廢玻璃鋼增強多功能砂漿的制備與性能研究

馮艷超 ，趙風清 ，2，李國樹

（1.河北科技大學 化學與制藥工程學院，河北 石家莊 050018；2.河北省固體廢棄物工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050018；3.冀州市冀通機械設(shè)備科技有限公司，河北 冀州 053200）

0 引言

玻璃鋼由于設(shè)計靈活、輕質(zhì)高強、耐腐蝕性好等優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程、建筑與結(jié)構(gòu)、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域，現(xiàn)已發(fā)展成為一種不可替代的功能材料[1]。據(jù)2013年統(tǒng)計，我國玻璃鋼總量已達到410萬t，其中熱固性玻璃鋼273萬t，熱塑性玻璃鋼137萬t[2]。隨著玻璃鋼制品應(yīng)用不斷增長，與此同時產(chǎn)生大量難以回收的廢棄物。目前由于回收成本較高、技術(shù)不成熟，大量廢玻璃鋼被直接填埋或焚燒處理[3]，占用大量土地，增加環(huán)境負擔，嚴重阻礙玻璃鋼產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何實現(xiàn)廢玻璃鋼材料的合理處置，具有重要的社會效益[4]。

目前，廢玻璃鋼的處理方法主要包括物理回收、化學回收、能量回收等[5]。其中，物理回收法對于環(huán)境的影響最小，對設(shè)備、技術(shù)要求不高，極具開發(fā)前景。一些研究學者摻加機械粉粹的廢玻璃鋼作為骨料或填料來增強復(fù)合材料的力學性能[6-7]。王培銘等[8]研究了醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯乳膠粉和丁苯乳液在不同養(yǎng)護條件下對聚乙烯醇纖維砂漿粘結(jié)強度的影響，結(jié)果表明，聚合物能有效提高砂漿的粘結(jié)強度。馮艷超等[9-10]將廢玻璃鋼纖維摻到砂漿中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，纖維可以明顯改善砂漿的粘結(jié)強度。目前，針對廢玻璃鋼應(yīng)用在砂漿中報道較少，仍處于探索階段。

本研究基于不同材料之間的協(xié)同作用，充分發(fā)揮廢玻璃鋼粉體和纖維的優(yōu)勢，制備兼具防水和保溫性能的多功能粘結(jié)砂漿，實現(xiàn)廢玻璃鋼的高值化利用。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，石家莊市鹿泉金隅鼎鑫水泥（集團）有限公司，主要性能指標見表1；砂：中砂，平均粒徑0.20～0.45 mm，細度模數(shù)＜2.5；纖維素醚：羥丙基甲基纖維素醚，河北三鍇深發(fā)科技有限公司；水：自來水；硅灰：比表面積20.1 m2/g，SiO2含量≥90%；醋酸乙烯-乙烯共聚乳液（VAE）：固含量45%，市售；熱固性不飽和聚酯基廢玻璃鋼：冀州市冀通機械設(shè)備科技有限公司，采用機械破碎法將廢玻璃鋼加工成廢玻璃鋼粉體（尺寸≤1 mm）和纖維（尺寸為1～3 mm），廢玻璃鋼、粉碎后的廢玻璃鋼纖維和粉體的照片見圖1，廢玻璃鋼粉體和纖維中有機和無機成分的含量見表2。

圖1 廢玻璃鋼、廢玻璃鋼粉體和廢玻璃鋼纖維的照片

表2 廢玻璃鋼粉體和纖維中有機和無機成分含量

1.2 實驗方法

廢玻璃鋼纖維表面改性：將一定量的VAE乳液倒入燒杯中，再加入制作試件所需的水，隨后將稱好的廢玻璃鋼纖維倒入聚合物溶液中，用玻璃棒攪拌使廢玻璃鋼纖維完全浸泡在溶液中。

廢玻璃鋼纖維分散性處理：將經(jīng)過表面改性的廢玻璃鋼纖維放入超聲波清洗器中（水溫為20℃）震蕩，進行預(yù)分散，加入稱好的纖維素醚，然后加入適量硅灰，超聲分散10 min。

