改性聚苯乙烯塑料在再生混凝土材料中的应用研究

Research on Application of Modified Polystyrene Plastic in Recycled Concrete Materials

摘要

以用普通硅酸盐水泥作为基体，掺杂改性聚苯乙烯（MPS），制备再生塑料混凝土，分析MPS的用量对再生塑料混凝土的工作性能、保温性能及耐久性的影响。结果表明：MPS经硅烷偶联剂改性后亲水性提高，有利于其与水泥基质紧密结合，加入适量的改性MPS可以改善再生混凝土的吸水率；随着MPS用量的增加，材料的导热系数呈现先降低后上升的趋势，当加入质量分数为2%的MPS时，再生混凝土的导热系数为0.143 W/（m·K），具有优异的保温性能；当MPS的质量分数为2%时，氯离子迁移系数为6.35×10^-12 m²/s，再生混凝土的耐久性最佳。

Abstract

Ordinary silicate cement was used as the matrix, and modified polystyrene (MPS) was added to prepare recycled plastic concrete. The effects of the amount of MPS on the working performance, thermal insulation and durability of the recycled plastic concrete were analyzed. The results show that the hydrophilicity of MPS is improved after being modified by silane coupling agent, which is conducive to its close binding with cement matrix, and the water absorption rate of recycled concrete can be improved by adding an appropriate amount of modified MPS. With the increase of MPS, the thermal conductivity of the material decreases first and then increases. When the mass fraction of MPS is 2%, the thermal conductivity of recycled concrete is 0.143 W/(m·K), which has excellent thermal insulation performance. When the mass fraction of MPS is 2%, the chloride ion mobility coefficient is 6.35×10^-12 m²/s, and the durability of recycled concrete is the best.

Graphical abstract

关键词

改性聚苯乙烯 / 再生混凝土 / 工作性能 / 保温性能 / 耐久性

Key words

Modified polystyrene / Recycled concrete / Working performance / Thermal insulation / Durability

混凝土作为建筑行业的基础原材料，其力学性能和保温性能直接影响建筑物的安全质量及使用效果^[1-3]。而传统混凝土材料在应用方面的缺陷逐步凸显，特别是抗压强度^[4]、劈裂抗拉强度^[5]及保温性能^[6]需要改善，从而避免影响混凝土材料的耐久性及使用效果^[7-8]。因此，研究新型再生塑料混凝土材料，也是当下材料科学领域的热点议题^[9]，对于废弃物的回收利用和自然环境的改善具有重要意义^[10-11]。

聚苯乙烯(PS)是化工行业常用的一种工程塑料^[12]，其强度高^[13]、质量轻、价格便宜且具有较好的化学稳定性，将其加入混凝土基质中，可以显著提高混凝土的保温隔热性，在降低建筑能耗方面具有非常广泛的用途^[14]。但PS与水泥的黏结性较差^[15]，导致复合材料的综合性能不佳，因此需要对材料进行改性处理^[16]。刘凤利等^[17]研究发现，采用聚乙烯醇纤维改性PS制备得到再生混凝土，力学性能和保温性能显著提升。严向阳等^[18]采用不同种类的偶联剂改性PS制备得到再生混凝土，并进一步研究偶联剂的种类和用量对再生混凝土性能的影响。结果表明：加入0.9％改性PS的试样的导热系数和干密度达到最低值，同时聚苯乙烯颗粒掺杂使混凝土的抗碳化性能降低。

本实验采用普通硅酸盐水泥为基体材料，以硅烷偶联剂KH550改性聚苯乙烯(MPS)为掺杂相，制备MPS再生塑料混凝土，进一步分析MPS用量对塑料混凝土的工作性能、保温性能及耐久性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

废旧PS，回收的空调包装外壳，表观密度15.2 kg/m³，南京华远再生材料公司有限公司；普通硅酸盐水泥，P.O.42.5，主要化学组分：w(SiO₂)为24.05%，w(CaO)为53.48%，w(Al₂O₃)为5.13%，w(MgO)为9.26%，w(Fe₃O₄)为5.51%，w(SO₃)为2.46%，安徽池州天河建筑材料有限公司；碎石，粒径5.5~25.0 mm，安徽禹易建筑材料有限公司；细砂，粒径2.0~5.5 mm，安徽禹易建筑材料有限公司；硅烷偶联剂KH550，工业级，合肥金科化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

