徐梅洪 吴爱军 张龙 褚福延 南纬

(西南科技大学环境与资源学院，固体废物处理与资源化教育部重点实验室 四川绵阳 621010)

0 引言

聚苯乙烯泡沫塑料(Expanded Polystyrene，EPS)是一种在聚苯乙烯树脂加热时加入发泡剂，冷却后形成的硬质闭孔结构的轻型高分子聚合物，具有轻质、隔声、防震、耐碱等优良特性。与人工陶粒等无机轻集料相比，在生产能耗方面，EPS耗能更低，因此广泛应用于仪器仪表、快餐食品的包装等，且均为一次性使用。由于废弃的EPS具有稳定的化学性质，在自然界中很难自行降解，从而产生严重的环境污染。

20世纪，国内外开始通过填埋、熔融等方法对废弃的EPS进行回收处理[1-3]，随后开始利用其轻质、隔声、抗冲击性等特点，用其做骨料制备轻质混凝土，并进行了如下的研究：陈兵等[4]、孟宏睿等[5]、冉雪美[6]对外加剂对EPS混凝土力学性能的影响进行了研究，研究表明，微硅粉和氯丁乳胶能改善EPS颗粒与水泥浆的粘接性能，钢纤维能改善干缩性能，聚丙烯纤维能提高其抗压强度和劈裂抗压强度；黄兴元等[7]、吕柏灿[8]通过造粒工艺对废弃塑料进行了处理，提出了新的造粒设备与工艺；周可可等[9]、NOGUEIRA C L等[10]用超声检测及数值模拟的方法测试了EPS混凝土的受压破坏过程，研究表明，超声检测的方法在一定程度上反映出EPS混凝土的内部裂缝开展过程；胡俊等[11]、张恩[12]对EPS颗粒排列方式、形状、粒子尺寸效应等对EPS混凝土力学性能的影响进行了研究，并建立了较低密度的EPS混凝土应力-应变模型；任建伟[13]、胡俊等[14]、罗玉财等[15]对EPS混凝土的动态力学性能进行了研究，研究表明EPS混凝土在冲击荷载作用下，随着EPS含量增加，材料的失效类型从准脆性到延性和挤压流动破坏阶段过渡；宋守波[16]、刘嫄春[17]、方黄磊等[18]对EPS颗粒掺量、水灰比等对EPS混凝土力学性能影响进行了分析，并对破坏特性进行了分析，研究表明：水灰比小于0.66时，抗压强度与水灰比成正比；超过0.66时，成反比，受压破坏非线性特征明显，属延性破坏。

国内外学者主要通过外加剂及造粒工艺等方式对EPS混凝土的力学性能进行了研究，较少从提高骨料强度的角度进行研究。基于此，本文采用高温对环境中废弃的EPS进行处理，而后定量分析高温对其影响机制，并将其作为轻质骨料制作成混凝土试块后进行力学性能的测试，分析其力学性质变化规律。本文结论将为EPS的回收及EPS混凝土的研究提供一些参考与借鉴。

1 实验准备

1.1 高温处理1.1.1 高温处理过程

选取废弃的EPS，将其破碎成长宽高为50 mm×50 mm×22 mm、70 mm×50 mm×22 mm两种大小的块体，以及平均粒径为1、2、3、4 mm的EPS颗粒；设置电热恒温干燥箱的温度，使其从50 ℃开始往上升，每10 ℃为一个间隔，当出现差异时，5 ℃为一个间隔进行设置，每个温度点停留10 min；将不同尺寸大小的EPS样品放入电热恒温干燥箱进行高温处理；高温处理结束后取出样品，冷却至恒温，对不同温度条件下EPS样品的体积、强度、微观形貌等进行测试、分析。

1.1.2 高温处理结果

高温处理后，对样品的质量、尺寸等进行测量，经过计算，其结果如图1所示，其中样品1长宽高为50 mm×50 mm×22 mm，样品2为70 mm×50 mm×22 mm。

