随着塑料的广泛应用，产生的塑料废弃物也越来越多，并且由于塑料不可生物降解的特性而面临严重的环境问题[1]。近年来，人们发现将塑料掺入混凝土可以获得一系列优异的性能包括低密度、较高的力学性能、保温性能以及隔音效果。因此将塑料废弃物应用到工程材料上成为处理这一问题的有效解决办法[2]。目前国内外的塑料混凝土主要集中在将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、废弃电子塑料和聚氯乙烯(PVC)作为填料方面。Islam等[3]通过将5~20 mm粒径大小的PET颗粒加入混凝土中制备了PET塑料混凝土，并发现其具有较高的抗压强度和较低的密度。Lakshmi等[4]将1.86~2.78 mm的废弃电子塑料颗粒加入混凝土中，得到了具有较高抗压强度、较低渗透性和吸附性的塑料混凝土。Kou等[5]在轻质混凝土中加入5%~45%的PVC塑料制备了具有较高力学性能、较高吸水率和较低收缩量的塑料增强混凝土材料。在大多数的文献研究中，都是将塑料材料直接清洗粉碎后填充到混凝土中，并没有对塑料材料进行进一步的处理，因此得到的塑料混凝土的提升性能十分有限。聚乙烯(PE)作为一种优异的塑料填料具有较好的力学性能，较低的成本以及容易成型等优点，在日常生产生活中应用十分广泛[6-7]。但是纯PE耐热老化性、耐环境应力开裂性能较差，从而限制了其使用范围。研究者们通过使用硅烷将PE进行改性，可以有效地提高其各项性能[8]。本研究通过将废弃PE进行硅烷改性预处理后加入混凝土中，制备了塑料混凝土材料，并对其微观形貌、力学性能、耐磨性能以及抗渗透性能进行了研究。1实验部分1.1主要原料废弃聚乙烯(PE)，丝状，直径小于5 mm，长度小于40 mm，密度1.02 g/cm3，东莞樟木头塑胶市场；细骨料(天然砂)，细度模数2.4，表观密度2 357 kg/m3，淮河河沙厂；粗骨料(碎石)，最大粒径约15.6 mm，密度2 685 kg/m3，淮河采石场；硅酸盐水泥，P·O·42.5，安徽淮南海螺水泥厂，化学成分如表1所示； 高性能聚羧酸减水剂，PCA-1，临沂市尼科建材有限公司；聚二甲氧基硅氧烷、乙醇，分析纯，国药制药集团有限公司。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1硅酸盐水泥的配方Tab.1Portland cement formula组分CaOSiO2Al2O3SO3MgOFe2O3质量分数51.530.87.035.543.032.1%%1.2仪器与设备傅立叶变换红外光谱仪，FTIR-650，天津港东科技股份有限公司；热重分析仪，TGA-101，南京大展检测仪器有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，S4800，日本日立公司；万能试验机，CMT5205，珠海市三思泰捷电气设备有限公司； 氯离子电通量测试仪，PER-6A，北京首瑞大同测控技术有限公司；高速高温摩擦磨损试验机，M-2000，宣化正力动平衡机有限公司。1.3样品制备1.3.1PE的改性将PE在蒸馏水中进行清洗，并在60 oC下烘干。配置100 mL体积比为1:2的硅烷乙醇溶液，放入处理干净的PE，将反应物放置在超声下处理30 min使溶液与塑料充分接触，在40 oC烘箱中反应3 h进行接枝。反应结束后，将样品使用蒸馏水进行冲洗后在室温下自然晾干。1.3.2混凝土试件的制备根据JTG/T F30—2014[9]制备了混凝土标准对比试件，表2为其配比。从表2可以看出，分别加入5%、10%、15%和20%的改性PE(GPE)和纯PE等体积代替天然砂[10]，分别标记为GPE-5、 GPE-10、 GPE-15、GPE-20、PE-5、PE-10、PE-15和PE-20。将试样放置在不同的模具中成型并室温下养护28天。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T002表2塑料混凝土的标准配合比Tab.2Standard mix ratio of plastic concrete试样水泥天然砂碎石减水剂水PE对比样43659411540.992110GPE-5436564.311540.9921117.3GPE-10436534.611540.9921125.7GPE-15436504.911540.9921137.4GPE-20436475.211540.9921151.4PE-5436564.311540.9921117.3PE-10436534.611540.9921125.7PE-15436504.911540.9921137.4PE-20436475.211540.9921151.4kg·m-3kg·m-31.4性能测试与表征SEM分析：脆断，喷金，测试电压20 kV。抗压强度测试：按ASTM C330/C330M—17a[11]进行测试，试样尺寸50 mm×50 mm×50 mm，加载速率2 mm/min。抗折强度测试：按ASTM C330/C330M—17a[11]进行测试，试样的尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，加载速率为0.5 mm/min。劈裂抗拉强度测试：按ASTM C330/C330M—17a[11]进行测试，试样尺寸150 mm× 150 mm×150  mm，加载速率2.4 kN/s。