水泥搅拌机，JB-325，四川柯达建筑设备有限公司；恒温油水浴锅，HYS-500，湖北电热仪器设备有限公司；傅里叶变换红外光谱仪，HY 3340，威海瀚宇电子科技有限公司；导热测量仪，HC-550，江苏天康电子设备有限公司；接触角测试仪，KT-33，安徽科泰科技有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，SU8020，日本电子株式会社；保温箱，JS-255，江苏景盛设备有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 MPS的制备

首先配制质量分数为10%的KH550溶液，调整溶液的pH值为4.0~6.0，之后将PS颗粒和KH550溶液按照1∶15(质量体积比)的比例混合，在室温下搅拌6 h后，在100 ℃的环境下固化3 h，得到硅烷偶联剂改性的MPS材料。

1.3.2 再生塑料混凝土的制备

根据JGJ 55—2011中的相关规定，混凝土的坍落度需达到40~55 mm。经过试拌、测验与调整，最终确定PS再生塑料混凝土中水泥、水、石子、细砂的配合比为2.00∶1.00∶2.24∶1.84，其中混凝土目标强度等级为C20，依次加入细砂、石子、水、减水剂充分搅拌均匀。表1为混凝土的配比。MPS分别以质量分数为1.0%、2.0%、3.0%、4.0%的比例等质量替代细砂，最后再将搅拌充分的混凝土倒入模具中，振捣均匀后在规定的标准条件下养护。放置24 h后拆模，随后放入养护箱中养护3 d，之后取出在自然条件下养护28 d，得到再生塑料混凝土样品。

1.4 性能测试与表征

流动度测试：按照GB/T 8077—2023测试水泥浆体的流动度，其中模具上口直径×下口直径×高度为36 mm×60 mm×60 mm。

FTIR测试：试样的制备采用KBr压片法，将样品和KBr混合均匀，压片成型。采用傅里叶变换红外光谱仪进行测试，波数范围为500~4 000 cm^-1。

SEM测试：采用扫描电子显微镜(观察材料的微观形貌，加速电压设置为15 kV。

接触角测试：每个样品在稳态环境条件下，采用静滴法进行测试，选择5个不同的位置，结果取平均值。

保温性能测试：接触压力设置为414 kPa，样品尺寸为50.0 mm×5.0 mm。

耐久性测试：按照GB/T 50082—2009中规定的方法测试再生混凝土的抗氯离子渗透性能。

2 结果与讨论

2.1 改性前后PS的FTIR谱图

图1为改性前后PS的FTIR谱图。从图1可以看出，改性后的PS在1 423 cm^-1处出现—Si—CH₃中—CH₃的反对称伸缩振动吸收峰，在1 542 cm^-1处的强吸收峰为—Si—O—Si—的伸缩振动峰^[19]，这表明KH550已经接枝到PS分子链上，成功对PS进行硅烷改性。

2.2 改性前后PS的微观形貌

图2为改性前后PS的微观形貌SEM照片。从图2a和图2b可以看出，在放大50倍条件下，改性前的PS有明显的颗粒聚集现象，这是由于未改性的PS存在吸湿性，而改性后的PS颗粒聚集现象显著改善。从图2c可以看出，在放大500倍条件下，未改性的PS颗粒形状比较规则，表面光滑平整；改性后的PS颗粒表面有膜状物质形成，表面更为圆滑，且有细小粒状物质聚集在PS的表面，增加了粗糙度，偶联剂与PS颗粒之间更充分接触反应，进一步提高PS的表面极性^[20]。以上结果表明，PS颗粒已经被KH550偶联剂成功改性。

2.3 再生混凝土的工作性能

再生混凝土工作性能的优劣可以用流动度表征。图3为MPS对混凝土流动度及吸水率的影响。从图3可以看出，未添加MPS的再生混凝土的流动度为259 mm，随着MPS的掺入，混凝土的流动度逐渐降低，当MPS用量较少时，MPS可以与混凝土浆体紧密结合，混凝土的黏聚性和流动性均较佳。当加入质量分数为3%的MPS时，混凝土的流动度低于适宜流动度240 mm^[21]，继续加入MPS其流动度进一步下降。这主要是由于过多的MPS聚集成团，使混凝土在搅拌混合时难以均匀分布，进而影响再生混凝土材料的性能。

