聚苯乙烯(PS)塑料具有较好的化学稳定性，良好的力学性能以及成本较低等优点，广泛应用于塑料包装，轻质建筑材料等领域[1]。但废弃PS塑料容易造成较大的环境污染[2]，且难以进行化学降解以及生物降解，在自然界存在周期较长[3]。因此，有效处理PS废弃塑料成为环境保护的重要研究内容。塑料混凝土具有质轻、保温性能优良以及成本较低等优点，目前在建筑行业应用广泛[4]。将废弃塑料制备成塑料混凝土，可以有效解决废弃塑料引起的环境污染问题。因此，研究者们采用不同的策略将废弃塑料与混凝土进行混合制备保温塑料混凝土。徐徐等[5]通过掺入不同比例的PS颗粒与泡浆混合制备PS复合轻质混凝土。结果表明：PS的加入，混凝土的表观密度以及抗压强度变稳定，有效地延缓混凝土的收缩。张鹏等[6]将表面粗糙的再生聚丙烯颗粒代替细骨料制备塑料复合混凝土。结果表明：聚丙烯掺入量6%时，制备的塑料混凝土具有最佳的强度和弹性模量，并且有效地抑制质量损失，提高抗冻性能。目前，大多数研究只考虑单纯塑料对塑料混凝土性能的影响，并未研究复合材料对塑料混凝土性能的影响。因此，本实验采用具有低热导率的二氧化钛(TiO2)纳米粒子与PS进行混合，将复合材料作为轻集料掺入混凝土中制备塑料混凝土，对塑料混凝土的保温性能、力学性能以及耐久性进行研究。1实验部分1.1主要原料纳米二氧化钛(TiO2)，粒径20~100 nm，国药制药有限公司；甲苯，分析纯，国药制药有限公司；硅酸盐水泥，P.O.42.5级，安徽海螺水泥厂；聚苯乙烯(PS)，粒径5~6 mm，高度2~3 mm，余姚市赵一塑料制品厂；高性能聚羧酸减水剂，PCA-1，临沂市尼科建材有限公司；河砂，粒径＜5 mm，表观密度2 745 kg/m3，岷江河砂厂；粗骨料，天然碎石，粒径10~30 mm，英德市望埠镇园辉奇石场。1.2仪器与设备傅里叶红外光谱仪(FTIR)，iS10，美国热电尼高力公司；电子天平，AUW220，日本岛津公司；热导率测试仪，DRH-III，湘潭市仪器仪表有限公司；粉碎机，800，莱州市文海机械设备有限公司；热电偶，PT100，智菱工控公司。1.3样品制备取100 g PS与不同含量的TiO2(TiO2质量分数分别为0、5%、10%和15%)混合后放置培养皿中，加入50 mL甲苯溶液，待PS完全溶解后将混合体系搅拌10 min，40 ℃使甲苯挥发，得到PS/TiO2复合材料(PT)，将复合材料在粉碎机中粉碎，以备测试材料的相关性能。表1为不同TiO2掺入量的PS塑料混凝土的配方。按JTG/T F30—2014制备标准混凝土作为对比样[7]，根据表1中的比例制备不同TiO2掺入量的PS塑料混凝土。其中，塑料复合材料的掺量取5%，将试样放置不同的模具中自然干燥成型，室温下养护28 d后进行测试。试样的密度为1 580~1 600 kg/m3。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.004.T001表1不同TiO2掺入量的PS塑料混凝土的配方Tab.1Formula of PS plastic concrete with different TiO2 content样品PS或PT（TiO2）水水泥砂碎石减水剂对比样015.824.658.401.2PTC-05（0）15.824.653.45.61.2PTC-15（5）15.824.653.45.61.2PTC-25（10）15.824.653.45.61.2PTC-35（15）15.824.653.45.61.2%%1.4性能测试与表征抗压强度和弯曲强度：按GB/T 50081—2002进行测试，试样尺寸50 mm×50 mm×50 mm，加载速率0.5 kN/s。劈裂抗拉强度：试样尺寸100 mm×100 mm ×100 mm，测试方法按照文献[8]中所述。热导率测试：按ASTM D5930—2001进行测试，样品为直径20 mm、厚度1 mm的圆盘。FTIR测试：测试范围400~2 000 cm-1。保温性能测试：采用制备的塑料混凝土堆砌为密封实验间，尺寸为50 cm×50 cm×50 cm，内部放置2 000 W的电炉进行加热2 h，并在其中放置热电偶，温度为90 ℃时停止加热，同时开始计时，观察样品实验间的温度变化[9]。抗硫酸盐腐蚀测试：按GB/T 749—2008进行测试，样品尺寸100 mm×100 mm×100 mm，将样品置于10%的硫酸钠溶液中浸泡16 h，取出晾干1 h，并在80 ℃烘干1 h，冷却至室温后称重，上述过程为1个循环，本次试验进行50次循环，根据规定，50次循环后试样的质量损失小于5%为合格产品[10]。