塑料混凝土可以有效解决废弃塑料的环境污染问题，近年内得到广泛研究[1]。塑料混凝土作为基础的新型墙体材料，可以提升墙体强度，增强保温性能，有效提高废弃塑料资源利用率以及降低环境污染[2]。聚苯乙烯(PS)具有较好的保温、防水以及低成本等优点。但大量使用PS产生较多的废弃物，造成较大的环境污染[3]。利用废弃PS制备的塑料混凝土具有较好的力学强度、隔热性能，更低的密度，受到研究者的广泛关注。严捍东等[4]将再生PS泡沫加入混凝土中制备塑料混凝土。结果表明：泡沫加入量增加，塑料混凝土的密度以及传热系数下降。吉晨彬等[5]利用PS泡沫制备塑料混凝土。结果表明：不同粒径的PS泡沫对塑料混凝土的保温性能具有一定的影响，中粒径的PS泡沫使塑料混凝土保温性能最佳。但PS为疏水结构，混凝土基体材料无法与其充分混合，会出现一定的上浮现象，因此制备的塑料混凝土不均匀。加入改性剂对PS进行改性，可以有效增强PS在混凝土浆料的分散均匀。聚乙烯醇(PVA)是一种较强的亲水材料，在水中具有较好的亲和力，可以有效在水体中分散。本实验采用PVA对废弃PS进行改性得到改性PS，并将其掺入混凝土浆料制备PS混凝土，并对PS混凝土力学性能、保温性能以及耐久性能进行探究。1实验部分1.1主要原料废弃聚苯乙烯(PS)，表观密度27.7 kg/m3，一般实验设备的包装材料；聚乙烯醇(PVA)，工业级，中国石化集团重庆川维化工有限公司；硅酸盐水泥，海螺牌P·II 42.5级，中国水泥厂有限公司；河沙，1~1.05 mm，表观密度2 635 kg/m3，淮河河砂厂；玄武岩碎石，粒径5~20 mm，市售。1.2仪器与设备双螺杆挤出机，SJSF-45/90，青岛科创塑料机械有限公司；万能试验机，WDW-02，济南鼎测试验设备有限公司；冲击试验机，DP-1200，金顿仪器科技（昆山）有限公司；动态光学接触角测试仪，BLD-D1，东莞博莱德仪器设备有限公司。1.3样品制备PVA改性PS的制备：PS和PVA按照文献[6]中的质量比(95∶5)在高速混合机中混合，将混合物放入双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出温度一区至五区分别为205、210、215、220、225 ℃，得到PVA改性PS。PS混凝土的制备：表1为文献[7]中PS混凝土配料比，PS颗粒等体积代替河沙细骨料制备PS混凝土，替代体积分数分别为0、5%、10%、15%、20%，A组表示未改性PS，B组表示PVA改性PS，制备的样品分别在室温下养护28 d进行测试。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.T001表1PS混凝土的配料比Tab.1Mix ratio of PS concretes样品编号水灰比/%水泥/（kg‧m-3）水/（kg‧m-3）河沙/（kg‧m-3）碎石/（kg‧m-3）PS/（kg‧m-3）00.4328012062413600A50.43280120593.213600.33A100.43280120562.013600.66A150.43280120530.813600.98A200.43280120499.613601.31B50.43280120593.213600.33B100.43280120562.013600.66B150.43280120530.813600.98B200.43280120499.613601.311.4性能测试与表征接触角测试：液滴采用水作为模型，水体积5 μL，将水滴落到样品表面进行拍摄并测试接触角。抗压强度测试：样品尺寸100 mm×100 mm×100 mm，按ASTM C330/C330M-17a进行测试。劈裂抗拉强度测试：样品尺寸100 mm×100 mm×100 mm，按GB/T 50081—2002进行测试。导热系数测试：样品表面尺寸50 mm×50 mm，按ASTM C518—2010进行测试。保温性能测试[8]：混凝土板厚度为5 cm，建筑模型尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，模型上方垂直50 mm处放置功率为2 500 W的热源装置。实验开始时，打开热源装置，记录内部的温度变化，加热4 h，关闭热源装置，继续记录模型内部温度，8 h时结束实验，记录模型内部的温度变化。