混凝土是目前用途广、用量大的建筑材料，在建筑工程、公路工程、桥梁和隧道工程等领域有广泛应用。随着近些年建筑行业的快速发展，施工项目对混凝土的需求不断增加[1]。砂石骨料是混凝土制备和生产中必不可少的原材料，占混凝土体积的75%以上，目前砂石资源被过度开发，全球砂石资源短缺[2]。为了缓解这种短缺，学者们已经开始研究使用替代材料或者一些回收的废料来代替天然砂石骨料[3-5]，有效缓解砂石资源的短缺。近些年，再生塑料混凝土在建筑领域得到了广泛的应用。其中，聚丙烯[6]、聚氯乙烯[7]、聚乙烯、聚氯乙烯、橡胶[8]等废旧回收材料替代砂石材料制备了再生塑料混凝土，发现复合材料具有较好的隔热性能、力学性能和耐久性能等[9]。聚氯乙烯(PVC)代替天然砂石制备的复合材料具有质量轻、耐腐蚀、韧性强等优势[10]。然而，随着取代率的增加，混凝土复合材料的力学性能出现显著下降，一方面是由于PVC自身的抗折强度等力学性能低于纯混凝土[11]，另一方面，PVC与混凝土基体的力学性能差异较大影响了基体与PVC之间的结合[12]。因此，可以对PVC进行合理的表面化学或物理改性，以减少PVC对混凝土力学性能的影响，从而改善PVC填料与水泥基体之间的黏结。偶联剂改性具有操作简单、效率高等优势，得到了广泛的应用和推广。王彩红等[13]通过铝酸酯偶联剂改性PVC制备了石膏粉共混物，发现其能够有效改善复合物的流变性能。马海鹏等[14]利用二甲基二氯硅烷改性废弃PVC制备再生塑料混凝土复合材料，有效改善了复合材料的综合性能。王书刚[15]利用硅烷偶联剂改性PVC材料制备了再生塑料混凝土复合材料，表现出轻质、隔热等优势。钛酸酯偶联剂具有良好的偶联效果，但是目前鲜有利用钛酸酯偶联剂改性PVC制备再生塑料混凝土的研究。本实验采用钛酸酯偶联剂改性PVC，将其应用于混凝土，研究改性PVC填料用量对再生塑料混凝土性能的影响，为钛酸酯偶联剂在再生塑料混凝土中的应用及废旧塑料的回收利用提供有效参考。1实验部分1.1主要原料废弃聚氯乙烯(PVC)，S-4450，江苏康宁化学有限公司；钛酸酯偶联剂，KR-TTS，南京全希化工有限责任公司；助剂，工业品，国药集团化学试剂有限公司。1.2仪器与设备氯离子电通量测试仪，PER-8B，无锡环盛设备有限公司；摩擦磨损试验机，UMT TriboLab，布鲁克通用机械测试仪器有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Thermo Nicolet Nexus，美国赛默飞世尔科技公司；万能试验机，CMT5205，珠海市三思泰捷电气公司。1.3样品制备1.3.1改性PVC的制备配置质量分数为5%的钛酸酯偶联剂醇溶液，调整pH值到3.5~4.0之间，后将PVC颗粒和钛酸酯偶联剂溶液以1∶10(W∶V)的比例混合，室温下搅拌24 h后，在120 ℃环境下进行固化2 h，得到钛酸酯偶联剂改性的PVC材料。1.3.2再生塑料混凝土的制备表1为再生塑料混凝土配方。先将天然砂石、水泥和碎石按表1的配方进行混合，搅拌3~5 min后，加入改性PVC颗粒（部分替代天然砂石，填料用量以改性PVC替代天然砂占比计，分别为0、5%、10%、15%、20%、25%），加入水，搅拌均匀入模，养护24 h后拆模制成再生塑料混凝土复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.014.T001表1再生塑料混凝土配方Tab.1Formula of recycled plastic concrete试样编号水水泥灰天然砂改性PVC碎石减水剂1#14629273593.3012855.52#14629273563.629.712855.53#14629273534.059.312855.54#14629273504.389.012855.55#14629273474.6118.712855.56#14629273445.0148.312855.5kg·m-3kg·m-31.4性能测试与表征FTIR谱图：扫描范围为400~4 000 cm-1。