粉煤灰和塑料废料对混凝土力学和耐久性能的影响

Influence of Fly Ash and Plastic Waste on Mechanical and Durability Properties of Concrete

摘要

采用粉煤灰、聚丙烯颗粒改性混凝土，探究了单掺和复掺粉煤灰和塑料颗粒废料对混凝土力学和耐久性能的影响。结果表明：适量单掺粉煤灰对晚期混凝土的力学性能没有明显影响，适量掺入粉煤灰会改善混凝土晚期的耐久性能。单掺聚丙烯塑料颗粒降低了混凝土的力学性能、耐久性能。适量复掺粉煤灰和聚丙烯颗粒可以有效改善混凝土晚期的力学性能和耐久性能。复掺体系中，总掺量在30%的情况下，粉煤灰和聚丙烯颗粒的质量比为1∶1时，混凝土的力学性能和耐久性能等综合性能较优。

关键词

粉煤灰 / 聚丙烯废料 / 混凝土 / 力学性能 / 耐久性能

Key words

Fly ash / Polypropylene waste / Concrete / Mechanical properties / Durability performance

混凝土是建筑工程、公路工程、桥梁和隧道工程等领域的重要原料^[1-3]。近些年，将再生塑料替换砂石骨料制备再生塑料混凝土得到广泛关注^[4-7]。郑永娟等^[8]采用钛酸酯偶联剂对聚氯乙烯(PVC)进行表面改性，制备了再生塑料混凝土复合材料，发现填充钛酸酯偶联剂改性PVC的再生塑料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。但是，塑料废料颗粒在粉碎后混入混凝土中，在提升其韧性的同时，增大了混凝土的收缩^[9-10]，同时降低了混凝土的强度，限制了塑料混凝土的应用^[11-13]。粉煤灰，作为1种工业副产品，经过适当处理后可以作为混凝土的掺合料，提高混凝土的工作性、耐久性和强度^[14-17]。本实验探究单掺以及复掺粉煤灰、聚丙烯塑料颗粒对混凝土力学性能和耐久性能的影响，为废弃工业废料和塑料废料的资源化利用提出新的思路。

1 实验部分

1.1 主要原料

水泥，P·O42.5，密度1.5 kg/m³，安徽海螺水泥有限公司；粉煤灰，密度2 200 kg/m³，福建新源粉煤灰开发有限公司；普通砂石和碎石，细度模数为2.71；聚丙烯(PP)颗粒，T03，美国埃克森美孚化工公司；聚羧酸系高效减水剂，厦门科之杰新材料有限公司。

1.2 仪器与设备

万能试验机，CMT5205，珠海市三思泰捷电气公司；碳化箱，CCB-70，北京数智意隆仪器有限公司；砂浆收缩仪，BC-176，沧州科兴仪器设备有限公司。

1.3 样品制备

表1为混凝土配方。按照表1的配方，将水泥、粉煤灰、PP塑料颗粒、砂石和碎石、减水剂等进行混合，充分搅拌3 min，加入水再次搅拌3 min，得到混凝土浆体，装模后，将试样模放在振动台振动25 s，将振动成型的模具放入标准养护箱中进行养护，分别养护3、7和28 d，得到试样。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：按GB/T 50081—2019测试抗压强度和抗折强度。

耐久性能测试：按GB/T 50082—2009进行收缩试验和碳化试验，碳化试验采用酚酞酒精溶液进行染色。

2 结果与讨论

2.1 单掺粉煤灰对混凝土性能的影响

2.1.1 力学性能

表2为单掺粉煤灰对混凝土力学性能的影响。

从表2可以看出，随着龄期的增加，所有混凝土试样的抗压强度和抗折强度均呈现增加的趋势。总体来看，在3 d龄期，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度呈现不断降低的趋势。从7 d和28 d龄期看，粉煤灰掺量 \le20%，混凝土的抗压强度和抗折强度受粉煤灰掺量的影响不大；粉煤灰掺量为30%，混凝土的抗压强度和抗折强度均降低。由此可以看出，单掺粉煤灰降低了混凝土早龄期的抗压强度和抗折强度，而对后龄期，尤其是28 d龄期混凝土抗折和抗压强度的影响不明显^[18-21]。

2.1.2 耐久性能

表3为不同粉煤灰掺量对不同龄期混凝土自收缩性能和碳化深度的影响。从表3可以看出，随着龄期的增长，混凝土的自收缩数值和碳化深度均不断增加。以3 d龄期为例，粉煤灰掺量为5%、10%、20%和30%，混凝土的自收缩较未掺粉煤灰的混凝土分别降低了3×10^-6、8×10^-6、11×10^-6、20×10^-6 mm。因为粉煤灰在混凝土中发挥降低体系水化放热速率的作用，从而减缓毛细孔形成^[22-23]，降低了混凝土的自收缩。