氯离子通量测试：按ASTM C1202—1997进行测试，样品为高度50 mm，半径30 mm的圆柱。抗硫酸盐腐蚀测试：根据《混凝土材料抗硫酸盐腐蚀测试方法》进行测试，样品尺寸100 mm×100 mm×100 mm。抗冻融实验：按GB/T 50082—2009进行测试，配置3% NaCl溶液，样品尺寸为20 mm×20 mm×30 mm，样品在NaCl溶液中浸泡1 h冷冻解冻，称取冻融前后的质量以确定其质量损失率。2结果与讨论2.1改性PS的亲水性图1为PS和PVA改性PS的接触角照片。从图1可以看出，纯PS的接触角为132°，为疏水性，并且其密度低于混凝土浆料，PS与混凝土浆料进行混合时出现上浮，导致浆料不均匀，影响混凝土的性能[9]。而经过PVA改性，PVA具有亲水性使PS表面从疏水性转变亲水性，接触角为0°。这一结果说明改性PS具有较好的亲水性，使PS与水系混凝土浆料混合较好，有助于提高PS混凝土的性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.F001图1PS和PVA改性PS的接触角Fig.1Contact angle of PS and PS modified by PVA2.2PS混凝土的密度图2为不同PS混凝土的密度。从图2可以看出，相同比例下，A组与B组PS混凝土的密度随着PS加入量的增加而降低，是PS的密度远低于混凝土所导致。改性PS混凝土的密度略微大于未改性PS混凝土的密度，是由于未改性PS具有疏水性使其在混凝土浆料中上浮，导致干燥的未改性PS混凝土体积略大。此外，疏水的PS与混凝土浆料之间结合较差，PS混凝土存在较多气孔，导致密度略微降低[10]。A组和B组混凝土的密度与PS掺量的关系均呈现线性关系，实际生产中，可以通过PS掺量估计混凝土密度，有效提高生产进程。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.F002图2不同PS混凝土的密度Fig.2Density of different PS concretes2.3PS混凝土的力学性能图3为不同PS混凝土的抗压强度。从图3可以看出，A组和B组中，随着PS掺量的增加，PS混凝土的抗压强度均降低，相同比例下A组抗压强度均小于B组。PS掺量为20%时，A组的抗压强度为12.2 MPa，而B组为19.3 MPa，说明改性PS相比未改性PS具有较好的抗压强度。改性PS由疏水性变为亲水性，能够提高其与混凝土浆料之间的黏结性，减小与混凝土基体之间的孔隙，使PS混凝土能够承受更大的抗压强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.F003图3不同PS混凝土的抗压强度Fig.3Compressive strength of different PS concretes图4为未改性PS混凝土和改性PS混凝土的示意图。从图4可以看出，A组中PS具有疏水性，其在浆料中上浮，硬化过程中分布不均匀，从而使外力无法得到较好缓冲。疏水的PS与混凝土基体无法产生较好的结合力，因此抗压强度小于B组。B组样品的抗压强度均满足JG/T 266—2011中规定(＞20 MPa，C20等级)，说明改性PS混凝土可以实际应用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.F004图4未改性PS混凝土和改性PS混凝土的示意图Fig.4Schematic diagram of unmodified PS concrete and modified PS concrete图5为A组和B组的密度-抗压强度拟合关系。从图5可以看出，A组的线性关系较差，相关系数R2为0.967，存在较大的误差，说明A组抗压强度与密度之间不存在线性关系。B组的拟合相关系数R2为0.995，拟合情况较好，说明B组中密度与抗压强度存在一定的线性关系，抗压强度-密度公式为y=0.264x-548.43。B组样品可以通过密度估算样品的抗压强度。图5密度与抗压强度的线性拟合关系Fig.5Linear fitting relation between density and compressive strength10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.F5a1（a）A组10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.F5a2（b）B组图6为不同PS混凝土的劈裂抗拉强度。