耐磨性能测试：按JT J053—94进行测试，将试件放置在耐磨试验机上，载荷200 N磨削50转，称取磨损前后的质量确定其磨损率。抗渗透性能测试：通过氯离子电通量测试，按ASTM C1202—1997[12]，制备长度50 mm、直径100 mm的圆柱形试件，将试件放在真空饱水机里进行真空饱水，在试件两端加上60 V的电压，试件两端电解池中分别放置3.0%的氯化钠(阴极)和0.3 mol/L的氢氧化钠水溶液(阳极)，记录6 h内通过试件的总电量即为试件的电通量。抗冻融测试：按GB/T 50082—2009进行测试，配置3%的氯化钠溶液，试件尺寸10 mm×10 mm×40 mm，称取冻融前后的质量确定其质量损失率。2结果与讨论2.1GPE的特征图1为PE与GPE的红外光谱，PE和GPE均在2 970、2 860、1 463和720 cm-1处有较大的特征峰，分别归属于PE中的—CH2反对称伸缩振动、—CH2对称伸缩振动、—CH2平面振动和碳链摇摆振动。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001图1PE和GPE的红外光谱Fig.1FTIR spectra of PE and GPE加入硅烷改性之后，GPE在1 264、1 098和802 cm-1处出现了峰值，分别归属于硅烷中的—Si—CH3、—Si—O—C和Si—O—Si[13]。说明硅烷成功接枝到PE上，并且GPE上出现了较多的官能团，这些官能团可以有效提高与复合基体的结合力从而增强性能。由于纯PE在较低温环境下容易造成开裂，说明其随着温度变化性能也会发生较大的变化，因此对不同PE和GPE材料进行了热重分析，图2为不同温度处理下的不同PE和GPE的TGA曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002图2不同温度处理下的不同PE和GPE的TG曲线Fig.2TG curves of different PE and GPE under different temperature treatment从图2可以看出，PE和GPE在常温下的热稳定性没有较大的差异。而在-25 oC的低温环境处理24 h后，PE的热稳定性急剧下降，最大失重温度从470 oC下降到240 oC，而GPE仅从476 oC下降到了410 oC。这是由于GPE上的—Si—O—C和Si—O—Si等官能团具有较强疏水性能，因此可以阻止空气中的水分进入从而使得PE分子内部不易吸收水分子，因此低温下GPE内部不易结冰从而使其结构免受到破坏。这一结果说明硅烷的加入可以有效地改善PE的稳定性。2.2塑料混凝土的微观形貌图3为不同塑料混凝土的SEM照片。图3不同塑料混凝土的SEM照片Fig.3SEM photos of different plastic concrete10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003(a)对比样10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004(b)PE-2010.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005(c)GPE-20从图3可以看出，混凝土标准对比样(图3a)里面无任何连接，并且有一定的缝隙。而加入20%未改性的PE后(图3b)，混凝土基体之中有很多丝状物，这些PE丝状物与混凝土基体之间发生了一定的连接， PE大部分裸露在外，说明其分散性较差从而与基体之间结合较差，因此对混凝土的性能提升作用较低。加入20% GPE后(图3c)，其尺寸和改性前未发生明显变化，弯曲程度更大，这是由于硅烷处理后导致的。相较于纯PE，GPE可以较好地填充到混凝土基体中，因此可以更好地充当二级加强筋作用从而较好的提高混凝土的性能。2.3塑料混凝土的力学性能图4为塑料混凝土的抗压强度、抗折强度以及劈裂抗拉强度与PE或GPE含量的关系。从图4a可以看出，GPE-20的抗压强度从对比样的63.23 MPa下降到55.21 MPa，下降幅度为12.68%；而纯PE抗压强度从63.23 MPa下降到了47.62 MPa(PE-20)，下降幅度为24.69%。这一结果是由于PE抗压强度低于混凝土，因此PE含量越高塑料混凝土的抗压强度越低。加入GPE之后，由于GPE上负载许多的官能团，PE分子间作用力从纯PE链段之间的范德华力和物理缠结点变成了以上两者和化学键的共同作用，因此，GPE的力学强度提高，抗压强度下降幅度较低[14]。尽管PE的加入降低了塑料混凝土的抗压强度，然而根据混凝土力学性能ASTM C330/C330M—17a[11]中规定的抗压强度17.24 MPa，制备的塑料混凝土的抗压强度均远超过标准值。图4不同塑料混凝土的力学性能Fig.4Mechanical properties of different plastic concrete10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F006(a)抗压强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F007(b)抗折强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F008(c)劈裂抗拉强度从图4b可以看出，GPE-20的抗折强度从对比样的10.32 MPa增加到了11.23 MPa，增加幅度为8.82%；而PE-20抗折强度仅仅从10.32 MPa增加到了10.88 MPa，增加幅度仅仅为5.43%，说明GPE的加入可以有效地改善混凝土的抗折强度。