养护环境对回收聚氯乙烯颗粒混凝土性能的影响

Effect of Curing Environment on Performance of Recycled PVC Particle Concrete

摘要

为研究养护环境对回收聚氯乙烯（RPVC）骨料混凝土力学性能的影响，设计6种养护方案（水养护、室内养护、室外养护及组合养护方案），并制备5种不同RPVC质量分数（0、20%、30%、40%和50%）的混凝土试件，通过基本力学测试和圆柱体单轴压缩试验探究养护环境和RPVC质量分数对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、拉压比及弹性模量的影响。结果表明：试件抗压强度和劈裂抗拉强度随RPVC质量分数的增加而降低。在室内养护环境下，RPVC质量分数为50%时，试件28 d抗压强度和劈裂抗拉强度最低；而水养护环境可最大限度地缓解力学性能的衰减。不同养护条件下，混凝土的拉压比随RPVC质量分数的增加而增大。在标准养护条件下，RPVC质量分数为50%时，拉压比最大，此时试件的塑性变形能力最强。试件28 d弹性模量随RPVC质量分数的增加而下降，且养护环境对其降幅的缓解作用不显著。文章根据试验数据拟合得出RPVC骨料混凝土弹性模量的计算模型。

Abstract

To investigate the effect of curing environments on the mechanical properties of recycled polyvinyl chloride (RPVC) aggregate concrete, six curing schemes (water curing, indoor curing, outdoor curing and combined curing schemes) were designed, five concrete specimens with different RPVC mass fractions (0, 20%, 30%, 40% and 50%) were prepared, and the basic mechanical tests and uniaxial compression testing of cylindrical specimens were carried out to explore the effects of different curing environments and different RPVC mass fractions on the compressive strength, splitting tensile strength, tensile compression ratio and elastic modulus of concrete. The results showed that the compressive strength and splitting tensile strength of the specimens decreased with the increasing RPVC mass fraction. When the RPVC mass fraction was 50% in the indoor curing environment, the compressive strength and splitting tensile strength of the specimens were the lowest at 28 d, while the water curing environment could alleviate the attenuation of mechanical properties to the greatest extent. Under different curing conditions, the tensile compression ratio of RPVC concrete increased with the increase of dosage. Under standard curing conditions, when the RPVC mass fraction was 50%, the tensile compression ratio was the highest, indicating that the plastic deformation capacity of the specimen was the strongest at this time. The 28 d elastic modulus of the specimen decreased with increasing RPVC mass fraction, and the curing environment did not significantly alleviate the decrease. Based on the experimental data, a calculation model for the elastic modulus of RPVC aggregate concrete was fitted in the article.

Graphical abstract

关键词

回收塑料 / 混凝土 / 掺量 / 养护环境 / 力学性能

Key words

Recycling plastics / Concrete / Dosage / Curing environment / Mechanical properties

混凝土因其可塑性强、抗压强度高及耐久性优异等特点，在桥梁、高层建筑、高速公路及水坝等工程领域应用广泛^[1]。预计至21世纪中叶，全球混凝土材料的年生产总量将高达180亿t^[2]。混凝土产业兼具高耗能与高污染特性，且以河砂、砾石等天然骨料为主要原料，其大规模生产将导致自然资源急剧消耗，进而加速资源枯竭进程^[3]。因此，寻找环保、可再生的天然骨料替代材料已成为当前的研究热点^[4-7]。例如，利用旧混凝土建筑物的废弃块等制备再生骨料(RA)，将其完全取代或部分取代河砂、石等天然骨料。再生骨料的推广应用不仅能够减少自然资源的消耗，还能够减少对生态环境的不利影响。

聚氯乙烯(PVC)是常用的热塑性材料之一^[8-9]。在混凝土中掺入废弃PVC塑料颗粒(RPVC)既能减少焚烧或填埋造成的环境污染，又能将废弃资源再利用，从而产生经济效益^[4,10]。KOU等^[4]将磨碎的PVC颗粒掺入混凝土中，研究PVC掺量对混凝土基本性能的影响。SENHADJI等^[10]研究PVC塑料颗粒的掺入对混凝土抗压强度和抗渗性等性能指标的影响。考虑到现场施工环境复杂多变，且与室内养护环境存在显著差异，因此探讨养护环境对掺入PVC塑料颗粒混凝土性能的影响具有重要意义。

