适于路面快速修补的再生塑料砂浆的性能研究.docx
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适于路面快速修补的再生塑料砂浆的性能研究
摘要
本课题主要研究了PET塑料在道路材料方面的应用。
研究了PET的掺加量、试件的龄期、试件的养生条件、纳米碳酸钙的掺加量以及粉煤灰的掺加量对再生塑料砂浆强度的影响规律。
结果表明PET再生塑料砂浆具有较高的强度，并且凝结硬化比较快，试件养护18个小时后强度增长基本稳定，抗压强度最高能达到37Mpa。
在保证一定的抗压强度和制作工艺不复杂的前提下，确定塑料和砂比值在1:
3左右为最适合,此时，试件的抗压强度符合施工要求。
添加入少量（质量比为5%左右）沥青后，抗折强度也会有一定程度的提高。
通过对比试验可知，PET再生塑料砂浆抗硫酸盐腐蚀性能比较好。
关键词：
PET塑料；纳米碳酸钙；粉煤灰；抗压强度；抗折强度；弹性模量。
ABSTRACT
ThemainsubjectoftheapplicationofPETplasticinroadmaterials.ThemixingamountofPET,specimenage,specimenofhealthconditions,themixingamountofnanometercalciumcarbonateandflyashreplacementratioofrecycledplasticmortarstrengthlaw.
TheresultsshowthatPETrecycledplasticmortarhasahighstrength,condensationandhardeningfasterspecimenconservationofstrengthafter18hoursgrowththebasicstabilityofthecompressivestrengthcanreachupto37Mpa.Thecompressivestrengthandproductionprocessisnotcomplicatedtodeterminetheplasticandsandratioofabout1:
3asthemostsuitableatthistime,thecompressivestrengthofthespecimensmeettheconstructionrequirements.Addedtoasmallamountof5%asphalt,flexuralstrengthwillbeimprovedtosomeextent.BycontrasttestshowsPETrecycledplasticmortarresistancetosulfatecorrosionbetter.
Keywords:
PETplastics,nanometercalciumcarbonate,flyash,compressivestrength,flexuralstrength,elasticmodulus.
目录
摘要1
ABSTRACT1
第一章绪论1
1.1研究目的和意义1
1.2国内外研究现状2
1.3塑料简介7
1.3.1PET塑料简介7
1.3.2PET塑料结构7
1.3.3PET塑料的用途8
第二章PET再生塑料砂浆的材料和试验方法10
2.1实验材料10
2.1.1细集料10
2.1.2塑料11
2.1.3粉煤灰12
2.1.4纳米碳酸钙12
2.1.5硫酸钠12
2.2PET塑料砂浆试件的制备12
2.2.1PET塑料砂浆制备流程12
2.2.2实验注意事项13
2.3PET表观相对密度测试13
2.4基本力学性能实验14
2.4.1实验方法14
2.5耐久性能实验16
2.5.1抗硫酸盐腐蚀实验16
第三章PET再生塑料砂浆的材料性能19
3.1PET塑料砂浆表观相对密度19
3.2抗压强度测试19
