一种利用PET粉提高水泥基复合材料变形能力的方法

技术领域

本发明涉及水泥基复合材料设计及制备领域，特别是涉及一种利用PET粉提高水泥基复合材料变形能力的方法。

背景技术

城市废物的处理一直以来都是较为棘手的全球性环境问题，而塑料是形成城市废物的主要部分。根据联合国环境规划署2023年发布的报告显示，全球塑料年产量超过4.3亿吨，其中三分之二塑料制品均为短期使用，很快就会变成废物。据统计，对于这些塑料废弃物，仅有9％被再次利用。

由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的废弃塑料瓶是重要塑料垃圾之一。PET有着不可生物降解的性质，为了处理这些难以降解的PET塑料废品，传统的垃圾处理办法除了将其直接填埋在垃圾填埋场外，就是采用一些焚烧相关的替代方法。然而，这些处理方法均有诸多缺点，填埋塑料需要数十年甚至数百年方可分解，还可能导致有毒物质渗入地面；而焚烧塑料则会将化学添加剂和温室气体释放到大气之中，造成严重的环境污染，危害人体健康。

在其他工业领域使用PET废物是处理这些废品行之有效的方法，尤其在建筑工程领域会消耗大量的PET废物。因此，早在多年前，已有研究人员致力于在混凝土制造工艺中加入PET废料作为增强材料以消耗PET废料。然而，在多数研究中，PET都是作为纤维掺入混凝土中，其纤维的体积量仅仅在0.3％至2.0％之间，通过这种方式利用的PET塑料废物少之又少。显然，仅仅以纤维的形式把PET掺入混凝土中并不能有效地处理大量的PET废物，更好的方式应该是将PET制作成混凝土主要原料的替代品，以此将大量的PET加入到混凝土中，达到消耗PET废物的目的。

与此同时，由于城市化进程的加快，全球混凝土产量迅速增加。众所周知，天然骨料是生产混凝土的主要原材料之一，混凝土和砂浆的组分中大约60～75％是天然骨料。作为制备混凝土的主要原料，天然骨料的需求量急剧上升，以至于天然骨料供不应求，价格不断上涨，严重影响到建筑行业的发展。此外，采砂采矿的活动也随之增多，天然矿石以及河砂急剧减少，对生态环境造成巨大的影响。因此，使用再生骨料代替天然骨料对建筑行业以及可持续发展均有着重大的意义。

另一方面，传统混凝土作为一种准脆性材料已经难以满足部分工程的性能需求。在建筑材料领域，研究人员在混凝土中加入纤维制作成工程水泥基复合材料(简称ECC)。ECC可以增强混凝土的延性，能有效改善传统混凝土的缺陷，这也使得ECC成为当前建筑材料的研究热点。但其也存在一些不足之处：由于纤维过多会对混凝土的强度、加工性以及成本等方面有着消极影响，混凝土中只能加入较低含量的纤维(1％至2％的体积)，这也使得其延性增长有限。

鉴于此，提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用PET粉提高水泥基复合材料变形能力的方法，以解决上述现有技术存在的问题，解决现有混凝土消耗大量天然骨料、延展性较弱的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种利用PET粉提高水泥基复合材料变形能力的方法，将PET粉以0-25％的体积替代率替代所述水泥基复合材料中的骨料，且所述体积替代率的取值不为0％。

