钢纤维增强废弃玻璃树脂混凝土的试验研究

1、钢纤维增强废弃玻璃树脂混凝土的试验研究1周梅,汪振双辽宁工程技术大学土木建筑工程学院,辽宁阜新(123000E-mail:zhoumei1108摘 要:在对阜新粉煤灰进行基本性质检测的基础上,将废弃玻璃破碎人工级配作集料、粉煤灰作填料。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,用MATLAB技术得到树脂混凝土的配合比优化范围,并阐述了钢纤维的增强机理。 关键词:废弃玻璃;钢纤维;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,节约资源减少废弃物的产生和降低环境污染

2、。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树脂为胶凝材料与粉状填料、集料所组成

3、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。鉴于废弃玻璃骨料表面光滑摩擦咬合力小,掺入钢纤维改善混凝土界面性能和结构.1试验原材料1.1废弃玻璃废弃玻璃清洗、干燥、破碎。1.2粉煤灰阜新发电厂排放的粉

4、煤灰,其化学成分及基本性质指标详见表1、表2;表1 粉煤灰化学成分组成(%Tab.1 The chemical composition of fly ash (mass percent, %材料种类 SiO2Al2O3Fe2O3CaO MgO SO3 烧失量 粉煤灰 59.80 19.66 0.28 3.03 2.09 1.31 0.521本课题得到辽宁省教育厅高等学校科学技术研究项目(05L170的资助。表2 粉煤灰基本性质指标Tab.2 The basic indexes of fly ash视密度3 /cmg 湿灰松散密度3/mkg质量含水率%最佳含水率%0.0045mm筛余量%2.13

5、 1250 30 35 11.81.3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:海燕牌低分子量聚酰胺;1.4钢纤维波浪形,直径0.30.6mm,长1015mm。2试验方案设计2.1利用均匀设计安排试验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

6、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95g135g;固化剂55g95g;钢纤维42g66g。试件尺寸40mm×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3。表3 树脂混凝土实验室配合比Tab.3 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

7、料总质量粉煤灰(g环氧树脂(g固化剂(g钢纤维(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 试验测试内容本文试验主要包括试件抗压强度

9、、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。3 试验结果和试验数据处理3.1试验结果表3通过相关试验得到的结果见表4。表4 树脂混凝土性能指标Tab.4 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 1.16 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 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”,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4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5。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

11、法,经处理后由上式数学模型可以得到表5所示的回归方程及表6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势时即认为该方程所容变量较为合理可信。表5 强度回归方程Tab.5 The strength regression equation Y 回 归 方 程抗压强度 (MPa y=-708.251+0.006075x1x3+0.005752x1x4+10.354x1x5-0.002178x3x3-1.689x4x4-331.993x5x5抗折强度(MPay=-265.716+0.00

12、4717x1x3+0.005598x1x4+3.351x1x5-0.001616x3x3-0.487x4x4-75.606x5x5注:X1为环氧树脂;X2为固化剂;X3为粉煤灰;X4为钢纤维;X5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6 回归系数表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

14、强度的最优配合比,详见表7。表7 树脂混凝土的最优配合比及强度Tab.7 The optimization mixture rate and strength of resin concrete最 优 配 比 组 合优化对象X1X2X3X4X5优化结果 (MPa抗折强度(MPa 110 75 215 5.53 0.48 21.6766抗压强度(MPa 110 60 215 5.53 0.48 51.22944 试验结果讨论4.1试验结果从回归系数中显示废弃玻璃的级配(X5对树脂混凝土强度影响最显著,其次为碳纤维的掺量(X4,再次为环氧树脂与碳纤维的交互(X1X5的影响。4.2 钢纤维掺量增强机

15、理分析优化结果显示当钢维掺量取最大值时,强度最优。钢纤维大多是无序分布在环氧胶粘剂与集料的界面处,改善了树脂混凝土界面结构和性质,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。钢维的加入约束了骨料的变形,在胶粘剂地作用下,使骨料处于三向受压状态,增加了骨料的强度。钢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,钢纤维对树脂混凝土有“边壁效应”,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。钢纤维的加入明显改善了混凝土的抗折强度,但对抗

16、压强度影响不显著。同时由于钢纤维的加入,明显改善了树脂混凝土的韧性。在抗折实验中,大量的钢纤维是在断裂面拔出,而没有被拉断,说明钢纤维的强度还没有完全得到应用,这主要是钢纤维与基体的粘接性能差。因此想提高钢纤维的增强效果,必须进一步改善界面性能,提高纤维和基体的粘结力。5 结论室内研究结果表明,废弃玻璃掺量占77.23%、粉煤灰掺量占11.5%,即二者掺量占88.73%,可制得7d抗压强度达到51.23MPa、抗折强度达到21.68MPa的树脂混凝土。依托阜新固体废弃物资源,回收废弃玻璃,节约资源,保护环境,实现建材工业可持续发展的目标,促进我国建材工业快速健康发展。钢纤维的加入并没有改善树脂

17、混凝土的抗压强度,但提高了混凝土的抗折强度,韧性和抗疲劳特性。参考文献1钟世云,袁华.聚合物在混凝土中的应用M.北京:化学工业出版社,2003. 8172王福元,吴正严.粉煤灰利用手册M.北京:中国电力出版社,2004. 2642833王培铭,王新友.绿色建材的研究与应用M.北京:中国建材出版社,2004. 2182254周梅,纪成君.大掺量粉煤灰免振捣混凝土的试验研究J .煤炭学报,2004,30(24184225Ohama Y. Recent Progress in Concrete-Polymer Composites. Advn Bas Mat.1997,5(1:31406 Solov

18、jov, G k, Trambovetsky V P, Kruger, D. Furan resin polymer concrete in the Commonwealth of Independent States (CIS.ACI Materials Journal(American Concrete Institute1994,91(2:158162 The Experiment research on Waste Glasses resin concrete with Steel Fiber Strengthened Zhou Mei，Wang Zhenshuang College of Civil and Architecture Engineering，