EPS制备再生塑料混凝土及其力学和保温性能的研究

Study on Recycled Plastic Concrete prepared by EPS and Its Mechanical and Thermal Insulation Properties

摘要

采用铝酸酯偶联剂（ACA）改性聚苯乙烯泡沫（EPS）作为骨料，等量替代砂石制备塑料混凝土，研究不同骨料掺量对塑料混凝土力学和保温性能的影响。结果表明：ACA改性EPS能够显著改善塑料混凝土的力学和保温性能，且当ACA改性EPS填料的质量分数为15%时，塑料混凝土的干密度达到2 723 kg/m³，较纯混凝土的干密度增加51.21%；塑料混凝土的抗压和抗折强度分别较纯混凝土增加19.09%和18.38%；塑料混凝土的平均摩擦系数维持在0.66。当ACA改性EPS填料的质量分数为25%时，塑料混凝土的导热系数达到最低，为0.12 W/（m·K）。综合考虑，建议ACA改性EPS骨料的替换量为15%。在此添加量下，塑料混凝土表现出优异的力学、耐磨及保温性能。

关键词

铝酸酯偶联剂 / 聚苯乙烯泡沫 / 塑料混凝土 / 力学性能 / 保温性能

Key words

Aluminate coupling agent / Expanded polystyrene / Plastic concrete / Mechanical properties / Thermal insulation properties

废物资源再利用和新型建筑材料的开发是当前研究人员关注的热点之一^[1]。其中，再生塑料混凝土在建筑领域得到广泛的应用。聚苯乙烯泡沫(EPS)在自然界中的分解时间最长，很难自然消失^[2]，EPS难降解导致的生态环境问题尤为突出，因此收集和回收EPS并进行资源再利用至关重要。许多研究人员表示，如果废弃的EPS最初用作混凝土骨料，则可以获得隔热混凝土或轻质建筑砖。MOHAMMED等^[3]发现，与常规混凝土相比，含有不同比例EPS的混凝土的火灾后抗压强度有所提高。BICER^[4]指出，通过热处理改性EPS骨料混凝土既可以用于保温，又可以用作半载体轻质混凝土。以上研究都针对不同EPS掺量以及物理处理等方式对塑料混凝土性能的研究。目前鲜有研究将改性EPS作为骨料制作塑料混凝土来探究改性EPS添加量对塑料混凝土力学及保温性能的影响。

EPS具有疏水性，和混凝土基质之间不易润湿亲和，相容性较差^[5]，其界面黏结性较弱，因此通过对EPS改性来提升EPS和混凝土之间的黏结性至关重要。通过加入偶联剂来提升聚合物和混凝土之间的相容性是目前较为普遍的做法。铝酸酯偶联剂(ACA)是一种重要的表面活性剂，表面反应活性高^[6]，且湿润增塑性强，价格低廉，同时ACA是一种以Al为中心的两性结构的物质^[7]，可以和聚合物发生缠绕或者发生化学交联反应将无机物和聚合物结合起来，增强两者之间的相容性^[8-9]。

本实验将ACA改性EPS作为骨料制作塑料混凝土，探究不同改性EPS添加量对塑料混凝土力学及保温性能的影响，以期能够为改善塑料混凝土的性能及综合有效利用EPS资源提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

铝酸酯偶联剂(ACA)，dl-411，东莞市鼎海塑胶化工有限公司；废旧聚苯乙烯泡沫(EPS)，表观密度15.23 kg/m³，回收的EPS包装泡沫；普通硅酸盐水泥，P.O.32.5R，山东华银特种水泥股份有限公司；三乙醇胺，质量分数>99%，广州市华莱贸易有限公司；甲苯、溴化钾，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

行星搅拌机，NJ-106B，无锡建材试验仪器厂；生产摩擦磨损试验机，UMT TriboLab，布鲁克通用机械测试仪器有限公司；万能试验机，CMT5205，珠海市三思泰捷电气公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Thermo Nicolet Nexus，美国赛默飞世尔科技公司；导热系数测试仪，DRCD-3030，承德市万塑检测仪器有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 ACA改性EPS的制备