养护条件对混凝土性能影响十分显著，不同养护方案及持续时长直接影响其力学强度、抗渗性及服役寿命等特性^[11-16]。LÓPEZ GAYARRE等^[12]分别对天然骨料混凝土和塑料骨料混凝土进行标准养护和室外养护，发现室外养护下，塑料骨料混凝土力学参数降低20%，而标准养护下，二者强度相差不大。BUYLE-BODIN等^[13]发现，空气养护条件下塑料颗粒混凝土的渗透性、吸水率和碳化程度等明显大于浸水养护环境，且随养护时间的增长，趋势更加凸显。FONSECA等^[14]采用PET塑料颗粒代替天然细骨料，探讨不同湿度的养护方案对PET塑料混凝土力学指标的影响规律。结果表明，潮湿环境试件弹性模量最大，室外养护次之，室内养护条件最小。李海龙^[15]认为，与普通混凝土相比，不同养护条件对掺入塑料颗粒混凝土性能的影响程度相当。

目前，关于不同养护方案及不同RPVC掺量对混凝土性能影响的研究尚不多见。为此，本文通过掺入RPVC颗粒，制备不同RPVC质量分数(0、20%、30%、40%、50%)的混凝土试件，并对其分别进行浸水养护、室外空气养护、室内恒温恒湿养护及其组合养护共6种养护方案，养护龄期为90 d，对其进行抗压、劈裂抗拉及拉压比等力学性能测试，旨在研究养护环境对RPVC混凝土力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

P·O 42.5硅酸盐水泥，其化学组成如下：w(SiO₂)21.46%、w(Al₂O₃)5.54%、w(Fe₂O₃)3.47%、w(CaO)63.95%、w(MgO)1.86%、w(SO₃)1.46%、w(K₂O)0.54%、w(Na₂O)0.26%，郑州郑金建材公司；粗骨料，最大粒径12.5 mm的砾石，级配连续，吸水率0.95%，郑州新郑砂石料厂；细骨料，天然河砂，细度模数为2.8，郑州新郑砂石料厂；RPVC，经机械研磨后过筛得到粒径小于5.0 mm的颗粒，河南臻弘新材料有限公司。图1为砾石、砂及RPVC骨料的级配曲线。

1.2 仪器与设备

压力试验机，YES-200，东莞市力显仪器科技有限公司；电液伺服万能试验机，WAW-1000D，济南中路昌试验机制造有限公司；混凝土弹性模量测定仪，TM-Ⅱ，洛阳卓声检测仪器有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 配合比设计

水泥400 kg/m³，水灰比为0.4，河砂800 kg/m³，砾石1 040 kg/m³。在此基础上，分别用RPVC骨料以0、20%、30%、40%和50%的质量分数取代基准混凝土中的天然砂，将其分别命名为RPVC0、RPVC20、RPVC30、RPVC40和RPVC50。其中，RPVC20表示RPVC骨料质量分数为20%的混凝土试件。

1.3.2 养护方案设计

根据上述配合比，将新拌混合料倒入钢模中，在室内环境静止1 d后进行脱模。然后，分别进入不同养护流程，共设计6种养护方案。(1)水养护(CWC)：在(21+1) ℃的恒温水中浸泡养护90 d；(2)室内养护(CRC)：在温度(21±1) ℃、相对湿度59%的室内养护90 d；(3)室外养护(OEC)：在温、湿度不受控的室外养护90 d；(4)组合养护-3 (IWC3)：先水养护3 d，然后室内养护87 d；(5)组合养护-7 (IWC7)：先水养护7 d，然后室内养护83 d；(6)组合养护-14 (IWC14)：先水养护14 d，然后室内养护76 d。