造成此结果的原因为丝状PE在混凝土内部的乱向分布形成了有效的二级加强筋效果，阻止了混凝土基体之间的分离从而增大了抗折强度[15]，并且GPE上众多的官能团可以有效地改善混凝土基体与PE之间的结合力，从而使得抗折强度提升大于纯PE。从图4c可以看出，GPE-20劈裂抗拉强度从对比样的4.03 MPa增加到了4.21 MPa，增加幅度为4.47%，而PE-20劈裂抗拉强度从4.03 MPa增加到4.13 MPa，增加幅度仅仅为2.48%。劈裂抗拉强度增加幅度增大的原因为GPE上的含氧官能团可增加混凝土基体与PE填料的结合力。2.4塑料混凝土的耐磨性能耐磨性能是衡量混凝土作为路面材料的重要指标之一，采用单位面积磨耗量作为衡量依据，该值越小，说明混凝土材料的耐磨性能越好[16]。图5为不同PE和GPE含量的塑料混凝土的耐磨性能。从图5可以看出，标准对比样的单位面积磨耗量最大，为1.01 kg/m2，而随着PE和GPE含量的增加，相较于标准对比样掺杂PE和GPE的样品单位面积磨损量均发生减小，其中最低为GPE-20的0.92 kg/m2和PE-20的0.93 kg/m2。说明PE塑料的加入可以有效地发挥其阻裂效应从而使混凝土在磨损过程中可以有效地保持其整体性，并且PE与骨料之间的结合作用可以有效地保证塑料混凝土内部基体之间的连续性[17]。GPE的加入对抗磨性能影响要略强于PE，这是由于硅烷改性后的PE上的硅氧键可以增加PE与混凝土基体之间的结合力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F009图5不同塑料混凝土的耐磨性能Fig.5Wear resistance of different plastic concrete2.5塑料混凝土的抗渗透性能通过氯离子迁移速率得到了制备的塑料混凝土的扩散系数从而反映了其抗渗透性能，图6为测试结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F010图6不同塑料混凝土的抗渗透性能Fig.6The permeability resistance of different plastic concrete从图6可以看出，加入一定量的PE和GPE可以有效地降低混凝土的扩散系数，并且GPE相较于PE下降幅度更大。这是由于在混凝土的硬化过程中会形成一定的体积收缩，后期会由于水分的丢失形成干缩，从而在混凝土内部形成一系列的微小裂纹[18]。PE塑料加入混凝土中可以有效地填充混凝土内部的孔隙结构，从而使混凝土更为密实，因此可以有效地降低扩散系数从而增大抗渗透能力，而GPE由于硅烷的引入可以增大PE与混凝土基体之间的结合作用从而更加密实。相较于PE，GPE由于其表面存在的官能团从而提高与混凝土基体的相容性，因此在混凝土基体中分散更为均匀，可以更有效的填充混凝土内部的裂纹从而增大抗渗透能力。2.6塑料混凝土的抗盐冻性能研究表明混凝土的抗盐冻性能与其使用过程中的耐久性能密切相关，因此，对其在不同冻融次数下的质量损失率做了评估，图7为测试结果。从图7可以看出，随着冻融次数的增加，塑料混凝土的质量损失率也随着增加，并且空白对比样的混凝土质量损失最多，100次冻融后其质量损失率从0增加到了0.212%，加入GPE的塑料混凝土在100次冻融后的质量损失率均低于对比样，分别为0.185% (GPE-5)、0.173%(GPE-10)、0.128%(GPE-15)和0.114%(GPE-20)，表明GPE的加入可以有效地增加混凝土的抗盐冻性能。这是由于GPE上的Si—O等官能团具有较强的疏水性能，可以有效地减少混凝土在空气中吸收的水分，从而降低冻融过程下混凝土内部结冰导致微裂纹的扩展从而防止其在低温环境下性能降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F011图7不同塑料混凝土的抗冻融性能Fig.7The freezing-thawing resistance of different plastic concrete3结论(1)通过在标准塑料混凝土配方中加入一定量的纯PE和GPE替代天然砂石制备了PE和GPE塑料混凝土，并对其性能进行了分析。结果表明，加入GPE可以有效地减小塑料混凝土抗压强度的下降，下降幅度仅仅为12.68%。(2)加入GPE可以有效地增加塑料混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度，最大增加了8.82%和4.47%，高于纯PE的5.43%和2.48%，说明硅烷改性后的PE对于塑料混凝土的力学性能提升具有较好的效果。(3)GPE-20相比于标准对比样具有较好的抗磨性能，说明其可以用于路面材料之中。并且在耐久性方面，GPE-20表现出较高的抗渗透性能和抗盐冻性能，说明其可以用于多种环境之中。综上所述，掺入20% GPE的塑料混凝土具有较好的综合性能，说明GPE可以有效地增强混凝土的性能。