力学性能测试：按JGJ/T 12—2019测试试样的抗压强度和抗折强度，加载速率分别为0.5 kN/s和50 mm/min。耐磨性能测试：按JTJ 053—1994进行测试，将试件放置在耐磨试验机上，压力为548 N，滑动速度为6.2 m/s，测定试样的平均摩擦系数和单位面积磨损耗量。抗渗透性能测试：按GB/T 50082—2009进行测试，测定6 h内通过试样的总电量为实验值。耐久性能测试：硫酸盐腐蚀性能按GB/T 749—2008进行测试，将试样置于10%的硫酸钠缓冲液中浸泡16 h，取出进行晾干，后在80 ℃烘箱中烘干，冷却至室温，循环50次后测定其抗压强度。冻融性能按GB/T 50082—2009进行测试，将试样置于3%的氯化钠溶液中浸泡1 h，再冷冻24 h对其进行解冻，循环50次后测定其抗压强度以及抗压强度下降率，其中抗压强度下降率以第50次循环和第0次循环测试的抗压强度数值作对比计算。2结果与讨论2.1FTIR分析图1为PVC和钛酸酯偶联剂改性PVC的FTIR谱图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.014.F001图1PVC和钛酸酯偶联剂改性PVC的FTIR谱图Fig.1FTIR spectra of PVC and PVC modified by titanate coupling agent从图1可以看出，两个试样在1 698和1 246 cm-1处出现吸收峰，分别归属于PVC材料中C—C振动和—CH3的吸收峰[16]。而改性PVC在2 929 cm-1处出现一个弱的吸收峰，这归属于钛酸酯的亚甲基伸缩振动[17]，表明经过钛酸酯偶联剂改性处理后，PVC表面连接了钛酸酯偶联剂的亚甲基官能团，且亚甲基官能团和PVC表面的羟基发生化学交联反应[18]，表明钛酸酯偶联剂成功改性PVC。2.2改性再生塑料混凝土力学性能和耐磨性能分析表2为钛酸酯偶联剂改性再生塑料混凝土的力学性能和耐磨性能。从表2可以看出，未添加改性PVC时，混凝土的抗压强度和抗折强度分别为32.11 MPa和5.11 MPa。随着填料的增加，复合材料的抗压强度先上升后下降，填料用量为15%时抗压强度达到最高，为32.21 MPa。这主要是由于改性PVC颗粒的粒径小于混凝土基质[19]，在小体积置换率下，可以提高再生塑料混凝土的立方体抗压强度，而PVC的抗压强度低于混凝土材料[20]，大量掺入改性PVC填料时，再生塑料混凝土的抗压强度不断降低。而随着填料的增加，复合材料的抗折强度呈现逐渐上升后平稳变化的趋势，当改性PVC填料超过15%时，塑料混凝土的抗折强度变化趋于平稳，约为9.23 MPa。钛酸酯偶联剂改性PVC后，PVC表面的极性基团增强，增强了其与混凝土的结合力[21]，改善了再生塑料混凝土的抗折强度和抗压强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.014.T002表2钛酸酯偶联剂改性再生塑料混凝土的力学性能和耐磨性能Tab.2Mechanical properties and wear resistance of recycled plastic concrete modified by titanate coupling agent填料用量/%抗压强度/MPa抗折强度/MPa平均摩擦系数单位面积磨损耗量/（kg‧m-2）032.115.111.251.01532.116.530.980.971032.158.010.790.951532.219.230.650.902031.019.450.660.912529.889.480.680.90随填料量的增加，复合材料的平均摩擦系数呈现先下降后小幅上升的趋势，改性PVC填料用量在15%时达到最低，为0.65。从单位面积磨损耗量的变化结果可以发现，随改性PVC填料用量的不断增加，其数值呈现小幅降低后平稳变化的趋势，当填料用量超过15%时，单位面积磨损耗量维持在0.90 kg/m2左右。