喬運(yùn)昌 鄭榮榮 程汝超 劉寶威 曲 淼 李繼新*
（沈陽工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院，遼陽. 111003）
摘要 利用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET )回收料制備再生透水路面材料。通過在透水混凝土中添加不同摻量PET回收料制備了再生透水混凝土并研究其性能。結(jié)果表明 :摻入不同摻量PET再生骨料的再生透水混凝土表現(xiàn) 出了較高的孔隙率與較低的密度;摻入不同摻量PET再生骨料的再生透水混凝土滿足力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值 ,并且在PET (G )-10達(dá)到最高 ,抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為4.03MPa和25.1MPa ;摻入不同摻量PET再生骨料的再生透水混凝 土的透水性能均高于標(biāo)準(zhǔn)值,擁有良好的透水性能,在保證力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),PET (S )-30和PET (G )-50的透 水系數(shù)分別為8.5mm/s和8.4mm /s 。因此,摻入不同摻量PET再生骨料的再生透水混凝土具有較好的綜合性能 , 可以滿足建筑行業(yè)的使用要求。
關(guān)鍵詞 再生透水混凝土,聚對苯二甲酸乙二醇酯回收料 ,透水系數(shù),力學(xué)性能
聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)在生活中的廣泛 應(yīng)用導(dǎo)致其產(chǎn)生了大量的廢棄物,處理這些廢棄物 已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急[1]。近年來的研究表明[2],將再生PET廢棄物回收后應(yīng)用于透水混凝土中,可以制 備出成本低廉、性能優(yōu)異的再生透水混凝土復(fù)合材 料,但在實(shí)際應(yīng)用中,PET回收料作為有機(jī)高分子材料,替代混凝土粗骨料制備混凝土?xí)r力學(xué)性能提 升不明顯[3-4],同時(shí)透水混凝土的力學(xué)性能本身較差在透水混凝土中使用再生塑料作為骨料替代原有的天然骨料很少有人嘗試[5]。再生塑料骨料通常具有 輕質(zhì)和多孔的特性,在透水混凝土中可以有效地改 善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)[6-7]。這有助于增加混凝土的 孔隙率,使水分更容易穿過混凝土表面。因此,將其處理后作為粗骨料摻入路面材料中是一種有效的解決措施。
本實(shí)驗(yàn)以廢棄的PET回收料作為再生骨料,一 方面是為了將PET廢料資源化利用,另一方面是對 建設(shè)海綿城市[8]做出努力。采用PET廢絲摩擦造 粒和切片分別應(yīng)用于透水混凝土,部分替代天然的 碎石骨料,研究不同PET摻量對再生塑料透水混凝土復(fù)合材料性能的影響,從而為處理PET廢棄物提 供了一種新的方法。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要試劑與儀器
泥(P.I42.5硅酸鹽水泥),撫順?biāo)喙煞萦邢?公司;透水砼增強(qiáng)劑,南京海?？萍加邢薰?骨料: 碎石(粒徑5~10mm,堆積密度1779kg/m3,壓碎指 標(biāo)9.6%);廢棄聚酯回收料切片(PET(S),堆積密 度322.2kg/m3,片狀);廢絲聚酯回收料摩擦造粒顆 粒(PET(G),堆積密度460.7kg/m3,顆粒狀)。
單臥軸混凝攪拌機(jī)(HJW-60型),無錫建筑實(shí) 驗(yàn)儀器廠;微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(CMT5105 型),深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司;透水系數(shù)測 試裝置,自主設(shè)計(jì)。
1.2 樣品制備及方法
表1為再生透水混凝土配合比。采用單臥軸混 凝攪拌機(jī),制備過程中先將碎石、再生骨料、水泥、增強(qiáng)劑按照表1配比投入攪拌機(jī)攪拌1min(加入 10%、20%、30%、40%、50%的PET部分替代碎 石),材料均勻混合后加入水,攪拌均勻后裝入相應(yīng)的模具,先插搗后振搗,24h后拆模后立即放入溫度 為(20±2)℃,相對濕度90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中 養(yǎng)護(hù)。
表1 再生透水混凝土配合比
1.3 性能測試與表征
壓強(qiáng)度測試：按 GB / T50081—2002 進(jìn)行測 試,樣品尺寸為100mm×100mm×100mm,實(shí)驗(yàn)速 率為0.5MPa/s[9]。