3.2.1抗压强度与PET掺加量的关系19
3.2.2纳米碳酸钙含量对试件抗压强度的影响20
3.2.3抗压强度与龄期的关系21
3.2.4抗压强度与养生条件的关系22
3.2.5抗压强度与粉煤灰掺加量的关系23
3.2.6不同温度下的抗压强度（沙浴方法）24
3.3抗折强度测试25
3.4弹性模量测试26
3.5抗硫酸盐腐蚀试验27
第四章结论与展望29
4.1结论29
4.2展望29
主要参考文献31
鸣谢33
第一章绪论
1.1研究目的和意义
随着社会经济的飞速发展，工业技术也在蓬勃发展，塑料已经深入了人们的生活中，塑料成为了人们生活中不可缺少的材料。
塑料的发展给人们生活带来了不少方便，与此同时又形成了污染，由于塑料具有耐腐蚀、不易分解特性，尤其是一次性塑料包装废弃物、塑料农地膜被人们随意丢弃而造成的视觉污染，即所谓的“白色污染”，一些一次性塑料埋在地下成为了土壤的污染源，埋废弃塑料对环境造成的潜在危害称为潜在污染。
一些动物因吃塑料膜而死亡即所谓的直接污染[1]。
利用这些废塑料创造更大的价值，减少环境污染已经成为了世界所关注的话题。
废旧塑料治理的对策：
减量、再生利用、降解材料。
废旧塑料治理需要遵循减量化原则，提高产品耐老性能、延长寿命、多功能化、产品适量设计。
在所有的塑料制品加工厂中，都不可避免的产生废塑料。
这类材料被定义为“工业废料”。
遵循资源再利用化原则，主要是熔融再生，热裂解，能量回收，回收化工原料以及其他方法。
遵循降解材料化原则，虽然可以降解材料能解决废旧塑料的污染，但无法将能源再生利用。
目前废旧塑料的处理方法有：
填埋、焚烧和回收利用三种方法。
填埋处理，因塑料的重量小，体积大，不易腐烂，会导致填埋称为轻质地基，今后难以利用。
焚烧塑料，产生热量大，会导致气候变暖，且焚烧释放出的气体会污染空气。
回收利用，回收成本高，目前世界收利用仅占塑料消费量15%左右。
然而，从实际情况来看，塑料只是做到了回收，而没有真正真正的利用。
我国每年产生的废弃塑料处理方法中，填埋占93%，焚烧占2%，回收利用仅占5%[2]。
废旧塑料所产生“白色垃圾”已造成了严重的环境污染，必须引起全社会的关注，进行废旧塑料回收利用技术的全面的开发研究，治理“白色污染”，刻不容缓。
同时，加快废旧塑料的再资源化，其前景广阔，大有可为。
PET（聚对苯二甲酸乙二酯）自1953年由杜邦公司实现工业化以来，由于其良好的物理加工性能和大工业生产带来的成本降低所体现出来的性价比优势，迅速取代了许多化学纤维的其他品种，目前以成为合成纤维中最大的一族。
PET在汽水饮料包装材料的成功应用主要是因为PET瓶具有耐冲击性、透明性、无毒性、高阻隔性以及价格低廉的特点[3]。
目前，我国PET塑料饮料瓶的消费量已经达到9.6万t/a[4]，但是废弃PET饮料瓶的再生利用率不是很高，只有部分被利用，其余的都是随意丢弃，即造成了资源浪费同时又污染了环境，所以其回收利用技术有着广阔的前景。
自2003年以来，全球PET的产能以年均9％左右的速度扩张，2005年产能已达到约5470万吨，2005年产量为4100万吨，据PCI的预测，到2008年，全球PET产能将达6700万吨，产量为5000万吨。
PET在中国的大规模工业化起步于上世纪80年代初，发展壮大于90年代中期，目前产能已超过2000万吨，成为PET世界生产、消费大国。
PET瓶的应用增长将持续带动PET的增长。
由于PET瓶,是近年来在水果饮料瓶、瓶装水、即饮茶水和运动饮料中使用最多的塑料包装瓶。
所以,PET瓶的使用前景被十分看好。
因此,未来发展空间还很大。
随着环保要求的日趋严格,可回收PET瓶的应用是一个发展方向。
与国外废旧PET瓶回收利用加工业相比,无论从技术、规模、回收率以及经营管理等各个方面,我国在总体上还是相对比较落后的。
因此,针对国内的生产和技术现状,系统地进行技术研究和开发是废旧PET瓶回收利用的技术发展方向。