改性PVC提升了再生塑料混凝土的耐磨性能。一方面，钛酸酯引入PVC表面后发生交联反应，进一步形成交联结构[22]，进而能够有效抵抗摩擦过程中的形变；另一方面，通过钛酸酯偶联剂和PVC的化学交联反应，进一步提升改性PVC的耐热量[23-24]，进而降低摩擦过程中的阻力。2.3改性再生塑料混凝土抗渗透性能分析通过氯离子的扩散系数进一步表征再生塑料混凝土的抗渗透性能，图2为测试结果。从图2可以看出，未加入改性PVC时，混凝土的扩散系数为1.43，而当加入改性PVC后，再生塑料混凝土的扩散系数有所降低，且随着改性PVC填料用量的增加，再生塑料混凝土的扩散系数呈现下降趋势，填料用量在5%、10%、15%、20%和25%时分别较纯混凝土的扩散系数降低了7.69%、6.99%、13.98%、16.78%和23.08%。结果表明，钛酸酯改性PVC的掺入有效提升了再生塑料混凝土的抗渗透性能，这主要是由于混凝土在制作后会逐渐硬化，体积收缩后在其中形成裂纹，而由于钛酸酯改性PVC具有较好的相容性[25]，导致塑料与混凝土之间的结合力增强[26]，降低了试样的扩散系数，进而改善其抗渗透性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.014.F002图2钛酸酯偶联剂改性再生塑料混凝土的扩散系数Fig.2Diffusion coefficient of recycled plastic concrete modified by titanate coupling agent2.4改性再生塑料混凝土耐久性能分析本实验通过抗硫酸试验和抗冻试验分析混凝土抗压强度变化，进一步反映其耐久性能，图3为测试结果。图3钛酸酯偶联剂改性再生塑料混凝土的耐久性Fig.3Durability of recycled plastic concrete modified by titanate coupling agent10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.014.F3a1(a)耐腐蚀性能10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2024.01.014.F3a2(b)耐冻融性能 从图3可以看出，经过50次抗硫酸试验后，不同试样混凝土复合材料的抗压强度均下降，当改性PVC填料用量为15%时，再生塑料混凝土的抗压强度下降率最低，为11.95%，说明在此用量下，再生塑料混凝土具有较好的耐腐蚀性能，这主要是由于钛酸酯改性PVC具有较好的亲水性，使其与混凝土各基质之间的结合力较好[27]，进一步阻止侵蚀液侵入。50次抗冻融试验后，当改性PVC填料用量为15%时，再生塑料混凝土的抗压强度下降率最低，为7.42%。因此，当改性PVC填料用量为15%时，再生塑料混凝土具有优异的耐腐蚀性能和耐冻融性能。3结论钛酸酯改性PVC制备再生塑料混凝土，有效改善混凝土的综合性能。随钛酸酯偶联剂改性PVC填料用料的增加，再生塑料混凝土的抗压强度呈现轻微上升后下降的趋势，抗折强度呈现逐渐上升后平稳变化的趋势。填料用量为15%时，再生塑料混凝土的抗压强度和抗折强度分别为32.21 MPa和9.23 MPa，满足再生塑料混凝土的建筑工业要求。随钛酸酯偶联剂改性PVC填料量的增加，再生塑料混凝土的平均摩擦系数呈现先下降后小幅上升的趋势，单位面积磨损耗量呈现小幅降低后平稳变化的趋势，填料用量为15%时，平均摩擦系数最低，为0.65，单位面积磨损耗量维持在0.90 kg/m2左右，具有较好的耐磨性能。随着钛酸酯改性PVC用量的增加，再生塑料混凝土的扩散系数呈下降趋势，加入改性PVC提升了再生塑料混凝土的抗渗透性能。抗硫酸试验和抗冻融试验后，钛酸酯改性PVC填料用量为15%时，再生塑料混凝土的抗压强度下降率最低，分别为11.95%和7.42%，表现出优异的耐腐蚀性能和耐冻融性能。