砂漿試件成型與測試：將水泥、砂、廢玻璃鋼粉體干拌均勻，然后和其它物質(zhì)一起倒入攪拌機中攪拌均勻，試驗方法參照JC/T 547—2005《陶瓷墻地磚膠結(jié)劑》。采用人工振搗方式成型40 mm×40 mm×10 mm的水泥砂漿試件。在環(huán)境溫度（23±2）℃、相對濕度（50±5）%條件下養(yǎng)護 27 d后，用適量的高強膠粘劑將拉撥接頭粘結(jié)在瓷磚上，繼續(xù)放置24 h后，使用WDS-10型液晶顯示電子萬能試驗機測試砂漿的拉伸粘結(jié)強度。

抗?jié)B性能測試：砂漿試件的制備及抗?jié)B壓力測試按照JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》進行。

導(dǎo)熱系數(shù)測試：根據(jù)非穩(wěn)態(tài)平板法，用DRM-II型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測試砂漿板的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 響應(yīng)面法實驗設(shè)計與分析

2.1.1 實驗設(shè)計

基于單因素實驗，本研究借助Design-expert 8.0軟件，采用Box-Behnken實驗設(shè)計方法，以灰砂比、VAE乳液摻量、廢玻璃鋼纖維摻量、廢玻璃鋼粉體摻量（均按占水泥質(zhì)量計）為自變量，以砂漿粘結(jié)強度為響應(yīng)值，確立廢玻璃鋼纖維增強砂漿的優(yōu)化模型，因素水平見表3。

表3 因素與水平

2.1.2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

響應(yīng)面實驗設(shè)計及測試結(jié)果見表4，方差分析見表5。

表4 響應(yīng)面實驗設(shè)計和測試結(jié)果

表5 對響應(yīng)值的方差分析

通過Design-expert 8.0軟件擬合得到粘結(jié)強度響應(yīng)值的回歸方程（模型）如下：

X=1.32+0.056A+0.029B+0.012C+6.667×10-3D-0.022AB+1.0×10-2AC+0.060AD+0.015BC+0.050BD-0.015CD-7.0×10-3A2-0.019B2-0.026C2-0.068D2。

由表 5 可見，A、B、AD、BD、D2對粘結(jié)砂漿的影響極顯著（P<0.001），C、AB、B2、C2對粘結(jié)砂漿的影響顯著（P<0.05）；殘差、純誤差都非常小，決定系數(shù)R2=0.9726，信噪比為21.606，表明方程的擬合度和可信度均較高。各因素對粘結(jié)砂漿粘結(jié)強度的影響程度為：灰砂比＞VAE乳液摻量＞廢玻璃鋼纖維摻量＞廢玻璃鋼粉體摻量。

圖2給出了4種因素中兩兩的交互作用情況。其中，等高線的形狀可以看出因素之間交互作用的強弱[11]。

由圖2可以看出，灰砂比和廢玻璃鋼粉體摻量[見圖2（c）]、VAE乳液摻量和廢玻璃鋼粉體摻量[見圖2（e）]以及灰砂比和VAE 乳液摻量[見圖 2（a）]的交互作用顯著。從圖 2（b）、（d）和（f）的等高線可以看出，灰砂比與廢玻璃鋼纖維摻量、VAE乳液摻量與廢玻璃鋼纖維摻量、廢玻璃鋼纖維摻量與廢玻璃鋼粉體摻量相互作用皆沒有顯著影響（P＞0.05）。以上結(jié)果與方差分析的結(jié)果一致。

2.1.3 模型驗證及最優(yōu)工藝條件確定

圖2 獨立變量交互作用對粘結(jié)砂漿影響的響應(yīng)曲面

通過軟件分析，得到粘結(jié)砂漿的最佳工藝條件為：灰砂比0.5、VAE乳液摻量8%、廢玻璃鋼纖維摻量6%、廢玻璃鋼粉體摻量9%。在此工藝條件下，砂漿的粘結(jié)強度預(yù)測值為1.40 MPa。為檢驗響應(yīng)面法所得結(jié)果的可靠性，通過3次平行實驗，粘結(jié)強度平均值為1.38 MPa。實驗值與模型預(yù)測值相差較小。砂漿粘結(jié)強度符合JC/T 547—2005的要求。