2结果与讨论2.1PS/TiO2复合材料的红外光谱分析图1为不同PS/TiO2复合材料的红外谱图。从图1可以看出，在PT-0的红外谱图中，1 605、1 476、1 448 cm-1处的峰为PS苯环骨架上C—C的伸缩振动峰，755 cm-1和697 cm-1处的峰为苯环C—H键的弯曲振动峰。加入不同含量的TiO2后，PS的特征峰并未发生明显的变化，在500 cm-1左右出现较大的峰型是TiO2中Ti—O的振动峰。说明PS/TiO2复合材料成功制备。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.004.F001图1PS/TiO2的红外光谱Fig.1FTIR spectra of PS/TiO22.2PS塑料混凝土的保温性能图2为不同TiO2含量的PS塑料混凝土的热导率。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.004.F002图2不同PS塑料混凝土的热导率Fig.2Thermal conductivity of different PS plastic concrete从图2可以看出，对比样的热导率最高，1.7 W/(m·K)，与标准混凝土试件热导率一致。加入不同TiO2含量的PS塑料后，塑料混凝土的热导率发生下降，这是由于TiO2具有较低的热导率，掺杂在塑料混凝土中对热流的传导起到有效阻隔效应[11]。TiO2的加入可以有效降低塑料混凝土的热导率，从而降低热量损失，具有较好的保温效果。在TiO2含量为0的样品中，热导率低于对比样，为1.5 W/(m·K)。这是由于PS的热导率低于混凝土基体，使得整体的热导率降低。在所有样品中，TiO2含量为10%和15%时热导率呈现最低，原因是较多的TiO2使得混凝土材料具有较低的导热性能，因此热导率最低。按绿色低成本的原则，PTC-2的原料比例最佳，呈现热导率为0.7 W/(m·K)，相比对比样下降58.8%，说明PTC-2具有较好的热量阻隔性能和保温效果。图3为不同PS塑料混凝土的保温性能表征的温度-时间变化曲线。从图3可以看出，不同PS塑料混凝土内部温度随着时间的增加而下降。对比样温度下降最快，60 min后内部温度仅为28 ℃，说明对比样保温效果较差。而在不同的PS塑料混凝土中，随着TiO2含量的增加，塑料混凝土的保温效果逐渐下降。其中，PCT-2的下降幅度最小，60 min内从95 ℃下降到59℃，说明PCT-2具有最佳保温效果。这一结果与塑料混凝土的热导率相符合，说明PTC-2可以有效用于保温塑料混凝土。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.004.F003图3不同PS塑料混凝土的保温性能Fig.3Thermal insulation performance of different PS plastic concrete2.3PS塑料混凝土的力学性能图4为不同PS塑料混凝土的抗压强度值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.004.F004图4不同PS塑料混凝土的抗压强度Fig.4Compressive strength of different PS plastic concrete从图4可以看出，对比样具有最高的抗压强度，为47.63 MPa。加入纯PS后，由于PS的强度远低于混凝土材料，因此抗压强度最低，为35.6 MPa。然而，随着TiO2的加入，由于无机纳米粒子具有较大的刚性，因此塑料混凝土的抗压强度随着TiO2含量的增加逐渐增加，并在PTC-2中达到最大值，为46.13 MPa。在PTC-3中，尽管TiO2含量较高，但TiO2大量团聚使得复合体系产生一定缺陷，从而抗压强度发生略微下降。根据ASTM C330/C330M-17a规定，结构轻型混凝土的抗压强度不应低于17 MPa[12]，因此制备的PS塑料混凝土满足这一标准值，能够用于结构承重塑料混凝土材料。图5为不同PS塑料混凝土的弯曲强度。从图5可以看出，相比于纯PS，随着TiO2含量的增加，塑料混凝土的弯曲强度逐渐下降。PTC-3的弯曲强度小于对比样，说明PTC-3弯曲性能较差，不适合应用于塑料混凝土中。