从图6可以看出，A组和B组混凝土的劈裂抗拉强度随着PS掺量的增加先增大后下降，PS掺量10%时，均达到最大值，A组为5.23 MPa，B组为5.56 MPa。PS掺量继续增加，混凝土的劈裂抗拉强度下降。由于PS掺量过大，部分PS颗粒团聚使其与混凝土基体之间的结合力下降，从而导致混凝土的抗拉强度降低。B组劈裂抗拉强度始终大于A组，这一现象由于PS经过PVA改性，亲水性增加，与混凝土基体之间的结合力大于未改性PS，从而B组劈裂抗拉强度高于A组。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.F006图6不同PS混凝土的劈裂抗拉强度Fig.6Splitting tensile strength of different PS concretes2.4PS混凝土的保温性能图7为不同PS混凝土的导热系数。从图7可以看出，混凝土的导热系数随着PS掺量的增加先降低后略微上升。产生这一现象的原因是PS的导热系数较低，具有较好的保温隔热性能。然而PS掺量增多，会在混凝土内部形成较多贯通孔道，这些孔道有助于空气对流作用使导热系数增大[11]。PS掺量为10%时，A和B组的导热系数最低，分别为0.124 W/(m‧K)和0.113 W/(m‧K)，说明该比例下PS混凝土保温性能最佳。A组导热系数高于B组，原因是未改性PS在混凝土基体中分散较差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.F007图7不同PS混凝土的导热系数Fig.7Thermal conductivity of different PS concretes图8为B组PS混凝土保温实验结果。从图8可以看出，随着外部温度的升高，PS混凝土建筑的内部温度也逐渐升高。未添加PS混凝土的温度增加较快，2.25 h时温度基本保持稳定为45.8 ℃，且4 h关闭加热后，其内部温度下降较快，7 h时与外界温度保持一致。加入改性PS后，建筑模型内部的温度升高较慢，改性PS掺量为10%的模型中温度增加最慢，4 h时达到最大值为45.5 ℃，关闭加热后，其温度下降也较慢，实验结束后其温度保持31 ℃。这一结论说明，改性PS掺量为10%的样品具有较好的保温隔热作用，可以有效隔绝外界的热量传导，实现保温节能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.F008图8改性PS混凝土的保温性能Fig.8Thermal insulation performance of modified PS concretes2.5PS混凝土的耐久性能表2为不同改性PS混凝土耐久性测试结果。从表2可以看出，改性PS掺量为10%时，B10混凝土耐久性最佳。抗硫酸腐蚀结果表明：B10混凝土的质量损失率仅为1.02%；氯离子通量为1 542 C，具有较好的抗氯离子腐蚀性能。抗冻融结果表明：B10混凝土的质量损失率下降至0.72%，说明其能够耐极端环境。结合抗硫酸盐腐蚀和抗冻融，B10混凝土具有较好的耐久性，可以实际应用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.007.T002表2不同改性PS混凝土的耐久性能Tab.2Durability of different modified PS concretes样品编号抗硫酸盐腐蚀/%氯离子通量/C抗冻融性能/%01.8617360.87B51.5416460.81B101.0215420.72B151.1615790.75B201.2815960.793结论（1）通过PVA改性PS，PVA的加入可以有效改善PS的亲水性，提高其在混凝土基体中结合力。（2）随着PS掺量的增加，混凝土的密度逐渐下降，且抗压强度也逐渐降低。改性PS混凝土的抗压强度与密度之间存在线性关系为y=0.264x-548.43。（3）改性PS掺量为10%的混凝土具有较好的抗压强度和劈裂抗拉强度，分别为36.7 MPa和5.56 MPa；且具有较低的导热系数0.113 W/(m‧K)，表现较好的保温性能；B10混凝土表现较好的耐久性能。B10混凝土可以用于保温节能材料。