吸水率也是再生混凝土的一项重要指标^[22]，过高的吸水率不利于混凝土的强度和保温效果。从图3可以看出，未添加MPS的再生混凝土的吸水率为1.94%，加入质量分数为2%的MPS，再生混凝土的吸水率降低至1.53%，相比未添加MPS的再生混凝土降低21.13%，继续加入MPS，其吸水率增大，但仍低于空白对照组。这可能是因为PS经过偶联剂改性后，其亲水性提高。

图4为改性前后PS的接触角。从图4可以看出，改性后PS的接触角由改性前的94.1°减小至76°，使其可以更充分地填补水泥基质中的孔隙，抑制水分的迁移，从而吸水率降低，而随着MPS用量进一步增加，团聚的MPS在混凝土基质中出现缺陷，从而增加了吸水率。

2.4 再生混凝土的保温性能

图5为MPS对混凝土保温性能的影响。从图5可以看出，随着MPS用量的增加，材料的导热系数呈现先降低后上升的趋势，当加入质量分数为2%的MPS时，再生混凝土的导热系数为0.143 W/(m·K)，继续加入MPS，导热系数升高，但均低于空白对照组样品，且根据JC/T 2125—2012中的规定，再生塑料混凝土材料的导热系数标准值为0.19 W/(m·K)，材料的导热系数均在标准值以下，具有良好的保温性，具备实际应用价值。这可能是由于MPS自身的导热系数降低，适量添加有利于改善材料的热工性能，而掺量过大，MPS在水泥基质中不能均匀分散，形成的孔隙等缺陷对材料的保温性能带来不利影响。

2.5 再生混凝土的耐久性

氯离子迁移系数可以直接体现材料的耐久性，该值越大，表明材料在受到外力作用时耐久性更差。图6为MPS对混凝土氯离子迁移系数的影响。从图6可以看出，空白试样的氯离子迁移系数为8.72×10^-12 m²/s，随着MPS用量的增加，氯离子迁移系数呈现先降低后升高的变化趋势。当MPS的质量分数为2%时，氯离子迁移系数为6.35×10^-12 m²/s，再生混凝土的耐久性最佳。进一步增加MPS的用量，氯离子迁移系数提高，再生混凝土的耐久性变差。这可能是因为适量的MPS可以填补再生混凝土内部的孔隙，提高浆体的密实性，使氯离子的渗透能力减弱，材料的耐久性提升，当MPS用量过大，部分MPS在混凝土基质中团聚，形成新的孔隙，增强了氯离子的渗透能力，耐久性减弱^[23]。综合分析，加入质量分数为2%的MPS时，再生混凝土材料具有良好的耐久性，可以在实际应用中表现出较佳的效果。

3 结论

采用硅烷偶联剂改性PS，改性后，颗粒表面有膜状物质形成，表面更为圆滑，进一步提高PS的表面极性。随着MPS的掺入，混凝土的流动度逐渐降低，当MPS用量较少时，混凝土的黏聚性和流动性均较佳，继续加入MPS其流动度进一步下降，影响再生混凝土材料的性能。未添加MPS的再生混凝土的吸水率为1.94%，加入质量分数为2%的MPS，再生混凝土的吸水率降低至1.53%，相比未添加MPS的再生混凝土降低了21.13%，继续加入MPS，其吸水率增大，但是仍低于空白对照组。再生混凝土的导热系数随MPS用量的增加呈现先降低后上升的趋势，加入质量分数为2%的MPS，再生混凝土的导热系数为0.143 W/(m·K)，继续加入MPS，导热系数升高，但均低于空白对照组样品。氯离子迁移系数随着MPS用量的增加呈现先降低后升高的变化趋势，当MPS的质量分数为2%时，氯离子迁移系数为6.35×10^-12 m²/s，再生混凝土的耐久性最佳，进一步增加MPS的用量，氯离子迁移系数提高，再生混凝土的耐久性变差。

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基金资助

河南省教育厅高等学校重点科研项目(24B560016)

河南省社科联调研课题(SKL-2023-307)

河南省开封市科技攻关计划项目(2301012)

河南省开封市哲学社会科学规划调研课题(ZXSKGH-2023-0464)