2.2 硅灰的作用

為進一步改進砂漿的性能，按上述最優(yōu)配比，在摻加0.2%保水劑羥丙基甲基纖維素醚的基礎(chǔ)上，摻入0～12.5%（按占水泥質(zhì)量計）的硅灰，硅灰摻量對砂漿粘結(jié)強度的影響見表6。

表6 硅灰摻量對砂漿粘結(jié)強度的影響

從表6可以看出，硅灰的摻入可以明顯改善廢玻璃鋼纖維增強砂漿的粘結(jié)性能，硅灰摻量為10.0%時砂漿的粘結(jié)強度最高。摻加硅灰有3個作用：（1）弱化廢玻璃鋼纖維團聚傾向，提高分散性；（2）硅灰中的活性二氧化硅與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣作用，生成水化硅酸鈣，提高粘結(jié)性能；（3）硅灰超細粉微粒（0.1 μm 左右），比水泥的細度（10.4 μm 左右）小，具有良好的填充效應(yīng)，有助于提高砂漿的密實度和強度。

2.3 砂漿保溫性能和防水性能評價

按灰砂比為0.5、VAE乳液摻量8%、廢玻璃鋼纖維摻量6%、廢玻璃鋼粉體摻量9%、纖維素醚摻量0.2%，硅灰摻量10.0%的配比制備廢玻璃鋼增強粘結(jié)砂漿，對粘結(jié)砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)、抗?jié)B壓力進行測試，并與普通砂漿（灰砂比為0.5、VAE乳液摻量8%，未摻其它材料）進行對比研究，結(jié)果見表7。

表7 粘結(jié)砂漿與普通砂漿導(dǎo)熱系數(shù)、抗?jié)B壓力的對比

從表7可以看出，廢玻璃鋼增強粘結(jié)砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于普通砂漿，具有更好的保溫性能。主要原因是玻璃鋼材料本身導(dǎo)熱系數(shù)較低，從而提高了產(chǎn)品的保溫性能。JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂漿》規(guī)定：砂漿養(yǎng)護7 d的抗?jié)B壓力≥0.8 MPa，28 d的抗?jié)B壓力≥1.5 MPa。從表7可以看出，廢玻璃鋼增強砂漿的抗?jié)B壓力明顯優(yōu)于普通砂漿，且符合JC/T 984—2011要求。這是由于廢玻璃鋼纖維、粉體和硅灰的存在，填充了砂漿中的空隙，加之與聚合物協(xié)同作用，透水通道被堵塞和覆蓋，滲水阻力增大，提高了砂漿的防水性能。

3 結(jié)論

利用機械破碎法將廢玻璃鋼加工成再生廢玻璃鋼粉體和纖維，利用兩者的優(yōu)勢和其他材料的協(xié)同作用，制備了具防水和保溫性能的多功能粘接砂漿，實現(xiàn)了廢玻璃鋼高值化利用。

（1）基于Box-Behnken設(shè)計及響應(yīng)面分析，得到粘結(jié)砂漿的優(yōu)化配比：灰砂比為0.5、VAE乳液摻量8%、廢玻璃鋼纖維摻量6%、廢玻璃鋼粉體摻量9%，制備的砂漿粘結(jié)強度符合JC/T 547—2005要求。

（2）與普通砂漿相比，廢玻璃鋼增強粘結(jié)砂漿具有更好的保溫性能。主要原因是玻璃鋼材料本身導(dǎo)熱系數(shù)較低，從而提高了產(chǎn)品的保溫性能。

（3）廢玻璃鋼增強砂漿的抗?jié)B壓力明顯優(yōu)于普通砂漿，符合JC/T 984—2011要求。原因在于廢玻璃鋼纖維、粉體和硅灰的存在，填充了砂漿中的空隙，加之與聚合物協(xié)同作用，提高了砂漿的防水性能。

（4）硅灰的使用既可以消除廢玻璃鋼纖維增強砂漿混合過程中的團聚現(xiàn)象，改善纖維在砂漿中的分散性，又可以與水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣反應(yīng)，生成水化硅酸鈣。微細硅灰還可以填充砂漿中的空隙，進而提高力學性能。