废弃玻璃在制备树脂混凝土中的试验研究

1、 废弃玻璃在制备树脂混凝土中的试验研究汪振双,周梅辽宁工程技术大学土木与建筑工程学院,阜新(123000摘要:用废弃玻璃破碎人工级配作集料、粉煤灰作填料、碳纤维作增强材料成功配制出7d抗压强度达到51.23MPa、抗折强度达到21.68MPa的树脂混凝土。采用均匀试验设计安排试验方案,利用SPSS技术处理试验数据并建立强度回归方程,并用MATLAB技术得到树脂混凝土的配合比优化范围。研究成果对废弃玻璃的治理有重要的现实意义。关键词:废弃玻璃;粉煤灰;环氧树脂;均匀设计玻璃行业产生的大量废弃玻璃如何有效的在利用,是全球亟待解决的课题。废弃玻璃作为一种再生原材料,它的再利用可降低能耗和生产成本,节

2、约资源减少废弃物的产生和降低环境污染。国外从上个世纪60年代就开始废弃玻璃的回收和再利用工作。目前国内废弃玻璃的回收,只有大的城市(如上海建立了废弃玻璃的分拣装置,大部分城市还没有建立一个完整的回收体系。阜新地处辽宁西部,是老工业基地,有国家大型火力发电厂、玻璃厂。粉煤灰累计堆积量21000万t,占地400hm2;废弃玻璃堆积量也相当可观。而阜新地区由于受内蒙古沙漠气候影响,石料相对缺乏(每4244元/m2,若能依托阜新优势用废弃玻璃、粉煤灰来代替天然砂石制备树脂混凝土,必将对社会和环境带来更大的益处。本文的研究目的就在于利用当地丰富的固体废弃物资源,制备出一种新型建筑材料。树脂混凝土是以合成

3、树脂为胶凝材料与粉状填料、集料所组成的多功能复合材料。在树脂混凝土中,用作胶结材料的树脂组分全部参与固化反应,与水泥混凝土中总有部分水没有参与水化反应而留下毛细孔隙不同,树脂混凝土中没有水泥混凝土中连通的毛细孔。因此树脂混凝土密实好不会发生浸滤现象,所以废弃玻璃才有可能作为树脂混凝土的集料。使用废弃玻璃作树脂混凝土的集料在美国已商业应用,我国尚没有进行系统开发。本文从回收固体废弃物角度出发,吸收国外一些较为成功的工程应用经验1,拟将废弃玻璃、粉煤灰代替天然砂石制备树脂混凝土。通过试验,对不同配合比制备的树脂混凝土的力学性质进行了研究和分析,得出制备树脂混凝土的最佳配合比范围,并建立了混凝土强度

4、回归方程。1.试验设计1.1均匀设计安排试验方案为了最大限度地回收和利用废弃玻璃、粉煤灰,充分考虑各影响因素对混凝土性能的影响,合理安排试验,使通过尽量少次试验,达到较好试验效果,本文采用均匀试验设计方法安排试验方案。在综合了国内外的研究资料123和我们前期试验的基础45上,本研究选取废弃玻璃(集料、粉煤灰(填料、环氧树脂(胶粘剂主剂、固化剂、碳纤维(增强材料五个影响因素。各影响因素变化范围为:废弃玻璃按最大密度曲线公式p=100n D d计算各级粒径的通过率,其中n幂值0.480.72;粉煤灰150g200g;环氧树脂95g 135g;固化剂55g95g;钢纤维42g66g。试件尺寸40mm

5、×40 mm×160mm,因每组三块试件,拌合量为1870g。5个因素、8个水平,因此选用均匀设计表nDd及使用表来安排试 验方案,详细配合比见表1。表1 树脂混凝土实验室配合比 Tab.1 Laboratory mixture of resin concrete废弃玻璃(集料/(g 序 号n 幂D=5.0(mmD=2.5 (mmD=1.25 (mmD=0.63 (mmD=0.315(mmD=0.16 (mm集料 总质量粉 煤 灰 (g环 氧 树 脂 (g固 化 剂 (g 碳 纤 维 (g1 0.76 616.4 363.98 213.14 127.65 74.06 110

