鋼纖維增強(qiáng)廢棄玻璃樹脂混凝土的試驗(yàn)研究

1、鋼纖維增強(qiáng)廢棄玻璃樹脂混凝土的試驗(yàn)研究1周梅,汪振雙遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,遼寧阜新(123000E-mail:zhoumei1108摘 要:在對(duì)阜新粉煤灰進(jìn)行基本性質(zhì)檢測(cè)的基礎(chǔ)上,將廢棄玻璃破碎人工級(jí)配作集料、粉煤灰作填料。采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)方案,利用SPSS技術(shù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并建立強(qiáng)度回歸方程,用MATLAB技術(shù)得到樹脂混凝土的配合比優(yōu)化范圍,并闡述了鋼纖維的增強(qiáng)機(jī)理。 關(guān)鍵詞:廢棄玻璃;鋼纖維;環(huán)氧樹脂;均勻設(shè)計(jì)玻璃行業(yè)產(chǎn)生的大量廢棄玻璃如何有效的在利用,是全球亟待解決的課題。廢棄玻璃作為一種再生原材料,它的再利用可降低能耗和生產(chǎn)成本,節(jié)約資源減少廢棄物的產(chǎn)生和降低環(huán)境污染

2、。國外從上個(gè)世紀(jì)60年代就開始廢棄玻璃的回收和再利用工作。目前國內(nèi)廢棄玻璃的回收,只有大的城市(如上海建立了廢棄玻璃的分揀裝置,大部分城市還沒有建立一個(gè)完整的回收體系。阜新地處遼寧西部,是老工業(yè)基地,有國家大型火力發(fā)電廠、玻璃廠。粉煤灰累計(jì)堆積量21000萬t,占地400hm2;廢棄玻璃堆積量也相當(dāng)可觀。而阜新地區(qū)由于受內(nèi)蒙古沙漠氣候影響,石料相對(duì)缺乏(每4244元/m2,若能依托阜新優(yōu)勢(shì)用廢棄玻璃、粉煤灰來代替天然砂石制備樹脂混凝土,必將對(duì)社會(huì)和環(huán)境帶來更大的益處。本文的研究目的就在于利用當(dāng)?shù)刎S富的固體廢棄物資源,制備出一種新型建筑材料。樹脂混凝土是以合成樹脂為膠凝材料與粉狀填料、集料所組成

3、的多功能復(fù)合材料。在樹脂混凝土中,用作膠結(jié)材料的樹脂組分全部參與固化反應(yīng),與水泥混凝土中總有部分水沒有參與水化反應(yīng)而留下毛細(xì)孔隙不同,樹脂混凝土中沒有水泥混凝土中連通的毛細(xì)孔。因此樹脂混凝土密實(shí)好不會(huì)發(fā)生浸濾現(xiàn)象,所以廢棄玻璃才有可能作為樹脂混凝土的集料。使用廢棄玻璃作樹脂混凝土的集料在美國已商業(yè)應(yīng)用,我國尚沒有進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。本文從回收固體廢棄物角度出發(fā),吸收國外一些較為成功的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)1,擬將廢棄玻璃、粉煤灰代替天然砂石制備樹脂混凝土。鑒于廢棄玻璃骨料表面光滑摩擦咬合力小,摻入鋼纖維改善混凝土界面性能和結(jié)構(gòu).1試驗(yàn)原材料1.1廢棄玻璃廢棄玻璃清洗、干燥、破碎。1.2粉煤灰阜新發(fā)電廠排放的粉

4、煤灰,其化學(xué)成分及基本性質(zhì)指標(biāo)詳見表1、表2;表1 粉煤灰化學(xué)成分組成(%Tab.1 The chemical composition of fly ash (mass percent, %材料種類 SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3 燒失量 粉煤灰 59.80 19.66 0.28 3.03 2.09 1.31 0.521本課題得到遼寧省教育廳高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(05L170的資助。表2 粉煤灰基本性質(zhì)指標(biāo)Tab.2 The basic indexes of fly ash視密度3 /cmg 濕灰松散密度3/mkg質(zhì)量含水率%最佳含水率%0.0045mm篩余量%2.13

5、 1250 30 35 11.81.3環(huán)氧樹脂主劑無錫樹脂廠生產(chǎn)的鳳凰牌環(huán)氧樹脂,型號(hào)為WSR610;固化劑:海燕牌低分子量聚酰胺;1.4鋼纖維波浪形,直徑0.30.6mm,長1015mm。2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2.1利用均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)為了最大限度地回收和利用廢棄玻璃、粉煤灰,充分考慮各影響因素對(duì)混凝土性能的影響,合理安排試驗(yàn),使通過盡量少次試驗(yàn),達(dá)到較好試驗(yàn)效果,本文采用均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)方案。在綜合了國內(nèi)外的研究資料123和我們前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)45上,本研究選取廢棄玻璃(集料、粉煤灰(填料、環(huán)氧樹脂(膠粘劑主劑、固化劑、碳纖維(增強(qiáng)材料五個(gè)影響因素。各影響因素變化范圍為:廢棄玻璃按最大密度曲

