乔运昌 郑荣荣 程汝超 刘宝威 曲 淼 李继新*
（沈阳工业大学石油化工学院，辽阳. 111003）
摘要 利用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET )回收料制备再生透水路面材料。通过在透水混凝土中添加不同掺量PET回收料制备了再生透水混凝土并研究其性能。结果表明 :掺入不同掺量PET再生骨料的再生透水混凝土表现 出了较高的孔隙率与较低的密度;掺入不同掺量PET再生骨料的再生透水混凝土满足力学性能标准值 ,并且在PET (G )-10达到最高 ,抗折强度和抗压强度分别为4.03MPa和25.1MPa ;掺入不同掺量PET再生骨料的再生透水混凝 土的透水性能均高于标准值,拥有良好的透水性能,在保证力学性能满足标准的同时,PET (S )-30和PET (G )-50的透 水系数分别为8.5mm/s和8.4mm /s 。因此,掺入不同掺量PET再生骨料的再生透水混凝土具有较好的综合性能 , 可以满足建筑行业的使用要求。
关键词 再生透水混凝土,聚对苯二甲酸乙二醇酯回收料 ,透水系数,力学性能
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)在生活中的广泛 应用导致其产生了大量的废弃物,处理这些废弃物 已经成为当务之急[1]。近年来的研究表明[2],将再生PET废弃物回收后应用于透水混凝土中,可以制 备出成本低廉、性能优异的再生透水混凝土复合材 料,但在实际应用中,PET回收料作为有机高分子材料,替代混凝土粗骨料制备混凝土时力学性能提 升不明显[3-4],同时透水混凝土的力学性能本身较差在透水混凝土中使用再生塑料作为骨料替代原有的天然骨料很少有人尝试[5]。再生塑料骨料通常具有 轻质和多孔的特性,在透水混凝土中可以有效地改 善混凝土的孔隙结构[6-7]。这有助于增加混凝土的 孔隙率,使水分更容易穿过混凝土表面。因此,将其处理后作为粗骨料掺入路面材料中是一种有效的解决措施。
本实验以废弃的PET回收料作为再生骨料,一 方面是为了将PET废料资源化利用,另一方面是对 建设海绵城市[8]做出努力。采用PET废丝摩擦造 粒和切片分别应用于透水混凝土,部分替代天然的 碎石骨料,研究不同PET掺量对再生塑料透水混凝土复合材料性能的影响,从而为处理PET废弃物提 供了一种新的方法。
1 实验部分
1.1 主要试剂与仪器
泥(P.I42.5硅酸盐水泥),抚顺水泥股份有限 公司;透水砼增强剂,南京海牛科技有限公司;骨料: 碎石(粒径5~10mm,堆积密度1779kg/m3,压碎指 标9.6%);废弃聚酯回收料切片(PET(S),堆积密 度322.2kg/m3,片状);废丝聚酯回收料摩擦造粒颗 粒(PET(G),堆积密度460.7kg/m3,颗粒状)。
单卧轴混凝搅拌机(HJW-60型),无锡建筑实 验仪器厂;微机控制电子万能试验机(CMT5105 型),深圳市新三思计量技术有限公司;透水系数测 试装置,自主设计。
1.2 样品制备及方法
表1为再生透水混凝土配合比。采用单卧轴混 凝搅拌机,制备过程中先将碎石、再生骨料、水泥、增强剂按照表1配比投入搅拌机搅拌1min(加入 10%、20%、30%、40%、50%的PET部分替代碎 石),材料均匀混合后加入水,搅拌均匀后装入相应的模具,先插捣后振捣,24h后拆模后立即放入温度 为(20±2)℃,相对湿度90%以上的标准养护室中 养护。
表1 再生透水混凝土配合比
1.3 性能测试与表征
压强度测试：按 GB / T50081—2002 进行测 试,样品尺寸为100mm×100mm×100mm,实验速 率为0.5MPa/s[9]。
抗折强度测试：按GB/T50081—2002进行测 试,样品尺寸为100mm×100mm×300mm,加载速率为0.05MPa/s。
透水系数测试:按照CJJ/T135—2009进行测 试,样品尺寸为圆柱形,底面直径为100mm,高 50mm[10],测试装置图如图1所示。