本项目主要以回收的废PET瓶为主要材料配制再生PET塑料砂浆。
研究配合比、养生条件、生产工艺等因素对材料的宏观力学性能、耐久性和收缩性的影响；不同环境温度，尤其是高温情况下，材料的稳定性；PET塑料砂浆抗硫酸盐腐蚀能力等。
通过实验数据分析得出结论，为其在以后的工程应用中打下坚实的理论基础。
通过初步研究确定废旧塑料的各项性能，从而确定废旧塑料在道路施工中应用的可行性和适用性。
使用废弃PET作为主要材料，不仅实现了废弃塑料的回收，而且减少了环境污染，达到了变废为宝的目的。
为回收和综合利用废旧PET瓶开发出新的途径和工艺,对解决其造成的环境污染问题具有非常重要的意义。
1.2国内外研究现状
20世纪50年代以来，塑料工业在原料、生产、加工、研究等方面都进入了新阶段，其应用领域也是飞速的扩大，并且成为在国民经济中与钢铁、木材、水泥并驾齐驱的重要材料[5]。
塑料材料已经被广泛的应用到人们的生活生产各个方面，如：
包装、建筑、医学、日常用品、汽车等等。
塑料产业市场前景广阔，是推动社会生产力发展的新型材料。
塑料大规模的生产与应用同时也产生了大量的塑料废弃物，易破坏环境并且危害人类健康。
面对日益严重的塑料废弃物，发达国家已经建立了比较完善的塑料废弃物回收体系并制定了相应的法律法规。
近几年来我国也越来越重视废弃塑料的回收与利用。
我国制定的有关塑料回收的政策和措施将对我国塑料再生产业发展起到举足轻重的作用。
废旧塑料的回收利用技术方法主要可归纳为三类，即再生回收法、化学裂解回收法和焚烧回收能源法。
国内在这方面的技术研究主要集中在前两类技术上。
废弃塑料再生利用技术可分为两类[6]：
一是直接再利用，二是改性再利用。
直接利用是将回收的塑料废弃物经过分类、清洗、粉碎、造粒然后直接加工成型。
改性再利用是将塑料废弃物通过物理或是化学方法进行改性后加工成型。
目前使用的再生塑料制品均需要将塑料加热到200℃或是更高温度才能软化以进行再成型。
这种方法能量消耗大并且有一定的污染，使用其不能进行循环再利用[7]。
因此，废弃塑料回收处理破碎成颗粒或者粉末直接使用，是塑料废弃物回收再利用的最佳选择。
废弃塑料可以用来作为填充物树脂或是其他建筑材料。
如混凝土中的填充集料或是其他道路建筑材料。
国内外的研究成果表明将再生塑料应用在道路工程中是可行的，并且已经运用在实际工程当中。
俄罗斯研究人员[8]在道路建设中将泡沫塑料作为一种新型道路隔温材料，用来替代传统的防冻层，以保障路基不会产生冻结，并起到防护作用。
廖利等[9]利用混合废弃塑料改善道路沥青的性能，研究发现在沥青中掺入废弃塑料可以降低沥青的温度敏感性提高沥青的高温稳定性能。
宁波工程学院蔡可键[10]将聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）用于路堤填筑工程，可以显著地减少路堤引起的地基沉降和对桥台台背产生的侧土压力，提高地基稳定性。
张金喜等利用废弃发泡塑料修筑道路的防冻胀层[11]。
重庆交通大学的卢波等人[12]则以焚烧垃圾渣、废弃塑料为对象，通过研究、实验、设计、开发，利用这些材料制造出一系列筑路材料，并且在道路结构应用中，起到了重要的作用。
在混凝土方面的应用将再生塑料粉碎成不同粒径的颗粒直接加入混凝土材料中制作成新型混凝土称为再生塑料改性混凝土。
目前，将再生塑料应用到混凝土中仍然处于实验室研究阶段，对再生塑料改性混凝土的研究并不多见，国内目前亦未有对再生塑料改性混凝土进行研究的报道。
从国外已经发表的文献资料来看，主要是将再生塑料颗粒部分替代或者全部替代混凝土中的骨料，并进行了一系列再生塑料改性混凝土的物理、化学和力学性能的研究。
Marzouk[13]将废弃PET瓶子破碎成颗粒后按照不同的体积分数（2％一100％）将其加入混凝土中，实验结果表明再生塑料颗粒的粒径、体积分数对混凝土性能的影响十分重要。