(a)密度

从图1(a)中可以发现：50～90 ℃区间，被测试样品的密度几乎没有变化；而从90 ℃的改性温度开始，EPS材料密度随着改性温度的升高而逐渐增大，改性温度在90～120 ℃，EPS密度变化率较平缓，而在120～130 ℃的改性温度区间，EPS材料的密度增加幅度最为显著，从120 ℃时的100 kg/m3提高到130 ℃的300 kg/m3，增加了2倍，相当于每1 ℃升高20 kg/m3。而改性温度120 ℃对应的EPS材料密度相当于改性温度100 ℃时的4倍。但是增加速率相对于120～130 ℃的改性温度区间较低，每1 ℃升高3.75 kg/m3。

从图1(b)中可以发现：50～90 ℃的改性温度区间，样品的体积几乎无变化；而在90～130 ℃的改性温度区间，样品的体积收缩率随着温度的升高逐渐增加。在此段温度区间内，分成90～110 ℃和110～130 ℃两段来描述，前者温度升高1 ℃，体积收缩率变化3%；后者温度升高1 ℃，体积收缩率变化1.5%。显然，EPS样品的体积收缩率在90～110 ℃的改性温度区间内变化较大，而从110 ℃以后，随着温度的升高，体积收缩率变化趋缓。

从图1(c)可以发现：EPS块体的强度随着改性温度的升高而增大。在100～110 ℃与110～120 ℃两个温度区间，温度升高1 ℃强度变化0.014 MPa和0.15 MPa，显然随着改性温度的提高，特别是在110 ℃之后，EPS材料密度与强度显著提高，115 ℃和120 ℃改性温度下处理后的EPS材料强度分别是110 ℃的5倍和7倍左右。从这里可以得到，对于EPS材料高温改性的温度应高于110 ℃。

1.2 EPS轻质骨料微观形貌分析

实验选择常温下粒径为1、2、3、4 mm的EPS颗粒，对不同粒径大小的EPS颗粒进行高温处理。选取相同条件下不同温度的EPS颗粒样品进行微观形貌测试。对样品进行喷金处理，再用SEM对样品进行测试，结果如图2所示，放大倍数均为1 000。

(a)常温 (b)100 ℃

从图中可以发现，随着温度的升高，EPS材料孔径呈减小趋势。对比图2(a)、2(b)可以发现，EPS材料孔径在常温下如花簇开放，形成薄膜状的细胞壁结构，通过测量得到其薄壁厚度<1 μm，孔径达到60～120 μm。而在100 ℃条件下孔径有所收缩，表面出现塌缩、粘结现象。

其次，学生管理者的引导教育作用。学生管理者对学生的要求和引导是培养学生基本素质的关键，如果学生管理者每一项工作都对学生要求严格，精益求精，会对学生产生潜移默化的影响，让学生在耳濡目染中形成工匠精神。

从图2(c)可以发现，EPS材料孔径在100～110 ℃的改性温度区间的变化尤其明显，表面薄膜状微孔开始出现熔融并沿着表面呈现流动态，最后降温后收缩成不规则的网格状结构。

从图2(d)可以发现120 ℃条件下EPS材料块体的表面收缩成规则网孔，显得比较致密，而这种蜂窝状结构的力学性能明显强于薄壁孔结构，孔壁厚度大约3～4 μm，微孔大小由原来的60～120 μm，缩减到10～30 μm左右。用手挤压材料，明显感觉硬度增强，从图1(c)的曲线也可以看出。

2 EPS轻质骨料混凝土力学性能实验研究

将改性温度为100、110、120 ℃，粒径为1、2、3、4 mm的EPS颗粒与水泥浆混合搅拌、浇筑成型，制备EPS混凝土试块。实验采用直径为50 mm，高度为100 mm的圆柱体PVC管作为模具，为确保实验结果的准确性，每组制作3个相同的试块。

2.1 性能测试

(1)端面处理。为了减小端面效应，在对试块进行抗压强度测试前需要对其两端进行端面处理，提高其平整度。试块进行端面处理后，晾干至恒重，用电子秤和游标卡尺对其质量、尺寸进行测量，计算密度、面积，记录数据。

(2)力学性能测试。将待测试的EPS混凝土试块放置在试验机的承压板的正中心，使试块的承压面与成型面成垂直状态，开动试验机，输入计算好的试块的受压面积及测试数量等数据，当上压板与所测试块接近时，调整仪器的位移速率，设置为2 mm/min，进行测试。