压强度测试：按 GB / T50081—2002 进行测 试,样品尺寸为100mm×100mm×100mm,实验速 率为0.5MPa/s[9]。
抗折强度测试：按GB/T50081—2002进行测 试,样品尺寸为100mm×100mm×300mm,加载速率为0.05MPa/s。
透水系数测试:按照CJJ/T135—2009进行测 试,样品尺寸为圆柱形,底面直径为100mm,高 50mm[10],测试装置图如图1所示。
图1 透水系数测定装置图
先将试样通过保鲜膜和凡士林密封在圆筒内, 再测试保持150mm水位差时5min流过试件的水 量按式(1)进行计算。
式中,kT为试样透水系数,mm/s;T为水 温,℃;Q为t秒内收集的水量,mm3;L为试件的厚 度,mm;A为试样表面积,mm2;H为水位差,mm; t为时间,s。
物理性质测试：按照CJJ / T253 — 2016、GB / T 500821—2019和ASTM-C20[11]进行测试,样品尺寸100mm×100mm×100mm,透水混凝土试件养 护到龄期之后拿出,将试件放在烘箱中烘至衡重,设 定温度为(105±5)℃。取出后放在阴凉干燥环境中冷却至室温,称取质量(m1,g),量取试件的尺寸并 计算出其体积(V,cm3)。将透水混凝土试件完全浸 泡在水中,浸泡1d后测量试件在水中的质量(m2, g),用拧干的湿毛巾试件擦去表面水分,称量记录试 件质量(m3,g)[12]。试件的连续孔隙率(P,%)、吸 水率(W,%)、真实密度(T,g/cm3)、表观密度(B, g/cm3)分别按式(2—5)计算。
式中,ρ为水的密度,g/cm3。
2 结果与讨论
2.1 再生透水混凝土的物理性质分析
表2为不同掺量PET制备再生透水混凝土的物理性质。
表2 再生透水混凝土的物理性质
从表2可以看出,随着再生骨料体积替代率的增大,再生透水混凝土的孔隙率也逐渐提高,相比较 空白样,PET切片和PET废丝摩擦造粒不同体积 替代率下孔隙率均是先降低后提高,PET(S)-10和 PET(G)-10降低可能是因为少量的再生骨料掺入 时切片的不规则性使孔隙变小,随着大量的PET切 片掺入PET(S)-20、PET(S)-30、PET(S)-40、PET (S)-50的孔隙率分别增加了19.22%、49.32%、 28.23%、18.34%;PET废丝摩擦造粒PET(G)-20、PET(G)-30、PET(G)-40、PET(G)-50分别增加了 20.90%、36.28%、52.26%、48.90%,这是由于再生骨料与天然骨料性质不同,再生骨料的比重较低,占据的体积相对较大,从而增加了混凝土的孔隙率,且再生骨料和混凝土基体之间界面大小对混凝土孔隙率产生了影响,存在塑料再生骨料与混凝土基体之间的间隙,会导致孔隙率的增加。这两点原因导致 再生透水混凝土的密实性变差,从而增加了整体的孔隙率[13]。随着孔隙率的增加,再生混凝土的吸水率也相应上升。此外,随着再生骨料的添加量增大, 由于再生骨料的密度远低于天然骨料,因此再生透水混凝土的真实密度和表观密度都会随着塑料添加量的增加而减小。
2.2 PET掺量对再生透水混凝土力学性能的影响
PET掺量对再生透水混凝土28d抗压强度的 影响见图2。由图可见,随着PET掺量不断增大, PET切片PET(S)和PET废丝摩擦造粒PET(G) 均呈现下降的趋势。其中PET掺量为10%时抗压 强度达到最大值,PET(S)和PET(G)的强度最大值 分别为22.73MPa和25.12MPa。PET(S)在掺量 50%时强度最小,强度最小时为9.54MPa,当PET (S)掺量由0增大到50%时,抗压强度的降幅依次 为4.03MPa、2.61MPa、3.68MPa、3.63MPa、 3.27MPa;PET(G)在掺量50%时强度最小,强度最 小时为16.42MPa,当PET(G)掺量由0%增大到 50%时,抗压强度的降幅依次为1.64MPa、 0.78MPa、3.12MPa、2.69MPa、2.11MPa。