抗折強(qiáng)度測試：按GB/T50081—2002進(jìn)行測 試,樣品尺寸為100mm×100mm×300mm,加載速率為0.05MPa/s。
透水系數(shù)測試:按照CJJ/T135—2009進(jìn)行測 試,樣品尺寸為圓柱形,底面直徑為100mm,高 50mm[10],測試裝置圖如圖1所示。
壓強(qiáng)度測試：按 GB / T50081—2002 進(jìn)行測 試,樣品尺寸為100mm×100mm×100mm,實(shí)驗(yàn)速 率為0.5MPa/s[9]。
抗折強(qiáng)度測試：按GB/T50081—2002進(jìn)行測 試,樣品尺寸為100mm×100mm×300mm,加載速率為0.05MPa/s。
透水系數(shù)測試:按照CJJ/T135—2009進(jìn)行測 試,樣品尺寸為圓柱形,底面直徑為100mm,高 50mm[10],測試裝置圖如圖1所示。
圖1 透水系數(shù)測定裝置圖
先將試樣通過保鮮膜和凡士林密封在圓筒內(nèi), 再測試保持150mm水位差時(shí)5min流過試件的水 量按式(1)進(jìn)行計(jì)算。
式中,kT為試樣透水系數(shù),mm/s;T為水 溫,℃;Q為t秒內(nèi)收集的水量,mm3;L為試件的厚 度,mm;A為試樣表面積,mm2;H為水位差,mm; t為時(shí)間,s。
物理性質(zhì)測試：按照CJJ / T253 — 2016、GB / T 500821—2019和ASTM-C20[11]進(jìn)行測試,樣品尺寸100mm×100mm×100mm,透水混凝土試件養(yǎng) 護(hù)到齡期之后拿出,將試件放在烘箱中烘至衡重,設(shè) 定溫度為(105±5)℃。取出后放在陰涼干燥環(huán)境中冷卻至室溫,稱取質(zhì)量(m1,g),量取試件的尺寸并 計(jì)算出其體積(V,cm3)。將透水混凝土試件完全浸 泡在水中,浸泡1d后測量試件在水中的質(zhì)量(m2, g),用擰干的濕毛巾試件擦去表面水分,稱量記錄試 件質(zhì)量(m3,g)[12]。試件的連續(xù)孔隙率(P,%)、吸 水率(W,%)、真實(shí)密度(T,g/cm3)、表觀密度(B, g/cm3)分別按式(2—5)計(jì)算。
式中,ρ為水的密度,g/cm3。
2 結(jié)果與討論
2.1 再生透水混凝土的物理性質(zhì)分析
表2為不同摻量PET制備再生透水混凝土的物理性質(zhì)。
表2 再生透水混凝土的物理性質(zhì)
從表2可以看出,隨著再生骨料體積替代率的增大,再生透水混凝土的孔隙率也逐漸提高,相比較 空白樣,PET切片和PET廢絲摩擦造粒不同體積 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?yàn)樯倭康脑偕橇蠐饺?時(shí)切片的不規(guī)則性使孔隙變小,隨著大量的PET切 片摻入PET(S)-20、PET(S)-30、PET(S)-40、PET (S)-50的孔隙率分別增加了19.22%、49.32%、 28.23%、18.34%;PET廢絲摩擦造粒PET(G)-20、PET(G)-30、PET(G)-40、PET(G)-50分別增加了 20.90%、36.28%、52.26%、48.90%,這是由于再生骨料與天然骨料性質(zhì)不同,再生骨料的比重較低,占據(jù)的體積相對較大,從而增加了混凝土的孔隙率,且再生骨料和混凝土基體之間界面大小對混凝土孔隙率產(chǎn)生了影響,存在塑料再生骨料與混凝土基體之間的間隙,會(huì)導(dǎo)致孔隙率的增加。這兩點(diǎn)原因?qū)е?再生透水混凝土的密實(shí)性變差,從而增加了整體的孔隙率[13]。隨著孔隙率的增加,再生混凝土的吸水率也相應(yīng)上升。此外,隨著再生骨料的添加量增大, 由于再生骨料的密度遠(yuǎn)低于天然骨料,因此再生透水混凝土的真實(shí)密度和表觀密度都會(huì)隨著塑料添加量的增加而減小。
2.2 PET摻量對再生透水混凝土力學(xué)性能的影響
PET摻量對再生透水混凝土28d抗壓強(qiáng)度的 影響見圖2。由圖可見,隨著PET摻量不斷增大, PET切片PET(S)和PET廢絲摩擦造粒PET(G) 均呈現(xiàn)下降的趨勢。其中PET摻量為10%時(shí)抗壓 強(qiáng)度達(dá)到最大值,PET(S)和PET(G)的強(qiáng)度最大值 分別為22.73MPa和25.12MPa。PET(S)在摻量 50%時(shí)強(qiáng)度最小,強(qiáng)度最小時(shí)為9.54MPa,當(dāng)PET (S)摻量由0增大到50%時(shí),抗壓強(qiáng)度的降幅依次 為4.03MPa、2.61MPa、3.68MPa、3.63MPa、 3.27MPa;PET(G)在摻量50%時(shí)強(qiáng)度最小,強(qiáng)度最 小時(shí)為16.42MPa,當(dāng)PET(G)摻量由0%增大到 50%時(shí),抗壓強(qiáng)度的降幅依次為1.64MPa、 0.78MPa、3.12MPa、2.69MPa、2.11MPa。
圖2 PET摻量對再生透水混凝土28d抗壓強(qiáng)