6、.03 1505.26 195 110 55 4.742 0.72 578.29 351.03 211.36 130.11 77.56 123.49 1471.84 215 115 65 3.16 3 0.68 557.47 348.01 217.17 134.40 83.52 142.85 1483.42 190 120 75 1.58 4 0.64 519.53 333.36 211.99 138.04 86.85 160.23 1450.00 210 125 85 0.00 5 0.60 510.12 336.63 219.97 147.25 95.37 190.13 1499.47 1

7、85 130 50 5.53 6 0.56 571.63 319.89 214.92 147.93 98.37 213.31 1466.05 205 135 60 3.95 7 0.52 447.13 311.93 215.29 152.34 104.18 246.76 1477.63 180 140 70 2.37 8 0.48 408.71 293.03 208.11 151.21 106.44 277.67 1444.21 200 145 80 0.791.2试验材料废弃玻璃:废弃玻璃清洗、干燥、破碎及按上表级配。粉煤灰:阜新发电厂排放的粉煤灰,其化学成分及基本性质指标详见表2、表3;表

8、2 粉煤灰化学成分组成(%Tab.2 The chemical composition of fly ash (mass percent, %材料种类 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 烧失量 粉煤灰 59.80 19.66 0.28 3.03 2.09 1.31 0.52表3粉煤灰基本性质指标Tab.3 The basic indexes of fly ash视密度3/cm g 湿灰松散密度3/m kg质量含水率 %最佳含水率 %0.0045mm 筛余量%2.13 1250 30 35 11.8环氧树脂主剂:无锡树脂厂生产的凤凰牌环氧树脂,型号为WSR610;固化剂:

9、海燕牌低分子量聚酰胺;碳纤维:本试验选择的碳纤维,长度1015mm ,其他性质详见表4。表4 碳纤维的性能指标Tab.4 The performance indexes of carbon fiber碳纤维种类纤维直径弹性模量密度拉伸强度伸长率沥青类(PN 7µm780GPa 1.813/cm g5470MPa 2.3% 1.3试验测试内容本文试验主要包括试件抗压强度、抗折强度、表观密度的检测。试验在辽宁工程技术大学建材实验室完成。试验中各试件成型参数、数量、质量、养护条件及测试内容,参照普通混凝土力学性能试验方法(GBJ81-85。2. 试验结果和数据处理2.1试验结果表1通过相关

10、试验得到的结果见表5。表5 树脂混凝土性能指标Tab.5 The property indexes of resin concrete序号表观密度 (3/cm g 7d 抗压强度 (MPa7d 抗折强度 (MPa1 2.17 1.160.368 2 2.13 34.5 13.76 3 2.11 53.7 23.94 4 2.25 43.6 21.88 5 2.21 45.1 17.83 6 2.19 47.3 19.8 7 2.32 43.9 21.3 8 2.2934.527.12.2利用SPSS 处理试验数据采用均匀设计安排试验,试验点在多维空间均匀分布,不具有正交设计的“简单与直观分析性

11、”,但具有“可控及优化的分析性”,所以需要借助计算机软件建立模型。本文是利用SPSS 软件,以表3试验数据为样本,进行2次多项式回归分析,可得到以强度为目标函数的回归方程,详见表6。2次多项式数学模型为:10,5,2,1212110=+=m mi iii Ti k i ik i mi i C T i k i x b x x b x b b y使用SPSS 统计软件中的逐步回归分析法,经处理后由上式数学模型可以得到表6所示的回归方程及表7的回归参数。回归方程的精度检验采用复相关系数准则(2R ,即选取2R 接近于1的方程为最优方程,并考察相应于回归方程的残差散点图来进行检查,当散点图分布无明显趋

