废玻璃钢增强多功能砂浆的制备与性能研究

冯艳超 ，赵风清 ，2，李国树

（1.河北科技大学 化学与制药工程学院，河北 石家庄 050018；2.河北省固体废弃物工程技术研究中心，河北 石家庄 050018；3.冀州市冀通机械设备科技有限公司，河北 冀州 053200）

0 引言

玻璃钢由于设计灵活、轻质高强、耐腐蚀性好等优异的性能，被广泛应用于基础工程、建筑与结构、工业设备等领域，现已发展成为一种不可替代的功能材料[1]。据2013年统计，我国玻璃钢总量已达到410万t，其中热固性玻璃钢273万t，热塑性玻璃钢137万t[2]。随着玻璃钢制品应用不断增长，与此同时产生大量难以回收的废弃物。目前由于回收成本较高、技术不成熟，大量废玻璃钢被直接填埋或焚烧处理[3]，占用大量土地，增加环境负担，严重阻碍玻璃钢产业的可持续发展。因此，如何实现废玻璃钢材料的合理处置，具有重要的社会效益[4]。

目前，废玻璃钢的处理方法主要包括物理回收、化学回收、能量回收等[5]。其中，物理回收法对于环境的影响最小，对设备、技术要求不高，极具开发前景。一些研究学者掺加机械粉粹的废玻璃钢作为骨料或填料来增强复合材料的力学性能[6-7]。王培铭等[8]研究了醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯乳胶粉和丁苯乳液在不同养护条件下对聚乙烯醇纤维砂浆粘结强度的影响，结果表明，聚合物能有效提高砂浆的粘结强度。冯艳超等[9-10]将废玻璃钢纤维掺到砂浆中，结果发现，纤维可以明显改善砂浆的粘结强度。目前，针对废玻璃钢应用在砂浆中报道较少，仍处于探索阶段。

本研究基于不同材料之间的协同作用，充分发挥废玻璃钢粉体和纤维的优势，制备兼具防水和保温性能的多功能粘结砂浆，实现废玻璃钢的高值化利用。

1 实验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，石家庄市鹿泉金隅鼎鑫水泥（集团）有限公司，主要性能指标见表1；砂：中砂，平均粒径0.20～0.45 mm，细度模数＜2.5；纤维素醚：羟丙基甲基纤维素醚，河北三锴深发科技有限公司；水：自来水；硅灰：比表面积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；热固性不饱和聚酯基废玻璃钢：冀州市冀通机械设备科技有限公司，采用机械破碎法将废玻璃钢加工成废玻璃钢粉体（尺寸≤1 mm）和纤维（尺寸为1～3 mm），废玻璃钢、粉碎后的废玻璃钢纤维和粉体的照片见图1，废玻璃钢粉体和纤维中有机和无机成分的含量见表2。

图1 废玻璃钢、废玻璃钢粉体和废玻璃钢纤维的照片

表2 废玻璃钢粉体和纤维中有机和无机成分含量

1.2 实验方法

废玻璃钢纤维表面改性：将一定量的VAE乳液倒入烧杯中，再加入制作试件所需的水，随后将称好的废玻璃钢纤维倒入聚合物溶液中，用玻璃棒搅拌使废玻璃钢纤维完全浸泡在溶液中。

废玻璃钢纤维分散性处理：将经过表面改性的废玻璃钢纤维放入超声波清洗器中（水温为20℃）震荡，进行预分散，加入称好的纤维素醚，然后加入适量硅灰，超声分散10 min。

砂浆试件成型与测试：将水泥、砂、废玻璃钢粉体干拌均匀，然后和其它物质一起倒入搅拌机中搅拌均匀，试验方法参照JC/T 547—2005《陶瓷墙地砖胶结剂》。采用人工振捣方式成型40 mm×40 mm×10 mm的水泥砂浆试件。在环境温度（23±2）℃、相对湿度（50±5）%条件下养护 27 d后，用适量的高强胶粘剂将拉拨接头粘结在瓷砖上，继续放置24 h后，使用WDS-10型液晶显示电子万能试验机测试砂浆的拉伸粘结强度。

抗渗性能测试：砂浆试件的制备及抗渗压力测试按照JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂浆》进行。

导热系数测试：根据非稳态平板法，用DRM-II型导热系数测试仪测试砂浆板的导热系数。

2 实验结果及讨论

2.1 响应面法实验设计与分析

2.1.1 实验设计

基于单因素实验，本研究借助Design-expert 8.0软件，采用Box-Behnken实验设计方法，以灰砂比、VAE乳液掺量、废玻璃钢纤维掺量、废玻璃钢粉体掺量（均按占水泥质量计）为自变量，以砂浆粘结强度为响应值，确立废玻璃钢纤维增强砂浆的优化模型，因素水平见表3。