作为本发明的进一步优选，所述骨料为石英粉。

作为本发明的进一步优选，所述PET粉和所述骨料的粒径等级相同。

本发明还提供一种基于PET粉的水泥基复合材料，以单位体积质量计，由以下原料组成：

其中，所述PET粉的掺量不为0kg/m

作为本发明的进一步优选，所述水泥为P.II 52.5R普通硅酸盐水泥。

本发明中，所述粉煤灰(主要成分为SiO

作为本发明的进一步优选，所述PE纤维(UHMWPE纤维)的长度为18mm，直径为24μm，密度为0.97g/cm

作为本发明的进一步优选，所述减水剂为聚羧酸醚类高效减水剂。

作为本发明的进一步优选，消泡剂为聚醚改性硅消泡剂。

作为本发明的进一步优选，所述石英粉和PET粉的粒径为20-310μm。更优选的石英粉平均粒径为120μm，密度为2.68g/cm

本发明可解决如下问题：

(1)提高水泥基复合材料变形能力。PET粉具有塑性变形特性，这使得其可以在试件加载过程中通过PET的变形吸收和分散应力的能量，这种能量吸收作用有助于提高ECC在受拉荷载下的变形能力，增强其极限拉伸应变性能。

(2)可应对耐久性问题。PET粉不会受到水泥基质中碱性物质的侵蚀，因此可以提高混凝土的耐腐蚀性能，延长混凝土结构的使用寿命。

(3)降低混凝土自重。PET粉相比大多数天然骨料具有更轻的重量和更低的密度，因此可以降低混凝土的密度。

(4)节约资源，提高环境效益。使用回收的PET粉替换天然骨料可以减少对自然资源的消耗，从而降低了资源消耗，有利于环境保护和可持续发展。

本发明还提供上述水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将所述原料组分混合，即得所述水泥基复合材料。

作为本发明的进一步优选，上述水泥基复合材料的制备方法包括以下步骤：

将所述水泥、粉煤灰、石英粉、PET粉、增稠剂和消泡剂混合，得到混合物料；

将所述水和减水剂混合，得到混合浆料；

将所述混合浆料加入所述混合物料中，之后加入所述PE纤维，拌合均匀，得到所述水泥基复合材料。

本发明水泥基复合材料制备过程采用的混凝土搅拌装置优选砂浆行星式搅拌机拌置。

更具体的制备步骤如下：

首先，将水泥粉煤灰、石英粉、PET粉、增稠剂和消泡剂加入搅拌机，低速搅拌2-3min使干料混合均匀；随后，在1min低速搅拌的同时加入事先混合均匀的水和减水剂，先低速搅拌3min，再高速搅拌1min使其均匀成浆；然后，在3min低速搅拌的同时加入纤维，低速搅拌4min，再高速搅拌4～5min使纤维分散均匀。整个搅拌过程大概在13～15分钟。

最后，将搅拌好的混凝土迅速入模并振捣以消除试件内部的气泡使试件密实，同时完成流动性测试。浇筑完成后，将试件覆盖薄膜防止水分蒸发，在室内环境养护24h后脱模，在密封环境正常养护28天，到期取出试件进行力学性能测试。

优选的，在将PE纤维投入混凝土搅拌机前，先利用高压气枪将纤维进行吹散处理，以减少PE纤维的成团现象，使纤维在混凝土中分散更为均匀。

优选的，在加入PE纤维后，每隔1min停下搅拌，将缠聚在扇叶上的纤维和浆体中团聚的纤维分开，使纤维能均匀分散在混凝土中。

本发明可实现利用PET粉提高水泥基复合材料变形能力，所制备的水泥基复合材料可用作以下方面：

(1)桥梁和建筑结构：可以有效抵御裂缝的扩展，并提高结构的抗震性能；

(2)地下结构：可以减少由于地基沉降和振动引起的裂缝，并提供额外的耐久性和安全性；

(3)老化混凝土结构修复与加固：利用其出色的延性和粘结性能，加固和修复受损部位；

(4)海洋工程：具有耐腐蚀性能和耐久性；

(5)预制构件：可以提高构件的抗裂性和耐久性。

本发明降低了天然骨料资源的消耗，所得水泥基复合材料具有变形能力高、耐久性好、经济效益佳、环境友好等优点。

本发明公开了以下技术效果：

本发明针对目前PET利用量不高、普通ECC延性有限，以及天然骨料消耗过多会引发生态问题的现状，提出一种利用PET粉提高水泥基复合材料变形能力的方法。本发明可有效解决现有混凝土制备消耗大量天然骨料以及自身延展性较弱的问题，同时能对PET塑料废品进行有效的回收利用。