1.4 性能测试与表征

抗压强度测试：在压力试验机平台上进行测试，采用边长100 mm的立方体试件，为追踪强度发展规律，分别在养护时间3、7、28、90 d各测试一次。

劈裂抗拉强度测试：试件为直径150 mm、高300 mm的圆柱，采用电液伺服万能试验机进行测试。

弹性模量测试：试件为直径150 mm、高300 mm的圆柱，采用混凝土弹性模量测定仪进行测试，每组混凝土设置3个平行试件，测试结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 抗压强度分析

图2为不同养护条件下试件的抗压强度。

从图2可以看出，RPVC骨料混凝土抗压强度随养护时间的延长逐渐增加，但增长速率有所差异。养护初期，强度增长迅速，随着龄期增大，强度增长曲线逐渐放缓。这与水泥水化反应的剧烈程度密切相关。与天然骨料混凝土相比，不论养护龄期如何，掺入不同质量分数的RPVC骨料对混凝土试件抗压强度造成不同程度的损失，以CWC养护环境下28 d抗压强度为例，RPVC骨料质量分数为20%、30%、40%及50%，抗压强度降低10.41%、13.28%、18.12%和33.47%。这是由于RPVC骨料兼容性差，且憎水性较强，导致RPVC骨料表面水化反应不充分，并且RPVC骨料与水泥基体界面疏松多孔会导致二者黏结强度低。同时，由于RPVC颗粒弹性模量低，其与接触的水泥基体间存在较大的弹性刚度差，在RPVC颗粒周围极易产生应力集中，滋生大量微裂缝，导致抗压强度下降。KOU等^[4]指出，RPVC颗粒掺量越高，抗压强度损失越大，当RPVC质量分数为45%时，试件抗压强度约下降50%。

此外，不同养护环境对PVC骨料混凝土抗压强度影响较大。对于单一养护条件，PVC骨料混凝土抗压强度从大到小顺序为：CWC、OEC、CRC。与水养护试件相比，室内养护和室外养护下试件的抗压强度分别下降12.69%~28.88%和5.81%~22.97%。然后，分析养护湿度对天然骨料混凝土和PVC骨料混凝土影响的差异。与水养护相比，室内养护下RPVC0和RPVC30试件抗压强度分别降低19.8%和28.9%，这表明掺入RPVC颗粒后混凝土抗压性能对养护环境的变化更趋敏感。IWC3、IWC7和IWC14试件抗压强度相比CWC试件分别下降22.8%、9.8%和7.3%。可见，组合养护方式中水养护需要维持足够长的时间，才能避免试件抗压强度大幅度降低，即对于PVC骨料混凝土，水养护龄期至少达到7 d，才能避免其抗压强度出现严重损失。此外，当胶凝材料、配合比、掺合料等也会对水养护造成影响。

2.2 劈裂抗拉强度分析

图3为不同养护条件下试件的劈裂抗拉强度。从图3可以看出，与RPVC0相比，不同质量分数RPVC骨料混凝土劈裂抗拉强度降幅为7.43%~9.91%。而采取不同的养护方式并不能弥补因掺入RPVC颗粒而导致劈裂抗拉强度的折减。以水养护为例，RPVC0试件28 d劈裂抗拉强度为3.48 MPa，而RPVC20、RPVC30、RPVC40及RPVC50试件，其劈裂抗拉强度分别降低3.5%、6.8%、14.1%和24.2%，这与抗压强度的损失规律大致相同。当RPVC掺量一定的情况下，水养护试件劈裂抗拉强度高于室内或室外养护。与水养护试件相比，室内养护试件的劈裂抗拉强度下降幅度为7.81%~26.43%，而室外养护试件则为18.14%~30.53%。这表明足够潮湿的养护环境有利于弥补RPVC骨料混凝土力学强度。此外，与RPVC0试件相比，掺入RPVC颗粒混凝土试件劈裂抗拉强度受养护环境的影响更加敏感。对于组合养护方式，初期水养护时间十分关键，当RPVC掺量一定的情况下，CWC、IWC14、IWC7和IWC3的劈裂抗拉强度依次减小，说明水养护时间越长，劈裂抗拉强度越大。这是由于养护环境越潮湿，水化反应越充分，水化产物越多，RPVC颗粒与水泥浆体的黏结程度越好，界面区的瑕疵孔洞越少，使混凝土的微观结构更加致密，力学强度更高。

