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(shù)脂混凝土的配合比優(yōu)化范圍,并闡述了碳纖維的增強(qiáng)機(jī)理。
關(guān)鍵詞：廢棄玻璃，碳纖維，環(huán)氧樹(shù)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?gòu)U棄物的產(chǎn)生和降低環(huán)境污染。國(guó)外從上個(gè)世紀(jì)60 年代就開(kāi)始廢棄玻璃的回收和再利用工作。目前國(guó)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(méi)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(guó)家大型火力發(fā)電廠、玻璃廠。粉煤灰累計(jì)堆積量21000 萬(wàn)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42～44 元/m2），若能依托阜新優(yōu)勢(shì)用廢棄玻璃、粉煤灰來(lái)代替天然砂石制備樹(shù)脂混凝土，必將對(duì)社會(huì)和環(huán)境帶來(lái)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(shù)脂混凝土是以合成樹(shù)脂為膠凝材料與粉狀填料、集料所組成的多功能復(fù)合材料。在樹(shù)脂混凝土中，用作膠結(jié)材料的樹(shù)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(méi)有參與水化反應(yīng)而留下毛細(xì)孔隙不同，樹(shù)脂混凝土中沒(méi)有水泥混凝土中連通的毛細(xì)孔。因此樹(shù)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(shù)脂混凝土的集料。使用廢棄玻璃作樹(shù)脂混凝土的集料在美國(guó)已商業(yè)應(yīng)用，我國(guó)尚沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。本文從回收固體廢棄物角度出發(fā)，吸收國(guó)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(shù)脂混凝土。鑒于廢棄玻璃骨料表面光滑摩擦咬合力小，摻入碳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)電廠排放的粉煤灰，其化學(xué)成分及基本性質(zhì)指標(biāo)詳見(jiàn)表1、表2；
1.3 環(huán)氧樹(shù)脂主劑：無(wú)錫樹(shù)脂廠生產(chǎn)的鳳凰牌環(huán)氧樹(shù)脂，型號(hào)為WSR610；固化劑：海燕牌低分子量聚酰胺；
1.4 碳纖維：本試驗(yàn)選擇的碳纖維，長(zhǎng)度10～15mm，其他性質(zhì)詳見(jiàn)表3。
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(guò)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(guó)內(nèi)外的研究資料[1][2][3]和我們前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)[4][5]上，本研究選取廢棄玻璃（集料）、粉煤灰（填料）、環(huán)氧樹(shù)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線公式p=100
計(jì)算各級(jí)粒徑的通過(guò)率，其中n 冪值0.48～0.72；粉煤灰150g～200g；環(huán)氧樹(shù)脂95g～135g；固化劑55g～95g；鋼纖維42g～66g。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
及使用表來(lái)安排試驗(yàn)方案，詳細(xì)配合比見(jiàn)表4。
2.2 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、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4 通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)得到的結(jié)果見(jiàn)表5。
3.2 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(jiǎn)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3 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(jiàn)表6。
2 次多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型為：
使用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件中的逐步回歸分析法，經(jīng)處理后由上式數(shù)學(xué)模型可以得到表6 所示的回歸方程及表7 的回歸參數(shù)?；貧w方程的精度檢驗(yàn)采用復(fù)相關(guān)系數(shù)準(zhǔn)則（ R2 ），即選取R2 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(lái)進(jìn)行檢查，當(dāng)散點(diǎn)圖分布無(wú)明顯趨勢(shì)時(shí)即認(rèn)為該方程所容變量較為合理可信。
3.3 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(shù)脂混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的最優(yōu)配合比，詳見(jiàn)表8。
4 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(shù)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(shù)脂與碳纖維的交互（X1X5）的影響。
4.2 碳纖維摻量增強(qiáng)機(jī)理分析
優(yōu)化結(jié)果顯示當(dāng)碳纖維摻量取最大值時(shí)，強(qiáng)度最優(yōu)。碳纖維大多是無(wú)序分布在環(huán)氧膠粘劑與集料的界面處，改善了樹(shù)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。碳纖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。碳纖維的彈性模量比樹(shù)脂混凝土要高的多，在等拉應(yīng)變的情況下，碳纖維對(duì)樹(shù)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(kāi)裂截面的全部荷載加到橫跨裂縫的纖維上，通過(guò)纖維與混凝土的粘結(jié)，纖維又將荷載傳到未開(kāi)裂的混凝土基體上，從而使混凝土抗拉強(qiáng)度得以提高。碳纖維的加入明顯改善了混凝土的抗折強(qiáng)度，但對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不顯著。同時(shí)由于碳纖維的加入，明顯改善了樹(shù)脂混凝土的韌性。在抗折實(shí)驗(yàn)中，大量的碳纖維是在斷裂面拔出，而沒(méi)有被拉斷，說(shuō)明碳纖維的強(qiáng)度還沒(méi)有完全得到應(yīng)用，這主要是碳纖維與基體的粘接性能差。因此想提高碳纖維的增強(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(shù)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(guó)建材工業(yè)快速健康發(fā)展。碳纖維的加入并沒(méi)有改善樹(shù)脂混凝土的抗壓強(qiáng)度，但提高了混凝土的抗
折強(qiáng)度，韌性和抗疲勞特性。
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