一結(jié)果是由于PET再生骨料的加入,PET 再生骨料不會(huì)與水泥發(fā)生相互反應(yīng),并且PET再生 骨料具有較低的彈性模量,而傳統(tǒng)骨料通常較為剛 硬,這種差異導(dǎo)致混凝土的整體彈性模量降低,從而 影響抗壓強(qiáng)度。這也是由于添加塑料再生骨料可能 導(dǎo)致混凝土中的微觀裂縫和空隙的增加,這些缺陷 會(huì)在受到壓縮力時(shí)引起局部應(yīng)力集中,從而減弱混 凝土的抗壓強(qiáng)度[14-16]。根據(jù)JC/T2558—2020中 對透水混凝土的抗壓強(qiáng)度最低15.0MPa,PET(G)作為再生骨料摻入后抗壓強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)值,PET (S)摻量在0~30%也高于標(biāo)準(zhǔn)值,因此制備的再生 透水混凝土可以達(dá)到透水混凝土路面材料的要求。
PET摻量對再生透水混凝土28d抗折強(qiáng)度的 影響見圖3。
由圖可見,兩種PET摻量對再生透水混凝土 28d抗折強(qiáng)度的影響與抗壓強(qiáng)度結(jié)果類似,隨著摻 量的增加,其中PET(G)-10抗折強(qiáng)度(4.03MPa)高 于空白樣的抗折強(qiáng)度,其余抗折強(qiáng)度逐漸發(fā)生下降, 下降最低為PET(S)-50和PET(G)-50,分別從0% 摻量的3.8MPa下降到1.4MPa和1.5MPa。這一結(jié)果是由于再生骨料和天然骨料混合后在基體中產(chǎn)生了微小裂縫,再生骨料與混凝土基體之間的黏結(jié) 較弱[17-18]。這樣的弱黏結(jié)可能導(dǎo)致在加載時(shí)產(chǎn)生裂 縫或剝離現(xiàn)象,從而降低整體的抗折強(qiáng)度。根據(jù) JC/T2558—2020中對透水混凝土的抗折強(qiáng)度最低 1.0MPa,PET切片和PET廢絲摩擦造粒摻入后制 備的再生透水混凝土試件抗折強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)值, 因此滿足規(guī)范要求。
2.3 PET摻量對再生透水混凝土透水系數(shù)的影響
PET摻量對再生透水混凝土透水系數(shù)的影響 見圖4。由圖可見,隨著PET摻量的增加,透水系 數(shù)呈現(xiàn)先提高再下降又提高的趨勢,其中PET(S)- 50和PET(G)-50的透水系數(shù)最大,分別為 9.9mm/s和8.4mm/s,PET(S)-10和PET(G)-10 的透水系數(shù)最小,分別為3.7mm/s和4.2mm/s。 在力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)[19],PET(S)-30和PET(G)-50的透水系數(shù)分別為8.5mm/s和 8.4mm/s,相比較于空白樣分別提高了118%和 118%。
總體上,透水系數(shù)是隨著PET摻量變大持續(xù)上 升,這是因?yàn)殡S著PET摻量變大,導(dǎo)致透水混凝土 中的微觀裂縫和空隙增加,這些透水孔隙的增加有 助于提高水在混凝土中的滲透速度,從而增大透水 系數(shù)[20]。根據(jù)JC/T2558—2020中對透水混凝土 透水系數(shù)最低要求是0.5mm/s,PET切片和PET廢絲摩擦造粒摻入后制備的再生透水混凝土試件透水系數(shù)均高于標(biāo)準(zhǔn)值,因此滿足透水路面材料對透水系數(shù)的要求。
圖4 PET摻量對再生透水混凝土透水系數(shù)的影響
3 結(jié)論
(1)通過不同含量的PET切片和PET廢絲摩 擦造粒摻入到透水混凝土中替代部分天然骨料,制備了透水性能優(yōu)異的再生透水混凝土。
(2)分別對不同再生透水混凝土進(jìn)行了物理性質(zhì)、力學(xué)性能以及透水系數(shù)的測定,結(jié)果表明由于再生骨料的不規(guī)則性以及相對于天然骨料的比重較低,其表現(xiàn)出了較大的孔隙率和較低的密度。
(3)摻入不同摻量PET再生骨料的再生透水混 凝土滿足力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值,并且在PET廢絲回收料 摩擦造粒PET(G)-10達(dá)到最高,抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng) 度分別為4.03MPa和25.1MPa。
(4)在保證再生透水混凝土力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn) 的同時(shí)使其透水系數(shù)提高,透水混凝土抗壓強(qiáng)度滿足TC15、抗折強(qiáng)度滿足TZ1.0,PET(S)-30和PET (G)-50均表現(xiàn)出優(yōu)異的透水性能,透水系數(shù)分別為 8.5mm/s和8.4mm/s。
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