2.3 拉压比分析

混凝土拉压比为抗压强度和劈裂抗拉强度之比，可用于表征材料的塑性变形能力。图4为不同养护条件下试件的拉压比。从图4可以看出，当养护条件一定的情况下，随着RPVC掺量的增加，混凝土拉压比逐渐增大。以水养护为例，RPVC0试件28 d拉压比为7.56，而RPVC20、RPVC30、RPVC40及RPVC50试件，其拉压比分别增大8.1%、16.2%、28.3%和38.7%。试件拉压比增大，意味着材料延性增大，可见掺入RPVC颗粒增强了混凝土塑性变形能力。这是由于RPVC本身为弹性极强的颗粒，嵌入混凝土内部后，在外力作用下能量耗散性更强，显著延缓裂缝发展的损伤进程，从而使混凝土材料抗变形能力增强。此外，不论RPVC掺量如何，水养护的拉压比始终最大，其次是室外养护，室内养护的拉压比最小，这与养护环境对抗压、劈裂抗拉强度的影响规律一致。对于组合养护方式，当RPVC掺量一定下，IWC14、IWC7、IWC3对应劈裂抗拉强度依次减小，说明水养护时间越长，拉压比越大。

2.4 弹性模量分析

图5为不同养护条件下试件的弹性模量。从图5可以看出，在不同养护条件下，弹性模量与掺量均呈负相关，即混凝土弹性模量随着RPVC掺量的增大而降低。与RPVC0基准试件相比，掺入RPVC颗粒后，不同养护环境下混凝土弹性模量下降幅度范围为28.71%~32.53%。同一RPVC掺量下，28 d混凝土弹性模量由大到小的顺序为：水养护、室外养护、室内养护。这与抗压强度和劈裂抗拉强度的变化趋势一致。对于组合养护方式，前期水养护时间越长，弹性模量下降幅度越低，即足够时间的水养护能在一定程度弥补因掺入RPVC颗粒导致的混凝土弹性模量的损失。

混凝土弹性模量的直接测定过程复杂，因此工程人员通常采用间接方式计算得出混凝土弹性模量^[17-20]。研究人员发现，材料弹性模量与抗压强度等力学参数存在内在联系，而抗压强度等基本力学指标测试标准统一，测定结果可靠^[21-25]。通过大量试验数据，建立特定混凝土试件弹性模量与抗压强度的数学关系，即可通过已知混凝土力学指标，直接计算出弹性模量。对此，本文将不同养护条件以及不同RPVC骨料质量分数的混凝土抗压强度和弹性模量试验数据采用最小二乘法进行线性拟合。图6为RPVC骨料混凝土弹性模量(E)与抗压强度(f_cy)的拟合结果。从图6可以看出，拟合线性方程为E=1.54f_cy^0.81，拟合程度较高，相关系数R²=0.92。这说明本研究得出了适用于RPVC骨料混凝土的弹性模量经验计算式。

3 结论

混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度等基本力学性能随着RPVC质量分数的增加而降低，而相比天然骨料混凝土，RPVC颗粒混凝土对养护湿度更加敏感，足够长的水养护环境可最大限度地缓解力学性能的衰减。由于RPVC颗粒自身弹性性能优异，随着RPVC质量分数增加，混凝土的拉压比逐渐增大；不同养护环境下拉压比顺序：水养护室外养护室内养护。弹性模量随着RPVC质量分数的增加而减小，不同养护方案下RPVC骨料混凝土28 d的弹性模量与抗压强度存在较强的线性关系，拟合得到线性方程，其相关系数R²=0.92，该方程适用于RPVC骨料混凝土的弹性模量的经验计算。

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基金资助

四川省科技厅重点研发项目(2020YFS0361)