12、势时即认为该方程所容变量较为合理可信。 表6 强度回归方程Tab.6 The strength regression equationY 回 归 方 程抗压强度 (MPa y=-708.251+0.006075x 1x 3+0.005752x 1x 4+10.354x 1x 5-0.002178x 3x 3-1.689x 4x 4-331.993x 5x 5 抗折强度 (MPay=-265.716+0.004717x 1x 3+0.005598x 1x 4+3.351x 1x 5-0.001616x 3x 3-0.487x 4x 4-75.606x 5x 5注:X 1为环氧树脂;X 2为固化剂

13、;X 3为粉煤灰;X 4为碳纤维;X 5为废弃玻璃的n 幂值.限于篇幅这里只讨论7d 抗压强度的回归系数表7。表7 回归系数表Table.7 the table of regression coefficientUnstandaedized coefficients StandardizedcoefficientsModel SummaryModelB Std.Error Beta t Sig. R R Square1 constant -265.716 470.510 -0.565 0.673X13 4.717E-03 0.016 1.476 0.298 0.815X14 5.598E-03

14、 0.035 0.170 0.158 0.900 X15 3.351 2.767 2.113 1.211 0.439 X33 -1.616E-03 0.005 -0.987 -0.316 0.805 X44 -0.487 0.787 -0.685 -0.618 0.647 X55 -75.606 242.910 -1.162-0.311 0.8080.9590.9192.3 利用MATLAB 优化配合比利用MATLAB 优化工具箱中的fmincon 函数,得出树脂混凝土抗压强度、抗折强度的最优配合比,详见表8。表8树脂混凝土的最优配合比及强度Tab.8 The optimization mix

15、ture rate and strength of resin concrete 最 优 配 比 组 合优化对象X1 X2 X3 X4 X5 优化结果(MPa 抗折强度(MPa 110 75 215 5.53 0.48 21.6766 抗压强度(MPa110602155.530.4851.22943. 试验结果讨论从回归系数中显示废弃玻璃的级配(X 5对树脂混凝土强度影响最显著,其次为碳纤维的掺量(X 4,再次为环氧树脂与碳纤维的交互(X 1X 5的影响。 3.1 废弃玻璃级配的影响本研究中,废弃玻璃取代天然碎石是作为集料掺入的,其中最优配比集料占了77.23%(n=0.48。n 幂选择了最小

16、值,一方面说明利用废弃玻璃作集料,集料不宜大于总质量的77.23%,集料过多导致胶粘剂用量减少,从而导致树脂混凝土强度的降低;另一方面说明, 细集料占整个集料百分比越大,对强度增长越有利。细的玻璃粉末起到增强胶粘剂粘度的作用,改善了胶粘剂的性能,使固化的混凝土更为密实。集料掺量少,那么胶粘剂掺量就要提高,胶粘剂与集料的胶结面积就加大,树脂混凝土的密实程度提高,导致强度提高。3.2碳纤维掺量的影响优化结果显示当碳纤维掺量取最大值时,强度最优。碳纤维大多是无序分布在环氧胶粘剂与集料的界面处,这就可减小固化后的胶粘剂与集料界面上由于分布不均匀而产生的拉应力。另外,碳纤维的弹性模量比树脂混凝土要高的多,在等拉应变的情况下,碳纤维对树脂混凝土有约束作用,从而能有效地延缓、阻止裂缝的扩展。产生裂缝后,开裂截面的全部荷载加到横跨裂缝的纤维上,通过纤维与混凝土的粘结,纤维又将荷载传到未开裂的混凝土基体上,从而使混凝土抗拉强度得以提高。碳纤维的加入明显改善了混凝土的抗折强度,但对抗压强度影响不显著。同时由于碳纤维的加入,明显改善了树脂混凝土的韧性。3.2环氧树脂掺量与废弃玻璃级配交互的影响最优结果显示环氧树脂取最小值,n幂值取最小值,对应粗集料用量少,相对与粗集料用量来说胶粘剂用量提高。n幂值代表了集料级配情