6、線公式p=100n D d計(jì)算各級(jí)粒徑的通過率,其中n冪值0.480.72;粉煤灰150g200g;環(huán)氧樹脂95g135g;固化劑55g95g;鋼纖維42g66g。試件尺寸40mm×40 mm×160mm, 因每組三塊試件,拌合量為1870g。5個(gè)因素、8個(gè)水平,因此選用均勻設(shè)計(jì)表nDd及使用表來安排試驗(yàn)方案,詳細(xì)配合比見表3。表3 樹脂混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比Tab.3 Laboratory mixture of resin concrete廢棄玻璃(集料/(g序號(hào) n冪D=5.0(mmD=2.5(mmD=1.25(mmD=0.63(mmD=0.315(mmD=0.16(mm集

7、料總質(zhì)量粉煤灰(g環(huán)氧樹脂(g固化劑(g鋼纖維(g1 0.76 616.4 363.98 213.14 127.6574.06 110.031505.26 195 110 55 4.742 0.72 578.29 351.03 211.36 130.1177.56 123.491471.84 215 115 65 3.163 0.68 557.47 348.01 217.17 134.4083.52 142.851483.42 190 120 75 1.584 0.64 519.53 333.36 211.99 138.0486.85 160.231450.00 210 125 85 0.00

8、5 0.60 510.12 336.63 219.97 147.2595.37 190.131499.47 185 130 50 5.536 0.56 571.63 319.89 214.92 147.9398.37 213.311466.05 205 135 60 3.957 0.52 447.13 311.93 215.29 152.34104.18246.761477.63 180 140 70 2.378 0.48 408.71 293.03 208.11 151.21106.44277.671444.21 200 145 80 0.792.2 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容本文試驗(yàn)主要包括試件抗壓強(qiáng)度

9、、抗折強(qiáng)度、表觀密度的檢測(cè)。試驗(yàn)在遼寧工程技術(shù)大學(xué)建材實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)中各試件成型參數(shù)、數(shù)量、質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件及測(cè)試內(nèi)容,參照普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法(GBJ81-85。3 試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理3.1試驗(yàn)結(jié)果表3通過相關(guān)試驗(yàn)得到的結(jié)果見表4。表4 樹脂混凝土性能指標(biāo)Tab.4 The property indexes of resin concrete序號(hào)表觀密度 (3/cm g 7d 抗壓強(qiáng)度 (MPa7d 抗折強(qiáng)度 (MPa1 2.17 1.16 0.3682 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

10、17.83 6 2.19 47.3 19.87 2.32 43.9 21.3 82.2934.527.13.2利用SPSS 處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用均勻設(shè)計(jì)安排試驗(yàn),試驗(yàn)點(diǎn)在多維空間均勻分布,不具有正交設(shè)計(jì)的“簡單與直觀分析性”,但具有“可控及優(yōu)化的分析性”,所以需要借助計(jì)算機(jī)軟件建立模型。本文是利用SPSS 軟件,以表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本,進(jìn)行2次多項(xiàng)式回歸分析,可得到以強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)的回歸方程,詳見表5。2次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型為: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 統(tǒng)計(jì)軟件中的逐步回歸分析

11、法,經(jīng)處理后由上式數(shù)學(xué)模型可以得到表5所示的回歸方程及表6的回歸參數(shù)。回歸方程的精度檢驗(yàn)采用復(fù)相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則(2R ,即選取2R 接近于1的方程為最優(yōu)方程,并考察相應(yīng)于回歸方程的殘差散點(diǎn)圖來進(jìn)行檢查,當(dāng)散點(diǎn)圖分布無明顯趨勢(shì)時(shí)即認(rèn)為該方程所容變量較為合理可信。表5 強(qiáng)度回歸方程Tab.5 The strength regression equation Y 回 歸 方 程抗壓強(qiáng)度 (MPa y=-708.251+0.006075x1x3+0.005752x1x4+10.354x1x5-0.002178x3x3-1.689x4x4-331.993x5x5抗折強(qiáng)度(MPay=-265.716+0.00

12、4717x1x3+0.005598x1x4+3.351x1x5-0.001616x3x3-0.487x4x4-75.606x5x5注:X1為環(huán)氧樹脂;X2為固化劑;X3為粉煤灰;X4為鋼纖維;X5為廢棄玻璃的n冪值.限于篇幅這里只討論7d抗壓強(qiáng)度的回歸系數(shù)表7。表6 回歸系數(shù)表Table.6 the table of regression coefficientUnstandaedized coefficients StandardizedcoefficientsModelSummaryModelB Std.ErrorBetat Sig.R R Square1 constant -265.71

