摘要：在對阜新粉煤灰進(jìn)行基本性質(zhì)檢測的基礎(chǔ)上，將廢棄玻璃破碎人工級配作集料、粉煤灰作填料。采用均勻試驗設(shè)計安排試驗方案，利用SPSS 技術(shù)處理試驗數(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)氧樹脂，均勻設(shè)計
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。國外從上個世紀(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，石料相對缺乏（每42～44 元/m2），若能依托阜新優(yōu)勢用廢棄玻璃、粉煤灰來代替天然砂石制備樹脂混凝土，必將對社會和環(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好不會發(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[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，摻入碳纖維改善混凝土界面性能和結(jié)構(gòu)。
1 試驗原材料
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)詳見表1、表2；
1.3 環(huán)氧樹脂主劑：無錫樹脂廠生產(chǎn)的鳳凰牌環(huán)氧樹脂，型號為WSR610；固化劑：海燕牌低分子量聚酰胺；
1.4 碳纖維：本試驗選擇的碳纖維，長度10～15mm，其他性質(zhì)詳見表3。
2. 試驗方案設(shè)計
2.1 利用均勻設(shè)計安排試驗
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混凝土性能的影響，合理安排試驗，使通過盡量少次試驗，達(dá)到較好試驗效果，本文采用均勻試驗設(shè)計方法安排試驗方案。在綜合了國內(nèi)外的研究資料[1][2][3]和我們前期試驗的基礎(chǔ)[4][5]上，本研究選取廢棄玻璃（集料）、粉煤灰（填料）、環(huán)氧樹脂（膠粘劑主劑）、固化劑、碳纖維（增強(qiáng)材料）五個影響因素。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
計算各級粒徑的通過率，其中n 冪值0.48～0.72；粉煤灰150g～200g；環(huán)氧樹脂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 個因素、8 個水平，因此選用均勻設(shè)計表
及使用表來安排試驗方案，詳細(xì)配合比見表4。
2.2 試驗測試內(nèi)容
本文試驗主要包括試件抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、表觀密度的檢測。試驗在遼寧工程技術(shù)大學(xué)建材實驗室完成。試驗中各試件成型參數(shù)、數(shù)量、質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)條件及測試內(nèi)容，參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》（GBJ81-85）。
3. 試驗結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)處理
3.1 試驗結(jié)果
表4 通過相關(guān)試驗得到的結(jié)果見表5。
3.2 利用SPSS 處理試驗數(shù)據(jù)
采用均勻設(shè)計安排試驗，試驗點在多維空間均勻分布，不具有正交設(shè)計的“簡單與直觀分析性”，但具有“可控及優(yōu)化的分析性”，所以需要借助計算機(jī)軟件建立模型。本文是利用SPSS軟件，以表3 試驗數(shù)據(jù)為樣本，進(jìn)行2 次多項式回歸分析，可得到以強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)的回歸方程，詳見表6。
2 次多項式數(shù)學(xué)模型為：
使用SPSS 統(tǒng)計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)。回歸方程的精度檢驗采用復(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圖來進(jìn)行檢查，當(dāng)散點圖分布無明顯趨勢時即認(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)，得出樹脂混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的最優(yōu)配合比，詳見表8。
4 試驗結(jié)果討論
4.1 試驗結(jié)果
從回歸系數(shù)中顯示廢棄玻璃的級配（X5）對樹脂混凝土強(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 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，強(qiáng)度最優(yōu)。碳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。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脂混凝土要高的多，在等拉應(yīng)變的情況下，碳纖維對樹脂混凝土有“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。碳纖維的加入明顯改善了混凝土的抗折強(qiáng)度，但對抗壓強(qiáng)度影響不顯著。同時由于碳纖維的加入，明顯改善了樹脂混凝土的韌性。在抗折實驗中，大量的碳纖維是在斷裂面拔出，而沒有被拉斷，說明碳纖維的強(qiáng)度還沒有完全得到應(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。碳纖維的加入并沒有改善樹脂混凝土的抗壓強(qiáng)度，但提高了混凝土的抗
折強(qiáng)度，韌性和抗疲勞特性。
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. 8～17
[2] 王福元，吳正嚴(yán).粉煤灰利用手冊[M].北京：中國電力出版社，2004. 264～283
[3] 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. 218～225
[4] 周梅，紀(jì)成君.大摻量粉煤灰免振搗混凝土的試驗研究[J] .煤炭學(xué)報，2004，30（2）418～422
[5] Ohama Y. Recent Progress in Concrete－Polymer Composites. Advn Bas
Mat.1997,5(1):31～40
[6] Solovjov, G k, Trambovetsky V P, Kruger, D. Furan resin polymer
concrete in the Commonwealth of Independent States（CIS）.ACI Materials Journal
（American Concrete Institute）1994,91(2):158～162