2.2 实验结果与分析2.2.1 EPS混凝土试块弹性模量分析

对不同条件下混凝土试块应力应变曲线的弹性阶段进行线性拟合，经过计算可得到其在单轴压缩下的弹性模量，如图3所示。

图3 EPS混凝土试块弹性模量

从图中可以看出，对同一种粒径的EPS混凝土，随着温度的升高，EPS材料的强度逐渐提高，因此其弹性模量表现出随着温度的升高而增加的趋势，除1 mm粒径情况下之外，其它粒径条件下的弹性模量差异较明显。对于同一改性温度条件下的EPS混凝土，其弹性模量随着粒径的增加而减小，当粒径大于1 mm时，其弹性模量随着温度的变化差异较小。此外，用改性温度为120 ℃下的EPS做骨料所制备的混凝土的弹性模量在1 500 MPa左右，这种低弹性模量使得其在防护结构方面有较好的应用，也可以使地震波在构件内传递速度减缓，表现出优良的减震效果[19]。

2.2.2 力学性能影响分析

图4为用不同粒径、不同温度改性条件下的EPS做骨料，所制备的混凝土试块的力学性能测试结果，图4(a)为抗压强度随着温度的变化曲线。以常温组为对比组，得到图4(b)所示的抗压强度随着温度的变化率曲线。

从图4(a)中可以发现：对于同一种粒径的EPS混凝土的抗压强度，随着改性温度的升高而逐渐增大。由于EPS是多孔性物质，其粒径大小和级配对EPS轻质混凝土孔结构起到了决定性的作用[20]，因此对于同一种改性温度下的EPS混凝土，其抗压强度随着粒径的增大而显著降低，表现出明显的尺寸效应，如120 ℃下，粒径1、2、3 mm的抗压强度差距较小，而4 mm粒径比1 mm粒径的抗压强度低40%左右。结合图4(b)定量分析可以发现：对于粒径1 mm的EPS颗粒，试块的强度从常温的7.6 MPa升高到120 ℃的20.34 MPa,提高167.63%；：对于粒径2 mm的EPS颗粒，试块的强度从5.82 MPa升高到19.64 MPa，提高237.46%;对于粒径3 mm的EPS颗粒，试块的强度从5.24 MPa升高到18.27 MPa,提高248.66%，提高幅度最大，约2.5倍；粒径4 mm条件下，试块的强度从5.21 MPa升高到12.17 MPa，提高133.59%，这主要是尺寸效应的影响作用，使其增幅减小。

(a)温度-抗压强度变化曲线

究其原因，一方面EPS是多孔性物质，另一方面EPS具有亲油疏水性，导致其与水泥浆粘接力较弱。经过高温处理后，EPS颗粒逐渐收缩，密度增大，抗压强度提高数倍，并且每个微孔单元热缩成高强度圆孔的网格状结构(120 ℃及以上改性温度)，显著改善了作为轻质骨料引起的孔洞缺陷，使混凝土的整体强度显著增加。

3 结论

(1)对废弃EPS进行高温处理，在50～90 ℃区间，其密度、强度无变化，在90～110 ℃区间，材料的密度、强度略有增加，115 ℃和120 ℃条件下，EPS的强度较110 ℃提高5倍和7倍左右。

(2)对不同温度条件下EPS的微观形貌进行测试发现，随着温度的不断提高，EPS材料表面的薄膜状微孔不断熔融，由原来孔壁厚<1 μm、孔径60～120 μm的大孔，热缩为120 ℃条件下的，孔壁厚3～4 μm、孔径为10～30 μm的小孔。

(3)对EPS混凝土试块的抗压强度进行测试、计算发现，随着高温改性温度的提高，其混凝土的弹性模量逐渐提高，到120 ℃时，其弹性模量为1 500 MPa左右，可用于防护结构。此外，用粒径3 mm的EPS颗粒做骨料所制备的混凝土试块，其强度从常温的5.24 MPa升高到120 ℃条件下的18.27 MPa，提升幅度最大，约2.5倍。