Marzouk[13]（2007）研究了WPET经过分类，清洗并切碎后替代同体积的细集料。
研究表明，塑料颗粒可以用于砂的替代。
WPET的替代量从0%增加到50%，与对照砂浆相比，其抗压强度仅降低了16%。
对于50%的替代，降低达到32.8%[19]。
Ismail[14]也进行了类似的实验，其获得的实验结果与Marzouk的结果相吻合。
香港理工大学的Kou[15]则用再生PVC管颗粒和膨胀粘土制作了非承重的轻质混凝土，该轻质混凝土具有低密度、更好的延展性、低干缩和较高的抗氯离子渗透性等特点。
可见，将再生塑料应用于建筑材料中可以达到相应的标准，并且能够获得优良的力学和物理性能，因此在建筑工程中的应用将会越来越广泛，发展再生塑料改性建材具有非常广阔的前景。
使用废弃塑料作为轻质骨料替代部分砂子制作的轻质混凝土在国外已经得到应用。
与传统的人造轻质骨料相比较，使用PET作为轻质骨料更为经济。
采用轻质骨料一般都能减小混凝土的单位重，轻质混凝土其具有密度小、保温性好、抗震性好，适用于高层及大跨度建筑。
最近几年关于废弃塑料作为轻质集料制作混凝土的有关文献也越来越多。
Al-ManaseerandDalal（1997）研究了塑料骨料对混凝土容重的影响。
塑料的含量分别为0%，10%，30%，50%。
棱角塑料的最大粒径为13mm，最终得出的结论是；1、混凝土的容重随着塑料含量的增加而增加，2、混凝土容重的减少与塑料含量的减少成正比，3、当塑料含量为10%，30%，50%时，混凝土的容重分别减小了2.5%，6%，13%[16]。
CavalieriandPadella（2002）研究了将液态二氧化碳应用到PP和PE铣削的过程中，结果得到了一种粉末状物质，从而可以制作成一种新型的复合材料。
这种材料的力学性能通过实验也可以很容易得到[17]。
Choi（2005）研究了PET作为WPLA（轻质骨料）加入到混凝土中对其和易性的影响。
具体的实验数据为：
水灰比分别为45%、49%、53%，用WPLA作为细集料替换0%、25%、50%的砂子。
结果表明掺有WPLA的混凝土的坍落度会增大，当水灰比为52%、104%、123%，而普通混凝土的水灰比是45%、49%、53%时，前者总比后者的和易性好。
这可能要归结于WPLA表面本身比较光滑而且混凝土吸收了WPLA[18]。
他还研究了WPLA对混凝土抗压强度的影响。
结果表明：
1、混凝土的抗压强度会减小当PET含量增加时。
2、对于一个特定的PET含量，抗压强度会增大当混凝土的水灰比减小时。
另外还研究WPLA对混凝土弹性模量的影响结果表明随着塑料含量增加混凝土的弹性模量会减小。
Jo,B.W.（2006）为了解决塑料以及废弃混凝土的固体污染问题。
他们研究了聚合物混凝土的力学性质，从循环利用的PET塑料中提炼出的不饱和聚酯树脂以及循环利用的混凝土集料来制作的聚合物混凝土。
PET树脂聚合物混凝土的抗压强度可以达到73.7MPa,抗弯强度可以达到22.4MPa[19]。
通过改变粗集料和细集料的比例以及树脂含量研究聚合物混凝土的强度、抗酸碱能力。
得到三种结果：
1、由树脂和回收利用的集料制成的聚合物混凝土的强度比普通混凝土的强度要高。
PET树脂聚合物混凝土第七天的抗弯强度和抗拉强度均是第一天抗弯强度的70%和80%。
2、聚合物混凝土的强度与树脂、苯乙烯、碳酸钙的含量有一定的关系。
存在着最佳树脂含量。
当树脂和碳酸钙的含量相对较低时，增加树脂和碳酸钙的含量，聚合物混凝土的强度会增大。
弹性模量也随着树脂含量的增加而增加。
但是树脂含量超过一定的含量，弹性模量和抗压强度都不会发生较大的变化。
当碳酸钙继续增加超过一定含量时，聚合物混凝土的抗压强度、抗拉强度都会随着碳酸钙的增加而减小。
3、可以假定树脂的含量超过某一特定的树脂，那么聚合物混凝土的抗压强度降低是由于后期收缩应力使聚合物和树脂分离，而形成的收缩裂缝。
