fe0.380.15%%从图8可以看出,河沙与水泥基体黏结较为紧密,界面过渡区(ITZ)宽度较少且ITZ附近微裂纹及孔洞较少。另外,Ca、Si、Al等元素比较均匀地分布于界面处,表明水泥水化产物填充于界面处。图9为P40试件的SEM-EDS照片。表3为P40试件的元素分析数据。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.F009图9P40试件的SEM-EDS照片Fig.9SEM-EDS images of P40 sample10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.08.004.T003表3P40试件的EDS元素分析数据Tab.3EDS element analysis data of P40 smaple元素质量百分比原子百分比C36.860.93O43.080.98Mg0.220.08Al0.610.08Si1.690.09Ca17.270.38Fe0.250.11%%从图9可以看出,RPA与水泥基体的ITZ宽度较宽,且界面处存在较多微裂纹与孔洞。通过EDS能谱分析ITZ界面可以发现,在各元素分布图中均有一条明显的分割缝,表明RPA与水泥基体之间的黏结较弱,界面孔隙较大。另外通过对比NC与P40试件界面处Ca/Si原子数比,NC界面处Ca/Si原子数比为0.91,而P40界面处Ca/Si原子数比为10.22,约为NC的11.2倍,与NC和P40试件的XRD谱图分析结论相一致。表明RPA的掺入导致Ca(OH)2在ITZ附近富集生长,使得ITZ区域的Ca原子明显增多。而较低的Ca/Si比表明其具有更高的强度,内部C-S-H相的摩尔体积减小,水泥基体与骨料之间的接触面积增大,黏结强度增强,使其内部更加致密,从而提高水泥基材料耐久性[26-27]。3结论(1)随着RPA取代率增加,RPAM毛细吸水性能逐渐增强,当RPA取代率为40%时,RPAM在48 h单位面积细吸水量较NC高67.0%。RPAM氯离子扩散系数随RPA取代率增加而增大,相较NC,RPAM的氯离子扩散系数提升幅度最大可达41.4%。随着RPA取代率增加,RPAM抗碳化能力逐渐减弱。当RPA取代率为40%时,RPAM在28 d碳化深度为NC的2.24倍。在砂浆中掺入RPA增大其干缩变形。随着RPA取代率增加,RPAM前期干缩变形越大,90 d龄期时,其干燥收缩率较NC高19.5%~67.5%。(2)基于实验结果建立了RPAM力学性能指标、耐久性能指标与RPA取代率之间的关系,RPA较好的用量为14.8%~19.7%。RPA的片状疏水特性导致Ca(OH)2在ITZ附近富集生长,RPA与水泥基体之间的ITZ较宽且存在一定的微裂缝,影响RPAM内部结构致密性。后续的研究中可对RPAM进行改性增强处理,如添加纳米材料、矿物掺合料以及对RPA进行化学刻蚀、硅烷偶联剂改性等改性方法,改善RPAM内部结构的致密性,提高其力学性能、耐久性能,以增强其工程适用性。