采用30 mL甲苯制备1%的ACA溶液，向其中加入50 g EPS颗粒，室温下搅拌24 h，放在通风处待甲苯挥发，待其挥发到一定程度后，放入120 ℃环境下固化2 h，得到ACA改性的EPS材料。

1.3.2 再生塑料混凝土的制备

表1为再生塑料混凝土配方。将砂、水泥和三乙醇胺和碎石按照表1的配方进行混合，搅拌3~5 min，加入ACA改性EPS颗粒(部分替代天然砂石，填料用量以ACA改性EPS替代砂占比计)，加入水，搅拌均匀入模，参考GB/T 50082—2009的方法对试样养护7 d，后拆模制成再生塑料混凝土复合材料，备用。

1.4 性能测试与表征

FTIR测试：扫描范围为400~4 000 cm^-1，分辨率为4 cm^-1，扫描次数为64次。

干密度测试：参照ASTM C1688/C1688M-10，通过置换法进行测定。

抗压强度和抗折强度测试：参照JGJ/T 12—2019进行测定，实验速率为0.5 kN/s，加载速率为50 mm/min。

耐磨性能测试：参照JTJ 053—1994进行测试，设定条件：压力为548 N，滑动速度为6.2 m/s。

导热系数测试：参照GB/T 10294—2008进行测试。

2 结果与讨论

2.1 FTIR分析

图1为EPS及ACA改性EPS的FTIR谱图。从图1可以看出，EPS在700 cm^-1和757 cm^-1处存在明显的吸收峰，这些峰均归属于单取代苯环上氢原子的面外变角振动^[10]，在1 490 cm^-1及1 603 cm^-1处存在明显的吸收峰，这些峰均归属于苯环的振动^[11]，在2 924 cm^-1处也存在明显的吸收峰，归属于亚甲基—CH₂—的反对称伸缩^[12]。ACA改性EPS在687 cm^-1及721 cm^-1处出现新的吸收峰，分别归属于ACA中Al—O键及多个亚甲基键的伸缩振动^[13]，在1 297 cm^-1和1 465 cm^-1处也存在明显的吸收峰，分别归属于C—O键的振动吸收及—CH₂—键的变形振动^[9]。在2 849 cm^-1及2 915 cm^-1处也存在明显的吸收峰，这些峰归属于—CH₂—键的对称伸缩振动及—CH₂—键的反对称伸缩振动^[14]。ACA的Al及烷氧基均能够和聚合物EPS发生缠绕，表明ACA接枝EPS成功。

2.2 干密度分析

图2为ACA改性EPS制备塑料混凝土的干密度变化。从图2可以看出，未添加ACA改性EPS的混凝土的干密度约为2 512 kg/m³，与王磊等^[15]和李伟^[7]的研究结果一致。随着ACA改性EPS添加量的增加，塑料混凝土的干密度呈现先上升后波动变化的趋势，且当ACA质量分数超过15%时，塑料混凝土的干密度达到2 723 kg/m³，较纯混凝土的干密度增加51.21%。由此可以看出，ACA改性EPS制备的塑料混凝土能够有效地增强塑料混凝土的干密度。干密度可以直观反映塑料混凝土的密实度，间接反映ACA改性EPS在混凝土中的界面相容性^[16]。ACA改性EPS增加其在混凝土基质缝隙中的相容性，从而增加塑料混凝土的干密度。除此之外，由于ACA的有机碳链与聚合物的分子链可以发生缠绕，对于增强其相容性有积极作用^[17]，进一步增强塑料混凝土的黏度，降低空隙，增加干密度。