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.004.F005图5不同PS塑料混凝土的弯曲强度Fig.5Bending strength of different PS plastic concrete图6为不同PS塑料混凝土的劈裂抗拉强度。从图6可以看出，随着TiO2含量的增加，PTC-0、PTC-1和PTC-2的劈裂抗拉强度大于对比样，PTC-3小于对比样。这是由于塑料混凝土受到拉力时，PS塑料可以与周围硬化后的基体产生协调的变形，增大劈裂抗拉强度。而加入TiO2后，由于TiO2与周围基体受到的变形不协调，产生分层现象，同时，产生微观裂缝降低塑料混凝土的劈裂抗拉强度[13]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.004.F006图6不同PS塑料混凝土的劈裂抗拉强度Fig.6The splitting tensile strength of different PS plastic concrete因此，加入不同含量的TiO2对PS塑料混凝土的力学性能影响不同，在PTC-2中，抗压强度达到标准值，弯曲强度和劈裂抗拉强度均高于标准对比样。并且，PTC-2具有最佳的保温性能，可以用于保温建筑混凝土材料。2.4PS塑料混凝土的耐久性抗硫酸盐腐蚀性是塑料混凝土中耐久性最重要的表征之一[14]。为了探究本实验制备的PS塑料混凝土的耐久性，通过抗硫酸盐腐蚀性试验对PS塑料混凝土力学性能进行研究。表2为PS塑料混凝土经过不同次数的硫酸盐腐蚀试验的质量损失率。从表2可以看出，对比样的质量损失率最大，经过50次试验，质量损失率达到9.86%。加入PS以及PT，抗硫酸盐腐蚀性能增加，其中，PTC-2表现出最小的质量损失率，在50次试验后为3.82%。这是由于PS与硫酸盐没有发生反应，降低硫酸盐向混凝土内部渗透的速率。此外，TiO2也不与硫酸盐反应，随着TiO2含量的增加，质量损失率逐渐降低。然而，PTC-3的质量损失率大于PTC-2，这是由于PTC-3中TiO2含量较高，在体系中大量团聚使得复合体系出现缺陷，从而质量损失率增加。根据GB/T 749—2008规定，质量损失率小于5%为合格，表明PTC-2和PTC-3具有较好的耐硫酸盐腐蚀性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.004.T002表2不同次数硫酸盐腐蚀试验的质量损失率Tab.2Mass loss rate of different times of sulfate corrosion test样品初始值5次25次50次对比样01.235.869.86PTC-000.872.518.63PTC-100.751.735.64PTC-200.621.243.82PTC-300.671.364.65%%表3为不同PS塑料混凝土在50次硫酸盐腐蚀试验后的力学性能。从表3可以看出，对比样在经过硫酸盐腐蚀后的力学性能下降比较明显，说明耐久性较差。加入不同比例的PS以及PT，下降幅度均低于对比样。PTC-2经过50次腐蚀测试，各项力学性能下降比最低，表明具有最佳的耐久性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.004.T003表3不同PS混凝土50次硫酸盐腐蚀后的力学性能下降百分比Tab.3Decline percentage of mechanical properties of different PS concrete after 50 times of sulfate corrosion样品弯曲强度下降比抗压强度下降比劈裂抗拉强度下降比对比样10.629.377.65PTC-08.426.325.75PTC-15.633.623.13PTC-23.241.651.95PTC-33.861.982.36%%3结论采用聚苯乙烯(PS)与TiO2制备PS/TiO2复合材料，将复合材料掺入混凝土中制备具有较好保温性能的塑料混凝土，研究不同TiO2含量对塑料混凝土力学性能的影响。（1）将PS塑料与无机纳米粒子TiO2混合，并代替混凝土中的轻集料制备具有较高保温性能的PS塑料混凝土。（2）由于PS和TiO2的低导热率，制备的塑料混凝土相比标准对比样具有较高的保温效果，其中，PTC-2热导率最高，为0.7 W/(m·K)，呈现最佳保温性能。（3）PTC-2中，各项力学性能均满足标准值或优于标准对比试件，并且在经过一定次数的抗硫酸盐腐蚀试验，力学性能相比所有样品呈现最佳，说明PTC-2可以作为一种优异的保温建筑塑料混凝土材料。