13、6 470.510 -0.5650.673X13 4.717E-03 0.016 1.4760.2980.815X14 5.598E-030.0350.1700.1580.900X15 3.351 2.767 2.113 1.2110.439X33-1.616E-03 0.005 -0.987 -0.316 0.805X44 -0.487 0.787 -0.685 -0.618 0.647X55-75.606 242.910 -1.162 -0.311 0.8080.9590.9193.3 利用MATLAB優(yōu)化配合比利用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fmincon函數(shù),得出樹脂混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折

14、強(qiáng)度的最優(yōu)配合比,詳見表7。表7 樹脂混凝土的最優(yōu)配合比及強(qiáng)度Tab.7 The optimization mixture rate and strength of resin concrete最 優(yōu) 配 比 組 合優(yōu)化對(duì)象X1X2X3X4X5優(yōu)化結(jié)果 (MPa抗折強(qiáng)度(MPa 110 75 215 5.53 0.48 21.6766抗壓強(qiáng)度(MPa 110 60 215 5.53 0.48 51.22944 試驗(yàn)結(jié)果討論4.1試驗(yàn)結(jié)果從回歸系數(shù)中顯示廢棄玻璃的級(jí)配(X5對(duì)樹脂混凝土強(qiáng)度影響最顯著,其次為碳纖維的摻量(X4,再次為環(huán)氧樹脂與碳纖維的交互(X1X5的影響。4.2 鋼纖維摻量增強(qiáng)機(jī)

15、理分析優(yōu)化結(jié)果顯示當(dāng)鋼維摻量取最大值時(shí),強(qiáng)度最優(yōu)。鋼纖維大多是無序分布在環(huán)氧膠粘劑與集料的界面處,改善了樹脂混凝土界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì),這就可減小固化后的膠粘劑與集料界面上由于分布不均勻而產(chǎn)生的拉應(yīng)力。鋼維的加入約束了骨料的變形,在膠粘劑地作用下,使骨料處于三向受壓狀態(tài),增加了骨料的強(qiáng)度。鋼纖維的彈性模量比樹脂混凝土要高的多,在等拉應(yīng)變的情況下,鋼纖維對(duì)樹脂混凝土有“邊壁效應(yīng)”,從而能有效地延緩、阻止裂縫的擴(kuò)展。產(chǎn)生裂縫后,開裂截面的全部荷載加到橫跨裂縫的纖維上,通過纖維與混凝土的粘結(jié),纖維又將荷載傳到未開裂的混凝土基體上,從而使混凝土抗拉強(qiáng)度得以提高。鋼纖維的加入明顯改善了混凝土的抗折強(qiáng)度,但對(duì)抗

16、壓強(qiáng)度影響不顯著。同時(shí)由于鋼纖維的加入,明顯改善了樹脂混凝土的韌性。在抗折實(shí)驗(yàn)中,大量的鋼纖維是在斷裂面拔出,而沒有被拉斷,說明鋼纖維的強(qiáng)度還沒有完全得到應(yīng)用,這主要是鋼纖維與基體的粘接性能差。因此想提高鋼纖維的增強(qiáng)效果,必須進(jìn)一步改善界面性能,提高纖維和基體的粘結(jié)力。5 結(jié)論室內(nèi)研究結(jié)果表明,廢棄玻璃摻量占77.23%、粉煤灰摻量占11.5%,即二者摻量占88.73%,可制得7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到51.23MPa、抗折強(qiáng)度達(dá)到21.68MPa的樹脂混凝土。依托阜新固體廢棄物資源,回收廢棄玻璃,節(jié)約資源,保護(hù)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)建材工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),促進(jìn)我國建材工業(yè)快速健康發(fā)展。鋼纖維的加入并沒有改善樹脂

17、混凝土的抗壓強(qiáng)度,但提高了混凝土的抗折強(qiáng)度,韌性和抗疲勞特性。參考文獻(xiàn)1鐘世云,袁華.聚合物在混凝土中的應(yīng)用M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003. 8172王福元,吳正嚴(yán).粉煤灰利用手冊(cè)M.北京:中國電力出版社,2004. 2642833王培銘,王新友.綠色建材的研究與應(yīng)用M.北京:中國建材出版社,2004. 2182254周梅,紀(jì)成君.大摻量粉煤灰免振搗混凝土的試驗(yàn)研究J .煤炭學(xué)報(bào),2004,30(24184225Ohama Y. Recent Progress in Concrete-Polymer Composites. Advn Bas Mat.1997,5(1:31406 Solov

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