塑料的大量使用产生较多塑料废弃物，导致环境污染问题日益严重，安全环保处理塑料废弃物已经成为目前亟待解决的问题[1-2]。近年来研究发现，塑料再生后应用于混凝土基质中可以制备性能优异，成本低廉的再生塑料混凝土复合材料，在建筑领域广泛应用，成为目前废旧塑料回收利用的一种新途径[3]。聚氯乙烯(PVC)具有力学性能稳定、运输成本低廉等特点，在建筑工程，电力设施等领域具有广泛的应用[4]。目前PVC材料的用量每年以数十万吨的速度不断增长，废弃PVC数量也逐渐增多，对环境造成严重影响。以往PVC回收利用主要通过焚烧热解，但PVC燃烧产生的热量较少，且具有严重的污染，不能够二次利用，所以这种做法一直未推广。目前，更普遍的方法是将PVC粉碎，并作为增强填料与混凝土进行混合，在一定程度上提升混凝土的力学性能[5]。然而在实际应用中，PVC作为一种有机高分子材料，与混凝土基体之间的相容性较差，对混凝土力学性能的提升十分有限。因此，提高再生塑料与混凝土之间的相容性可以有效提升再生塑料混凝土的力学性能。本实验以废弃PVC为主要填料，并采用二甲基二氯硅烷改性PVC，将改性PVC应用于混凝土，部分替代天然砂，研究改性PVC的用量对再生塑料混凝土复合材料性能的影响，为废旧塑料的回收利用提供一种可靠的途径。1实验部分1.1主要原料废弃聚氯乙烯(PVC)，S-4450，纯度80%，江苏河源再生材料有限公司；天然砂，表观密度2 376 kg/m3，江南采砂厂；碎石，密度2 588 kg/m3，江苏志达商贸有限公司；硅烷偶联剂二甲基二氯硅烷、乙酸、高效减水剂，工业品，安徽安邦化学有限公司。1.2仪器与设备红外光谱分析仪(FTIR)，Nicolet 67，美国Nicolet公司；扫描电镜(SEM)，S-3400，荷兰FEI公司；电子万能拉力试验机，CTB673，济南中科实验仪器公司；高速混合机，HC-2036，安徽科盈仪器设备公司；摩擦磨损试验机，JF-151，吉林大学机电设备研究所；氯离子电通量测试仪，PER-8B，无锡环盛设备有限公司。1.3样品制备1.3.1改性PVC的制备配制质量分数为2%的二甲基二氯硅烷的乙醇溶液，利用乙酸调节溶液pH值为4，将100 g PVC加入1 000 mL的二甲基二氯硅烷乙醇溶液中，室温下搅拌24 h后，对硅烷处理PVC在120 ℃下固化2 h，即得到107.3 g二甲基二氯硅烷改性的PVC(MPVC)材料，产率为89.4%。1.3.2再生塑料混凝土复合材料的制备表1为再生塑料混凝土配方。按《纤维混凝土应用技术规程》（JGJ/T 221—2010）进行制样，制备过程中先将天然砂、硅酸盐水泥、碎石按照表1配比投入搅拌器搅拌3~5 min（加入5%、10%、15%、20%、25%的PVC部分替代天然砂），材料均匀混合后加入水，搅拌均匀入模、振捣、抹平，养护24 h后拆模继续标准养护，制成再生塑料混凝土复合材料备用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.004.T001表1再生塑料混凝土配方Tab.1Formula of recycled plastic concrete样品水泥天然砂碎石水PVCMPVC空白样品420610.0127223000PVC-5420579.5127223030.50PVC-10420549.0127223061.00PVC-15420518.5127223091.50PVC-20420488.01272230122.00PVC-25420457.51272230152.50MPVC-5420579.51272230030.5MPVC-10420549.01272230061.0MPVC-15420518.51272230091.5MPVC-20420488.012722300122.0MPVC-25420457.512722300152.5kg‧m-3kg‧m31.4性能测试与表征FTIR分析：测试范围为500~4 000 cm-1。SEM分析：液氮脆断处理，对断裂面喷金处理，测试电压20 kV，观察断面的微观形貌。抗压强度测试：按JGJT 12—2019进行测试，样品尺寸为100 mm×100 mm×80 mm，实验速率为0.5 kN/s。抗折强度测试：按JGJT 12—2019进行测试，样品尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，加载速率为50 mm/min。耐磨性分析：试样尺寸为25 mm ×25 mm×6 mm，压力为548 N，滑动速度为6.2 m/s。抗渗透性能测试：按ASTM C1202—2017a进行测试，样品为圆柱形，底面直径100 mm，高50 mm，测试6 h内通过样品的总电量为实验值。收缩率测试：将10 cm×10 cm×40 cm的长方体试块放入干缩室内，利用位移传感器测试样品的收缩率。