Modified expanded polystyrene as partial substitute for lightweight concrete aggregates
本研究优化了发泡聚苯乙烯（EPS）的热处理工艺以制备改性发泡聚苯乙烯（MEPS），并发现虽然用MEPS替代粗骨料会显著降低混凝土抗压强度，但用高达40%的MEPS替代细骨料能有效降低密度，且对强度的影响在统计学上并不显著。
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混凝土是地球上应用最广泛的建筑材料，它构成了我们城市的骨架和家园的基石。它因其承重能力强和耐火性好而备受青睐，但它有一个显著的缺点：非常沉重。这种重量使得运输变得困难，并限制了它在需要更轻质材料的某些结构中的使用。为了解决这个问题，工程师们长期以来一直寻求创造“轻质混凝土”的方法，即一种既能保持传统混凝土强度，重量又显著减轻的材料。实现这一目标的一种极具前景的方法是用一些更轻的东西（例如膨胀聚苯乙烯）来替换混合物中沉重的石块和沙子。这就是我们熟悉的、用于包装和一次性杯子的泡沫状塑料。然而，原始的聚苯乙烯太软且太滑，不适合在混凝土中良好工作；它往往会漂浮到顶部，并且无法与水泥粘合。研究人员发现，加热这种塑料会改变其结构，使其变得更硬，更适合建筑使用，但这种转变的具体条件一直尚不明确。
菲律宾达沃天主教大学的一组研究人员致力于完善这一过程，并准确了解如何最好地将这种改良后的塑料用于混凝土中。他们的工作始于解决一个简单但被忽视的问题：加热塑料的尺寸是否重要？以往的研究通常对所有尺寸的塑料使用统一的加热时间，假设小块和大的块状物反应方式相同。研究人员怀疑这是不对的，理由是较大的块状物热量传导至中心需要更长的时间。为了测试这一点，他们采用了两种形式的聚苯乙烯：大立方体和各种尺寸的破碎碎片。他们将这些样本放入一个温度恒定为130摄氏度的烤箱中，并加热不同的时长，范围从5分钟到25分钟不等。通过测量塑料冷却后收缩的程度以及变得多强壮，他们发现最佳加热时间确实与零件的大小有关。他们发现，对于较小的颗粒，较短的时间就足够了，而较大的块状物则需要更长的暴露时间才能达到相同的硬度和密度。这种关系使他们能够根据任何尺寸的聚苯乙烯制定特定的加热计划，以获得最佳效果。
在优化了加热过程之后，团队进入了下一个阶段：将这种改良后的塑料混合到实际的混凝土中。他们使用水泥、沙子和碎石制作了一个标准的混凝土配方，然后用经过热处理的塑料替换了部分沙子和碎石。他们测试了广泛的替代比例，分别或结合起来替换了百分之十到百分之四十的沙子和碎石。目标是观察在混凝土变得过于脆弱而无法使用之前，可以添加多少塑料。结果显示，替换沙子与替换碎石之间存在明显差异。当研究人员替换沙子（由较小颗粒组成）时，混凝土变得明显轻盈，但其承受压碎压力的能力却保持得惊人地稳定。即使在高度替换的情况下，强度也没有大幅下降。然而，当他们用塑料替换较大的碎石时，混凝土的强度急剧下降。较大的塑料块根本无法支撑原本由重石承担的负荷。
研究人员还利用高倍显微镜观察了混凝土，以理解这些变化发生的原因。他们观察到，经过热处理的塑料颗粒内部充满了微小的孔洞，使其具有多孔性。正是这种多孔性使得混凝土变得更轻，因为塑料在固体混合物中引入了气孔。分析证实，塑料与水泥浆体的结合相当良好，但由于塑料本身相对于天然石材的固有弱点，意味着它本身无法承载重负荷。研究得出结论，虽然这种改良后的塑料是制造轻质混凝土的极佳候选材料，但它最适合用于替换较小的沙粒而非较大的碎石。这种方法允许建筑商在不牺牲支撑结构所需强度的前提下，减轻结构的重量。研究结果表明，通过根据塑料颗粒的大小仔细控制加热过程，可以创造出一种耐用的轻质建筑材料，有助于解决塑料废弃物和建筑材料过重这两个问题。
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