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,并阐述了碳纤维的增强机理。
关键词：废弃玻璃，碳纤维，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。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42～44 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，掺入碳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煤灰，其化学成分及基本性质指标详见表1、表2；
1.3 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 碳纤维：本试验选择的碳纤维，长度10～15mm，其他性质详见表3。
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[1][2][3]和我们前期试验的基础[4][5]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=100
计算各级粒径的通过率，其中n 幂值0.48～0.72；粉煤灰150g～200g；环氧树脂95g～135g；固化剂55g～95g；钢纤维42g～66g。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
及使用表来安排试验方案，详细配合比见表4。
2.2 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）。
3. 试验结果和试验数据处理
3.1 试验结果
表4 通过相关试验得到的结果见表5。
3.2 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：
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（ R2 ），即选取R2 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。
3.3 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。
4 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 碳纤维掺量增强机理分析
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，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。碳纤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。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“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。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。在抗折实验中，大量的碳纤维是在断裂面拔出，而没有被拉断，说明碳纤维的强度还没有完全得到应用，这主要是碳纤维与基体的粘接性能差。因此想提高碳纤维的增强效果，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。碳纤维的加入并没有改善树脂混凝土的抗压强度，但提高了混凝土的抗
折强度，韧性和抗疲劳特性。
参考文献
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