从碳化深度结果看，在3 d和7 d龄期，混凝土碳化深度对粉煤灰掺量的响应不敏感。在28 d龄期，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的碳化深度逐渐增加，掺量30%的条件下，混凝土的碳化深度达到14.2 mm。因为在早龄期，粉煤灰的掺入导致其填充作用增加，增强了混凝土的密实性，降低了二氧化碳在混凝土中的渗透，因此导致其碳化深度变化不明显，而随着龄期的延长，粉煤灰继续水化，导致混凝土体系中的氢氧根离子和钙离子等的消耗不断增加^[24-26]，进一步增加了混凝土内部的缺陷，增加了混凝土的碳化深度。由此可以看出，适量掺入粉煤灰可改善混凝土的耐久性能。

2.2 单掺废塑料颗粒对混凝土性能的影响

2.2.1 力学性能

表4为单掺PP塑料颗粒对混凝土力学性能的影响。从表4可以看出，随着PP替代率的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度在不同龄期整体呈现降低趋势。主要原因是PP颗粒和混凝土基质的结合性能较差，导致力学性能受到影响^[27]。

2.2.2 耐久性能

表5为单掺塑料废料颗粒对混凝土自收缩值和碳化深度的影响。

从表5可以看出，随着PP废料颗粒替代率的增加，混凝土的自收缩值和碳化深度在不同龄期均不断增加。28 d龄期时，自收缩值变化对PP掺量的响应不明显。3 d龄期，PP替代率为5%、10%、15%和20%时，混凝土的自收缩值较未掺PP的混凝土分别降低了3×10^-6、5×10^-6、18×10^-6、23×10^-6 mm。从碳化深度的变化看，以3 d龄期为例，PP替代率为5%、10%、15%和20%时，碳化深度较未掺PP的混凝土分别增加了0.4、1.1、1.9、2.8 mm。而出现这种现象的原因是PP的掺入导致混凝土中的空隙增多，增加了二氧化碳在混凝土中的传播速度^[28]，从而加深了其碳化深度，除此之外，由于塑料骨料的刚度较低，而其对水泥基体的收缩应力具有较低的抵抗力^[29]，进一步加速了水泥基质内部的水分扩散，增加了其自收缩数值。结果表明，单掺PP塑料颗粒降低了混凝土的耐久性能。

2.3 复掺粉煤灰和废塑料颗粒对混凝土性能的影响

2.3.1 力学性能

表6为复掺粉煤灰和PP塑料颗粒对混凝土抗压强度和抗折强度的影响。在复掺体系中，粉煤灰和PP颗粒的总体占比为30%，其中粉煤灰和PP颗粒的占比为1∶2，1∶1和2∶1。从表6可以看出，随着粉煤灰比例的增加，混凝土早龄期的抗压强度和抗折强度均呈现降低的趋势。在晚龄期中，随着粉煤灰比例的增加，混凝土的抗压强度和抗折强度均小幅度提升。因为合理的复掺比例使粉煤灰和PP颗粒在混凝土基质中发挥有效的物理填充作用，有效降低有害孔和多害孔的产生，从而改善混凝土力学性能。

2.3.2 耐久性能

表7为复掺粉煤灰和PP塑料颗粒对混凝土耐久性的影响。

从表7可以看出，随着粉煤灰和PP塑料颗粒比例的增加，混凝土的自收缩数值在3 d和7 d龄期时，呈现不断降低的趋势；在28 d龄期时，虽然呈现降低的趋势，但是趋势不明显。而从碳化深度的变化来看，随着粉煤灰比例的增加，混凝土的碳化深度在不同龄期均出现不同程度的降低。以28d龄期为例，当粉煤灰和PP颗粒的比例为1∶1和2∶1时，混凝土的碳化深度较1∶2时分别降低了1.5 mm和1.2 mm。结果表明，适量复掺粉煤灰PP塑料颗粒可以有效提升混凝土的耐久性能。

3 结论

适量单掺粉煤灰对晚期混凝土的力学性能没有明显影响，适量掺入粉煤灰，可改善混凝土晚期的耐久性能。单掺PP塑料颗粒降低了力学性能，且降低了混凝土的耐久性能。适量复掺粉煤灰和PP颗粒可以有效改善混凝土晚期的力学性能。适量复掺粉煤灰和PP颗粒可以有效改善混凝土的耐久性能。在复掺体系中，总掺量在30%的情况下，粉煤灰和PP颗粒的比例为1∶1时，混凝土的力学性能和耐久性能等综合性能较好。

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