本发明的方法能显著提高混凝土的变形能力，从而提高混凝土的使用寿命和安全性能，同时可实现大量PET废物的高价值利用，减少由于开采天然骨料资源而造成的环境破坏，是解决天然骨料短缺以及PET废料处理问题的潜在手段，从经济以及生态方面都具备一定的互补性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的原材料的粒径分布曲线图；

图2为本发明实施例中的原材料的电子显微镜图；

图3为本发明实施例中的混凝土试样的搅拌流程图；

图4为本发明实施例中的试件尺寸图；

图5为本发明实施例中的轴拉试验的试件破坏模式；

图6为本发明实施例中的轴压试验的试件破坏模式；

图7为本发明实施例中的轴拉试验应力-应变曲线；

图8为PET与基体间的作用原理。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明以下实施例中，混凝土拌合物的流动性试验流程依据GB/T 2419实施跳桌试验进行，待拌合物停止流动后测量其两垂直方向的拌合物宽度。

实施例中所得混凝土拌合物试件尺寸采用50mm×50mm×50mm的立方体、330mm×60mm×13mm狗骨头状，形状如图4所示。

本发明实施例中所用水泥为P.II 52.5R普通硅酸盐水泥；所用减水剂为聚羧酸醚类高效减水剂。

本发明实施例中所用PE纤维(UHMWPE纤维)的长度为18mm，直径为24μm，密度为0.97g/cm

本发明实施例中所用增稠剂主要成分为甲基纤维素，消泡剂为聚醚改性硅消泡剂。

本发明实施例中原材料的粒径分布曲线图见图1。

实施例1

一种PET粉以0％替代率替代石英粉的水泥基复合材料，原材料配比(1m

表1水泥基复合材料配合比设计(kg/m

制备方法如下：

(1)将水泥、粉煤灰、石英粉、增稠剂和消泡剂加入混凝土搅拌机，75rpm低速搅拌3min使干料混合均匀，得到混凝土粉料预混合物；

(2)在1min低速(75rpm)搅拌的同时加入事先混合均匀的水和减水剂，之后先低速(75rpm)搅拌3min，再高速(135rpm)搅拌1min使其均匀成浆，得到流动的基体；

(3)在3min低速(75rpm)搅拌的同时加入PE纤维，之后低速(75rpm)搅拌4min，再高速(135rpm)搅拌5min使纤维分散均匀，得到混凝土浆料；

(4)将搅拌好的混凝土迅速倒入模具(做3个立方体、3个狗骨头状，共浇筑6个试件)，使用振动台振捣以消除试件内部的气泡使试件密实，同时完成流动性测试。将试件覆盖薄膜防止水分蒸发，在室内环境养护24h后脱模，在密封环境正常养护28天，到期取出试件进行力学性能测试。

实施例2

一种PET粉以5％替代率替代石英粉的水泥基复合材料，原材料配比(1m

表2水泥基复合材料配合比设计(kg/m

制备方法如下：

(1)将水泥、粉煤灰、石英粉、PET粉、增稠剂和消泡剂加入混凝土搅拌机，75rpm低速搅拌3min使干料混合均匀，得到混凝土粉料预混合物(干料混合物)；

(2)在1min低速(75rpm)搅拌的同时加入事先混合均匀的水和减水剂，之后先低速(75rpm)搅拌3min，再高速(135rpm)搅拌1min使其均匀成浆，得到流动的基体(新拌砂浆)；