4、碳酸钙含量较高影响聚合物混凝土强度是因为混合物的塑性较差，粘结性不够。
最佳碳酸钙的含量还是取决于树脂的含量。
5、聚合物混凝土的强度会随着苯乙烯的含量增加而下降。
当苯乙烯的含量为37%-40%时，聚合物混凝土的强度最佳，并且可操作性和可塑性都比较好。
当树脂含量过高时，苯乙烯会和聚合物产生分离，这是聚合物混凝土的强度会很快下降。
6、聚合物混凝土的弹性模量、弯曲强度和抗拉强度都会随着抗压强度的增加而增大。
其聚合物混凝土的强度都是与不同塑料的性质有关的。
其中比较明显的是聚合物混凝土的强度与其龄期以及树脂的含量有关系。
采用回收的PET用做树脂是可取的。
使用PET纤维（PETfibers）来制作纤维加强混凝土，以此来提高混凝土的强度。
使用PET纤维能够控制水泥化合物的塑性收缩开裂。
但是从废品中回收的纤维加入到混凝土中存在很多缺点。
塑性材料的低表面能（lowsurfaceenergy）导致水泥化合物具有较低的力学粘结性，因此不能有效控制开裂。
而且这个过程只能重复利用少量的废旧塑料，因为纤维的体积含量只占混凝土的0.3%-1.5%。
大部分PET瓶子在使用之后都变成废品，引起环境问题。
为了解决这个问题，一种方法就是在结构性混凝土中加入PET纤维，为了验证PET纤维加强混凝土的性能，将它与聚丙烯（PP）纤维加强混凝土进行对比，纤维体积含量为0.5%，0.75%，和1%。
材料性能试验包括抗压强度，弹性模量以及控制干缩应变（restraineddryingshrinkagestrain）试验。
弯曲试验用来测量PET纤维加强混凝土的强度以及延展性。
结果表明，随着纤维体积含量的增加，抗压强度和弹性模量降低。
与没有纤维加强的混凝土试件相比，PET纤维混凝土试件减少了由于干缩而形成的裂缝。
PET纤维加强混凝土梁的最终强度以及相对延展性明显比没有纤维加强的试件强度大，延展性好。
60年代末至70年代初，随着非纤用PET及其它包装制品在发达国家的普及，使PET回收及再加工的技术大量出现，最早使用再生PET纤维工业化的企业是美国的WELLMAN公司，目前该公司的回收PET纤维的产能是5万吨/年。
废PET处理能力大于10万吨/年，其回收PET纤维产品应用市场覆盖无纺布、地毯、家纺、汽车等四大领域，产品品种多达80多个。
由于劳动力成本等因素，目前，发达国家在再生PET再加工领域更多地关注于新技术开发、产品市场的拓展，高附加值产品的开发方面。
目前PET的产品品种也由最初的涤纶短纤维扩展到目前的涤纶短纤维、涤纶长丝、聚酯瓶、聚酯薄膜、无纺布，工程塑料及复合多功能性产品等多个系列上百种产品几千种规格，这些产品系列构成也由初期的100％短纤维发展到多个品种。
国内用回收的PET制造有色农药瓶,替代玻璃瓶以减少产品破损。
PET废料再生利用,对保护环境和综合利用资源有重要的意义,尤其是如何使回收的PET在质量上接近原生PET原料,应大力开展这方面的工作。
1.3塑料简介
众所周知，塑料按其应用领域的差异可分为通用塑料、工程塑料以及特种塑料。
通用塑料（UniversalPlastics）--般指产量大、用途广、加工成型性好且价廉的塑料，包括：
聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等；工程塑料（EngineeringPlastics）一般指具备承受一定外力条件，且有良好的机械性能和尺寸稳定性，并在高低变温条件下仍能保持优异的性能，可作为工程结构件的塑料，包括：
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）等；而特种塑料一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等）的应用于特殊要求的塑料，如聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚醚砜（PES）、聚砜（PSU）、等等。