图2 PET掺量对再生透水混凝土28d抗压强
一结果是由于PET再生骨料的加入,PET 再生骨料不会与水泥发生相互反应,并且PET再生 骨料具有较低的弹性模量,而传统骨料通常较为刚 硬,这种差异导致混凝土的整体弹性模量降低,从而 影响抗压强度。这也是由于添加塑料再生骨料可能 导致混凝土中的微观裂缝和空隙的增加,这些缺陷 会在受到压缩力时引起局部应力集中,从而减弱混 凝土的抗压强度[14-16]。根据JC/T2558—2020中 对透水混凝土的抗压强度最低15.0MPa,PET(G)作为再生骨料掺入后抗压强度均高于标准值,PET (S)掺量在0~30%也高于标准值,因此制备的再生 透水混凝土可以达到透水混凝土路面材料的要求。
PET掺量对再生透水混凝土28d抗折强度的 影响见图3。
由图可见,两种PET掺量对再生透水混凝土 28d抗折强度的影响与抗压强度结果类似,随着掺 量的增加,其中PET(G)-10抗折强度(4.03MPa)高 于空白样的抗折强度,其余抗折强度逐渐发生下降, 下降最低为PET(S)-50和PET(G)-50,分别从0% 掺量的3.8MPa下降到1.4MPa和1.5MPa。这一结果是由于再生骨料和天然骨料混合后在基体中产生了微小裂缝,再生骨料与混凝土基体之间的黏结 较弱[17-18]。这样的弱黏结可能导致在加载时产生裂 缝或剥离现象,从而降低整体的抗折强度。根据 JC/T2558—2020中对透水混凝土的抗折强度最低 1.0MPa,PET切片和PET废丝摩擦造粒掺入后制 备的再生透水混凝土试件抗折强度均高于标准值, 因此满足规范要求。
2.3 PET掺量对再生透水混凝土透水系数的影响
PET掺量对再生透水混凝土透水系数的影响 见图4。由图可见,随着PET掺量的增加,透水系 数呈现先提高再下降又提高的趋势,其中PET(S)- 50和PET(G)-50的透水系数最大,分别为 9.9mm/s和8.4mm/s,PET(S)-10和PET(G)-10 的透水系数最小,分别为3.7mm/s和4.2mm/s。 在力学性能满足标准的同时[19],PET(S)-30和PET(G)-50的透水系数分别为8.5mm/s和 8.4mm/s,相比较于空白样分别提高了118%和 118%。
总体上,透水系数是随着PET掺量变大持续上 升,这是因为随着PET掺量变大,导致透水混凝土 中的微观裂缝和空隙增加,这些透水孔隙的增加有 助于提高水在混凝土中的渗透速度,从而增大透水 系数[20]。根据JC/T2558—2020中对透水混凝土 透水系数最低要求是0.5mm/s,PET切片和PET废丝摩擦造粒掺入后制备的再生透水混凝土试件透水系数均高于标准值,因此满足透水路面材料对透水系数的要求。
图4 PET掺量对再生透水混凝土透水系数的影响
3 结论
(1)通过不同含量的PET切片和PET废丝摩 擦造粒掺入到透水混凝土中替代部分天然骨料,制备了透水性能优异的再生透水混凝土。
(2)分别对不同再生透水混凝土进行了物理性质、力学性能以及透水系数的测定,结果表明由于再生骨料的不规则性以及相对于天然骨料的比重较低,其表现出了较大的孔隙率和较低的密度。
(3)掺入不同掺量PET再生骨料的再生透水混 凝土满足力学性能标准值,并且在PET废丝回收料 摩擦造粒PET(G)-10达到最高,抗折强度和抗压强 度分别为4.03MPa和25.1MPa。
(4)在保证再生透水混凝土力学性能符合标准 的同时使其透水系数提高,透水混凝土抗压强度满足TC15、抗折强度满足TZ1.0,PET(S)-30和PET (G)-50均表现出优异的透水性能,透水系数分别为 8.5mm/s和8.4mm/s。
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