2结果与讨论2.1PVC和MPVC的FTIR分析图1为PVC和MPVC的FTIR谱图。从图1可以看出，PVC和MPVC的谱图基本相似，在1 698 cm-1处均出现较宽的峰，为PVC中C—C的伸缩振动。PVC在1 246 cm-1处的峰为—CH3吸收峰。MPVC在1 260 cm-1处出现吸收峰，说明体系中形成Si—CH3[6]。此外，MPVC在1 035 cm-1和806 cm-1处的新特征峰，为Si—O—C的伸缩振动[7]。这说明MPVC表面接枝硅烷的官能团，表明PVC已被硅烷偶联剂二甲基二氯硅烷成功改性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.004.F001图1PVC和MPVC的FTIR谱图Fig.1FTIR spectra of PVC and MPVC2.2再生塑料混凝土的力学性能图2为PVC及MPVC的用量对再生塑料混凝土复合材料抗压强度及抗折强度的影响。从图2a可以看出，未添加PVC时，纯混凝土的抗压强度为76.9 MPa。随着填料用量的增加，再生塑料混凝土的抗压强度逐渐降低。PVC及MPVC的用量为25%时，PVC-25和MPVC-25的抗压强度最低，分别为55.4 MPa和56.4 MPa，相比纯混凝土的抗压强度分别下降28.0%和26.7%。产生这一现象的原因主要是PVC的抗压强度低于混凝土材料，PVC用量增大，抗压强度逐渐降低。同一配比下，MPVC再生塑料混凝土的抗压强度优于PVC再生塑料混凝土，主要是由于MPVC的表面具有极性基团，增强与混凝土材料的结合力[8]，所以抗压强度较高。从图2b可以看出，再生塑料混凝土的抗折强度随着填料用量的增加而增强，并且PVC-25和MPVC-25均达到最大值。MPVC-25的抗折强度由纯混凝土的5.6 MPa增大至12.1 MPa，增加幅度为116.1%，而PVC-25的抗折强度由5.6 MPa增大至10.6 MPa，增加幅度为89.3%，说明PVC经二甲基二氯硅烷改性后，再生塑料混凝土复合材料的抗折强度明显改善。这是由于未改性PVC在混凝土中分布较离散，黏结性较差，而MPVC与混凝土的基体之间结合力更强。此外，MPVC在混凝土中发挥连接作用，受到外力作用时，可以对外力进行缓冲，从而提高再生塑料混凝土抗折强度。MPVC再生塑料混凝土具有较好的力学性能，填料用量为20%时，MPVC-20抗压强度为61.5 MPa，抗折强度为11.7 MPa，满足混凝土的建筑工业用途。图2纯混凝土和再生塑料混凝土的抗压强度和抗折强度Fig.2Compressive strength and flexural strength of pure concrete and recycled plastic concrete10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.004.F2a1（a）抗压强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.004.F2a2（b）抗折强度2.3再生塑料混凝土的耐磨性能表2为再生塑料混凝土复合材料的摩擦系数及磨损率结果。从表2可以看出，100 N的载荷下，随着填料用量的增加，再生塑料混凝土复合材料的摩擦系数呈现减小趋势，说明PVC的加入可以有效增强再生塑料混凝土的耐磨性能。这是由于PVC的导热性较差，使其摩擦过程中热量会堆积在PVC表面形成较软的PVC层，PVC层可以有效发挥润滑剂的作用从而降低摩擦阻力，降低摩擦系数[9]。填料用量相同时，MPVC再生塑料混凝土的摩擦系数低于PVC再生塑料混凝土。PVC和MPVC用量为20%时，平均摩擦系数最低，PVC-20和MPVC-20的平均摩擦系数分别为0.65和0.59，说明MPVC塑料混凝土摩擦性能高于PVC塑料混凝土。这是因为硅烷的引入使PVC表面形成交联结构，可以有效抵抗形变，提高耐热量，降低摩擦过程中由于高温产生的材料软化黏着效应，降低摩擦过程的阻力，使材料耐磨性能提高[10]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.004.T002表2纯混凝土和再生塑料混凝土的摩擦磨损性能Tab.2Friction and wear properties of pure concrete and recycled plastic concrete样品平均摩擦系数磨损率/（mg·m-1）空白样品1.231.43×10-1PVC-51.012.36×10-2PVC-100.865.36×10-3PVC-150.734.21×10-3PVC-200.652.32×10-3PVC-250.692.46×10-3MPVC-50.962.02×10-2MPVC-100.714.18×10-3MPVC-150.653.92×10-3MPVC-200.591.56×10-3MPVC-250.611.98×10-3对不同样品的磨损进行分析，填料用量为20%的塑料混凝土磨损率最小，PVC-20和MPVC-20磨损率分别为2.32×10-3 mg/m和1.56×10-3 mg/m，说明MPVC用量为20%的再生塑料混凝土的摩擦性能最好。