(3)在3min低速(75rpm)搅拌的同时加入PE纤维，之后低速(75rpm)搅拌4min，再高速(135rpm)搅拌4min使纤维分散均匀，得到混凝土浆料；

(4)将搅拌好的混凝土迅速倒入模具(做3个立方体、3个狗骨头状，共浇筑6个试件)，使用振动台振捣以消除试件内部的气泡使试件密实，同时完成流动性测试。将试件覆盖薄膜防止水分蒸发，在室内环境养护24h后脱模，在密封环境正常养护28天，到期取出试件进行力学性能测试。

实施例3

一种PET粉以10％替代率替代石英粉的水泥基复合材料，原材料配比(1m

表3水泥基复合材料配合比设计(kg/m

制备方法如下：

(1)将水泥、粉煤灰、石英粉、PET粉、增稠剂和消泡剂加入混凝土搅拌机，75rpm低速搅拌3min使干料混合均匀，得到混凝土粉料预混合物(干料混合物)；

(2)在1min低速(75rpm)搅拌的同时加入事先混合均匀的水和减水剂，之后先低速(75rpm)搅拌3min，再高速(135rpm)搅拌1min使其均匀成浆，得到流动的基体(新拌砂浆)；

(3)在3min低速(75rpm)搅拌的同时加入PE纤维，之后低速(75rpm)搅拌4min，再高速(135rpm)搅拌4min使纤维分散均匀，得到混凝土浆料；

(4)将搅拌好的混凝土迅速倒入模具(做3个立方体、3个狗骨头状，共浇筑6个试件)，使用振动台振捣以消除试件内部的气泡使试件密实，同时完成流动性测试。将试件覆盖薄膜防止水分蒸发，在室内环境养护24h后脱模，在密封环境正常养护28天，到期取出试件进行力学性能测试。

实施例4

一种PET粉以15％替代率替代石英粉的水泥基复合材料，原材料配比(1m

表4水泥基复合材料配合比设计(kg/m

制备方法如下：

(1)将水泥、粉煤灰、石英粉、PET粉、增稠剂和消泡剂加入混凝土搅拌机，75rpm低速搅拌3min使干料混合均匀，得到混凝土粉料预混合物(干料混合物)；

(2)在1min低速(75rpm)搅拌的同时加入事先混合均匀的水和减水剂，之后先低速(75rpm)搅拌3min，再高速(135rpm)搅拌1min使其均匀成浆，得到流动的基体(新拌砂浆)；

(3)在3min低速(75rpm)搅拌的同时加入PE纤维，之后低速(75rpm)搅拌4min，再高速(135rpm)搅拌4min使纤维分散均匀，得到混凝土浆料；

(4)将搅拌好的混凝土迅速倒入模具(做3个立方体、3个狗骨头状，共浇筑6个试件)，使用振动台振捣以消除试件内部的气泡使试件密实，同时完成流动性测试。将试件覆盖薄膜防止水分蒸发，在室内环境养护24h后脱模，在密封环境正常养护28天，到期取出试件进行力学性能测试。

实施例5

一种PET粉以20％替代率替代石英粉的水泥基复合材料，原材料配比(1m

表5水泥基复合材料配合比设计(kg/m

制备方法如下：

(1)将水泥、粉煤灰、石英粉、PET粉、增稠剂和消泡剂加入混凝土搅拌机，75rpm低速搅拌3min使干料混合均匀，得到混凝土粉料预混合物(干料混合物)；

(2)在1min低速(75rpm)搅拌的同时加入事先混合均匀的水和减水剂，之后先低速(75rpm)搅拌3min，再高速(135rpm)搅拌1min使其均匀成浆，得到流动的基体(新拌砂浆)；

(3)在3min低速(75rpm)搅拌的同时加入PE纤维，之后低速(75rpm)搅拌4min，再高速(135rpm)搅拌4min使纤维分散均匀，得到混凝土浆料；

(4)将搅拌好的混凝土迅速倒入模具(做3个立方体、3个狗骨头状，共浇筑6个试件)，使用振动台振捣以消除试件内部的气泡使试件密实，同时完成流动性测试。将试件覆盖薄膜防止水分蒸发，在室内环境养护24h后脱模，在密封环境正常养护28天，到期取出试件进行力学性能测试。