这其中，工程塑料由于拥有诸多优点，因而是三大塑料品种中发展势头最为活跃的，其应用范围也日趋广泛。
1.3.1PET塑料简介
PET塑料是英文Polyethyleneterephthalate的缩写，简称PET或PETP。
中文意思是：
聚对苯二甲酸类塑料，主要包括聚对苯二甲酸乙二酯PET和聚对苯二甲酸丁二酯PBT。
聚对苯二甲酸乙二醇酯又俗称涤纶树脂。
它是对苯二甲酸与乙二醇的缩聚物，与PBT一起统称为热塑性聚酯，或饱和聚酯。
1.3.2PET塑料结构
PET塑料分子结构高度对称，具有一定的结晶取向能力，故具有较高的成膜性和成性。
PET塑料具有很好的光学性能和耐候性，非晶态的PET塑料具有良好的光学透明性。
另外PET塑料具有优良的耐磨耗摩擦性和尺寸稳定性及电绝缘性。
PET做成的瓶具有强度大、透明性好、无毒、防渗透、质量轻、生产效率高等特点因而受到了广泛的应用。
PBT与PET分子链结构相似，大部分性质也是一样的，只是分子主链由两个亚甲基变成了四个，所以分子更加柔顺，加工性能更加优良。
PET是乳白色或浅黄色高度结晶性的聚合物，表面平滑而有光泽。
耐蠕变、抗疲劳性、耐摩擦性好，磨耗小而硬度高，具有热塑性塑料中最大的韧性；电绝缘性能好，受温度影响小，但耐电晕性较差。
无毒、耐气候性、抗化学药品稳定性好，吸水率低，耐弱酸和有机溶剂，但不耐热水浸泡，不耐碱。
PET树脂的玻璃化温度较高，结晶速度慢，模塑周期长，成型周期长，成型收缩率大，尺寸稳定性差，结晶化的成型呈脆性，耐热性低等。
通过成核剂以及结晶剂和玻璃纤维增强的改进，PET除了具有PBT的性质外，还有以下的特点：
1、热变形温度和长期使用温度是热塑性通用工程塑料中最高的；
2、因为耐热高，增强PET在250℃的焊锡浴中浸渍10s，几乎不变形也不变色，特别适合制备锡焊的电子、电器零件；
3、弯曲强度200MPa，弹性模量达4000MPa，耐蠕变及疲劳性也很好，表面硬度高，机械性能与热固性塑料相近；
4、由于生产PET所用乙二醇比生产PBT所用丁二醇的价格几乎便宜一半，所以PET树脂和增强PET是工程塑料中价格是最低的，具有很高的性价比。
1.3.3PET塑料的用途
玻璃纤维增强PET适用于电子电气和汽车行业，用于各种线圈骨架、变压器、电视机、录音机零部件和外壳、汽车灯座、灯罩、白热灯座、继电器、硒整流器等。
PET工程塑料目前几个应用领域的耗用比例为：
电器电子26%，汽车22%，机械19%，用具10%，消费品10%，其他为13%。
目前PET工程塑料的总消耗量还不大，仅占PET总量的1.6%。
1.薄膜片材方面：
各类食品、药品、无毒无菌的包装材料；纺织品、精密仪器、电器元件的高档包装材料；录音带、录像带、电影胶片、计算机软盘、金属镀膜及感光胶片等的基材；电气绝缘材料、电容器膜、柔性印刷电路板及薄膜开关等电子领域和机械领域。
2.包装瓶的应用：
其应用已由最初的碳酸气饮料发展到现在的啤酒瓶、食用油瓶、调味品瓶、药品瓶、化妆品瓶等。
3.电子电器：
制造连接器、线圈绕线管、集成电路外壳、电容器外壳、变压器外壳、电视机配件、调谐器、开关、计时器外壳、自动熔断器、电动机托架和继电器等。
4.汽车配件：
如配电盘罩、发火线圈、各种阀门、排气零件、分电器盖、计量仪器罩壳、小型电动机罩壳等，也可利用PET优良的涂装性、表面光泽及刚性，制造汽车的外装零件。
5.机械设备：
制造齿轮、凸轮、泵壳体、皮带轮、电动机框架和钟表零件，也可用作微波烘箱烤盘、各种顶棚、户外广告牌和模型等。
6.PET塑料的成型加工可以注塑、挤出、吹塑、涂覆、粘接、机加工、电镀、电镀、真空镀金属、印刷。
第二章PET再生塑料砂浆的材料和试验方法
2.1实验材料
2.1.1细集料
采用天然河砂，砂子的各项性能见下表2-1，
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