PVC用量为25%的再生塑料混凝土的平均摩擦系数以及磨损率均大于PVC用量为20%的再生塑料混凝土。这是由于PVC用量较高导致材料的刚性降低，增加摩擦过程中的变形分量，PVC增多导致其摩擦热的积累增大，使材料软化较快而形成颗粒状碎片，从而增大磨损率和摩擦系数[9-11]。2.4再生塑料混凝土的抗渗透性能再生塑料混凝土材料的抗渗透性能可通过氯离子的扩散系数表征，图3为纯混凝土和再生塑料混凝土复合材料的氯离子扩散系数。从图3可以看出，加入PVC或MPVC的两种再生塑料混凝土材料的扩散系数均呈现先降低后增加的趋势。PVC和MPVC用量为20%时，再生塑料混凝土的扩散系数达到最低值，PVC-20和MPVC-20的扩散系数分别为1.12和1.05，说明其具有较好的抗渗透性能。这主要是由于常规的混凝土随着时间的延长逐渐硬化，体积收缩，在混凝土中会形成裂纹，PVC的加入有效填补裂纹，因此扩散系数逐渐降低[12]。而PVC继续增加，部分PVC并未与混凝土基体发生较好的结合，使PVC之间出现一定的间隙使扩散系数升高。与加入PVC相比，相同用量下，MPVC再生塑料混凝土材料的扩散系数更低。由于MPVC与混凝土的相容性提高，使两者之间的结合力增强，使材料的扩散系数降低，抗渗透性能提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.004.F003图3纯混凝土和再生塑料混凝土复合材料的抗渗透性能Fig.3Permeability resistance of pure concrete and recycled plastic concrete composites2.5再生塑料混凝土的干燥收缩性能比较图4为纯混凝土和再生塑料混凝土的收缩率变化。从图4可以看出，随着填料用量的增加，再生塑料混凝土复合材料的收缩率均呈现先减小后增大的趋势，并且PVC-20和MPVC-20再生塑料混凝土收缩率最低，分别为0.26%和0.21%。随着PVC和MPVC的用量增加至25%，再生塑料混凝土的收缩率上升。这是由于填料用量过高，部分填料堆叠与混凝土相容性较差，使混凝土材料容易发生收缩[13]。同比例下，MPVC再生塑料混凝土的收缩率明显低于PVC再生塑料混凝土。这是因为MPVC具有较多的官能团，与混凝土基体相容性更好，可以降低混凝土与MPVC的间隙[14]。因此，MPVC对改善再生塑料混凝土复合材料的收缩率效果较明显，可以降低材料的收缩率，防止材料出现较大变形，延长其使用寿命。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.004.F004图4纯混凝土和再生塑料混凝土复合材料的收缩率Fig.4Shrinkage of pure concrete and recycled plastic concrete composites2.6SEM分析图5为PVC和MPVC用量为20%的再生塑料混凝土复合材料断面的SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.004.F005图5再生塑料混凝土复合材料的SEM照片Fig.5SEM images of recycled plastic concrete composites从图5可以看出，PVC-20表面存在明显的间隙，PVC和混凝土黏结性较差，受外力作用时，PVC容易发生脱落。并且PVC与混凝土基体之间的间隙使混凝土复合材料抗渗透性能以及抗收缩性差。而MPVC-20中MPVC在混凝土基质分散均匀，与混凝土相容性更佳，黏结更紧密，有利于外力的传递，因此混凝土复合材料力学强度更高。MPVC与混凝土基体之间无明显的间隙，可以有效提高再生塑料混凝土的抗渗透性以及抗收缩性。3结论（1）MPVC再生塑料混凝土具有较好的力学性能，填料用量为20%时，MPVC-20的抗压强度与抗折强度分别为61.5 MPa和11.7 MPa，满足混凝土的建筑工业要求。（2）MPVC再生塑料混凝土摩擦系数和磨损率较低，MPVC-20的摩擦系数为0.59，磨损率为1.56×10-3 mg/m，具有较好的耐磨性能。（3）MPVC再生塑料混凝土具有较高的抗渗透性能，MPVC-20扩散系数最低为1.05，表现最佳的抗渗透性能。此外，MPVC-20收缩率最低，为0.21%，并且低于同比例的PVC再生塑料混凝土，说明MPVC可以降低混凝土材料的收缩率。（4）二甲基二氯硅烷改性PVC可提高再生塑料混凝土的综合性能，并且用量为20%时具有最佳的综合性能。