实施例6

一种PET粉以25％替代率替代石英粉的水泥基复合材料，原材料配比(1m

表6水泥基复合材料配合比设计(kg/m

制备方法如下：

(1)将水泥、粉煤灰、石英粉、PET粉、增稠剂和消泡剂加入混凝土搅拌机，75rpm低速搅拌3min使干料混合均匀，得到混凝土粉料预混合物(干料混合物)；

(2)在1min低速(75rpm)搅拌的同时加入事先混合均匀的水和减水剂，之后先低速(75rpm)搅拌3min，再高速(135rpm)搅拌1min使其均匀成浆，得到流动的基体(新拌砂浆)；

(3)在3min低速(75rpm)搅拌的同时加入PE纤维，之后低速(75rpm)搅拌4min，再高速(135rpm)搅拌4min使纤维分散均匀，得到混凝土浆料；

(4)将搅拌好的混凝土迅速倒入模具(做3个立方体、3个狗骨头状，共浇筑6个试件)，使用振动台振捣以消除试件内部的气泡使试件密实，同时完成流动性测试。将试件覆盖薄膜防止水分蒸发，在室内环境养护24h后脱模，在密封环境正常养护28天，到期取出试件进行力学性能测试。

将上述实施例1-6所得到得混凝土试件样品，分别进行轴向抗拉试验(实验数据包括抗拉强度和峰值拉伸应变)以及轴向抗压试验(数据包括抗压强度)，试验的试验结果如表7所示。

混凝土狗骨头试件的轴向拉伸试验依据JSCE规范进行，使用电子万能试验机加载，加载方式采用位移控制模式进行拉伸，加载速率为0.5mm/min。试件中部80mm区域采用两个对称的位移计对其轴向应变进行测量，结合应力传感器和位移计共同协助采集数据。

混凝土立方体试件的抗压强度σm依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/50081-2002进行测试，由立方体抗压试验获得，对50mm×50mm×50mm的立方体进行抗压强度的测定。本试验采用YAW-5000微机控制电液伺服压力试验机MATEST材料试验机，加载速率为1800N/s。抗压强度按下式计算：

σm＝F/A

其中F为试验机器记录的力值，A为受力截面面积。

表7

注：PET体积替换率为PET粉取代石英粉的体积比例。试验的结果取三个试件的平均值，括号中的值为该结果的标准偏差。

其中，流动性为鲜浆状态下(刚搅拌完的混凝土浆体)的流动性测试。

从上表可以看出，掺入PET粉的实施例3～6的极限拉伸应变均优于未掺入PET粉的实施1，实施例2～5的轴向抗拉强度均优于实施例1，并且实施例5为综合两个结果的最优实施例。实施例3～6的抗压强度要低于实施例1，而实施例2的抗压强度要略高于实施例1。另外还可看出，掺入PET粉的实施例2～6的流动性均高于未掺入PET粉的实施例1。

PET体积替换率的更优取值范围为15％-20％，在该替换率范围下，新鲜混凝土的流动性均能达到190mm以上，抗拉强度达到8.9MPa以上，极限拉伸应变达到6％以上，而抗压强度也能保持在87MPa。

PET体积替换率的最优取值为15％，在该替换率下，新鲜混凝土的流动性能达到最高的199mm，抗拉强度达到最高的9.12MPa，相比对照组提高了6.92％，极限拉伸应变达到6.16％，而抗压强度也能保持在89.2MPa。

性能测试之前，在狗骨头状试件表面涂抹白漆可观测裂纹的形态与分布，结果如下：

表8

图8为PET与基体间的作用原理，由于PET与基体之间有更宽的界面过渡区，可以通过引入PET在水泥基复合材料(ECC)内部制造微小缺陷，从而使ECC展开更多的微裂缝以增强其变形性能。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。