2.3 力学性能分析

图3为添加ACA改性EPS对塑料混凝土抗压和抗折强度的影响。从图3可以看出，未添加ACA改性EPS填料时，混凝土的抗压和抗折强度分别为26.72 MPa和2.80 MPa，随着ACA改性EPS填料的增加，塑料混凝土的抗压强度和抗折强度均呈现明显增加的趋势，且当ACA改性EPS填料的质量分数超过15%时，塑料混凝土的抗折强度的增加趋势不明显，而当ACA改性EPS填料的质量分数超过10%时，塑料混凝土的抗压强度出现波动。整体看来，在ACA改性EPS填料的质量分数为15%的条件下，塑料混凝土的抗压和抗折强度分别较纯混凝土增加19.09%和18.38%。由此可以看出，ACA改性EPS制备塑料混凝土能够显著改善其力学性能，主要是由于ACA改性EPS的力学性能得到有效提升所致^[17]。但是，当填料质量分数超过15%之后，塑料混凝土的力学性能增加趋势不明显，这可能是由于EPS自身的抗压强度及抗折强度较纯混凝土低的原因所造成，当添加比例过大时，会进一步导致制备的塑料混凝土力学性能不佳^[18]。这些结果表明，ACA改性EPS制备再生塑料混凝土能够在小体积置换率下有效改善再生塑料混凝土的抗压强度，且在合理的填料用量下(质量分数15%)，改善再生塑料混凝土的抗折强度。

2.4 耐磨性能分析

表2为添加ACA改性EPS对塑料混凝土耐磨性能的影响。本研究通过平均摩擦系数和单位面积磨损耗量两个参数反映塑料混凝土的耐磨性能。从表2可以看出，随ACA改性EPS填料量的增加，塑料混凝土的平均摩擦系数呈现先下降后平稳变化的趋势，且在ACA改性EPS填料质量分数超过15%时，塑料混凝土的平均摩擦系数变化较为稳定，在填料质量分数为15%~25%时，塑料混凝土的平均摩擦系数维持在0.66。同样，塑料混凝土的单位面积磨损耗量表现出和平均摩擦系数相同的变化趋势，当填料质量分数超为15%时，塑料混凝土的单位面积磨损耗量为0.90 kg/m²。这些结果进一步表明，添加适量ACA改性EPS制备塑料混凝土能够显著改善其耐磨性能。这是由于ACA改性EPS后，ACA中的Al及烷氧基均能够和聚合物EPS发生缠绕，两者发生紧密结合和交联反应，从而增强塑料混凝土中的交联结构，进一步降低塑料混凝土在摩擦中的阻力^[19]，改善其耐磨性能。

2.5 保温性能分析

塑料混凝土的保温性能受到原料、空隙结构及干密度等多种因素的影响。图4为添加ACA改性EPS对塑料混凝土导热系数的影响。从图4可以看出，随着填料填充量的增加，塑料混凝土的导热系数呈现下降的趋势，且在填料质量分数为25%时，塑料混凝土的导热系数达到最低，为0.12 W/(m·K)。出现这种现象，主要是由于ACA改性EPS的导热系数较低所致，其中水泥水凝胶的导热系数约为0.9 W/(m·K)，而按GB/T 10801.1—2021，EPS的导热系数约为0.033~0.036 W/(m·K)。因此，ACA改性EPS在制备塑料混凝土后，将紧紧缠绕在混凝土基质之上，导致在混凝土基质中存在较多分散的改性EPS，进而降低其导热系数^[18]。ACA改性EPS制备塑料混凝土的过程中，ACA改性EPS的加入在塑料混凝土基质中形成了新的传热途径，这就导致在保温性能测定的过程中，大量的热量在ACA改性EPS中被传递，增强了传递的路径，消耗的时间和热量更多^[20]，从而导致塑料混凝土的导热系数不断降低。

3 结论

采用ACA改性EPS作为骨料，等量替代砂石制备塑料混凝土，有效改善了塑料混凝土的力学和保温性能。

随着ACA改性EPS添加量的增加，塑料混凝土的干密度呈现先上升后波动变化的趋势，抗压强度和抗折强度均呈现明显增加的趋势，平均摩擦系数呈现先下降后平稳变化的趋势，导热系数呈现下降的趋势。

当ACA改性EPS填料的质量分数为15%时，塑料混凝土的干密度达到2 723 kg/m³，较纯混凝土的干密度增加51.21%；塑料混凝土的抗压和抗折强度分别较纯混凝土增加19.09%和18.38%；塑料混凝土的平均摩擦系数维持在0.66；当ACA改性EPS填料的质量分数为25%时，塑料混凝土的导热系数达到最低，为0.12 W/(m·K)。

综合考虑，建议ACA改性EPS骨料的替换量为15%。在此添加量下，塑料混凝土表现出优异的力学、耐磨及保温性能。

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