表3 因素与水平

2.1.2 响应面分析方案及结果

响应面实验设计及测试结果见表4，方差分析见表5。

表4 响应面实验设计和测试结果

表5 对响应值的方差分析

通过Design-expert 8.0软件拟合得到粘结强度响应值的回归方程（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 可见，A、B、AD、BD、D2对粘结砂浆的影响极显著（P<0.001），C、AB、B2、C2对粘结砂浆的影响显著（P<0.05）；残差、纯误差都非常小，决定系数R2=0.9726，信噪比为21.606，表明方程的拟合度和可信度均较高。各因素对粘结砂浆粘结强度的影响程度为：灰砂比＞VAE乳液掺量＞废玻璃钢纤维掺量＞废玻璃钢粉体掺量。

图2给出了4种因素中两两的交互作用情况。其中，等高线的形状可以看出因素之间交互作用的强弱[11]。

由图2可以看出，灰砂比和废玻璃钢粉体掺量[见图2（c）]、VAE乳液掺量和废玻璃钢粉体掺量[见图2（e）]以及灰砂比和VAE 乳液掺量[见图 2（a）]的交互作用显著。从图 2（b）、（d）和（f）的等高线可以看出，灰砂比与废玻璃钢纤维掺量、VAE乳液掺量与废玻璃钢纤维掺量、废玻璃钢纤维掺量与废玻璃钢粉体掺量相互作用皆没有显著影响（P＞0.05）。以上结果与方差分析的结果一致。

2.1.3 模型验证及最优工艺条件确定

图2 独立变量交互作用对粘结砂浆影响的响应曲面

通过软件分析，得到粘结砂浆的最佳工艺条件为：灰砂比0.5、VAE乳液掺量8%、废玻璃钢纤维掺量6%、废玻璃钢粉体掺量9%。在此工艺条件下，砂浆的粘结强度预测值为1.40 MPa。为检验响应面法所得结果的可靠性，通过3次平行实验，粘结强度平均值为1.38 MPa。实验值与模型预测值相差较小。砂浆粘结强度符合JC/T 547—2005的要求。

2.2 硅灰的作用

为进一步改进砂浆的性能，按上述最优配比，在掺加0.2%保水剂羟丙基甲基纤维素醚的基础上，掺入0～12.5%（按占水泥质量计）的硅灰，硅灰掺量对砂浆粘结强度的影响见表6。

表6 硅灰掺量对砂浆粘结强度的影响

从表6可以看出，硅灰的掺入可以明显改善废玻璃钢纤维增强砂浆的粘结性能，硅灰掺量为10.0%时砂浆的粘结强度最高。掺加硅灰有3个作用：（1）弱化废玻璃钢纤维团聚倾向，提高分散性；（2）硅灰中的活性二氧化硅与水泥水化产生的氢氧化钙作用，生成水化硅酸钙，提高粘结性能；（3）硅灰超细粉微粒（0.1 μm 左右），比水泥的细度（10.4 μm 左右）小，具有良好的填充效应，有助于提高砂浆的密实度和强度。

2.3 砂浆保温性能和防水性能评价

按灰砂比为0.5、VAE乳液掺量8%、废玻璃钢纤维掺量6%、废玻璃钢粉体掺量9%、纤维素醚掺量0.2%，硅灰掺量10.0%的配比制备废玻璃钢增强粘结砂浆，对粘结砂浆的导热系数、抗渗压力进行测试，并与普通砂浆（灰砂比为0.5、VAE乳液掺量8%，未掺其它材料）进行对比研究，结果见表7。

表7 粘结砂浆与普通砂浆导热系数、抗渗压力的对比

从表7可以看出，废玻璃钢增强粘结砂浆的导热系数明显低于普通砂浆，具有更好的保温性能。主要原因是玻璃钢材料本身导热系数较低，从而提高了产品的保温性能。JC/T 984—2011《聚合物水泥防水砂浆》规定：砂浆养护7 d的抗渗压力≥0.8 MPa，28 d的抗渗压力≥1.5 MPa。从表7可以看出，废玻璃钢增强砂浆的抗渗压力明显优于普通砂浆，且符合JC/T 984—2011要求。这是由于废玻璃钢纤维、粉体和硅灰的存在，填充了砂浆中的空隙，加之与聚合物协同作用，透水通道被堵塞和覆盖，渗水阻力增大，提高了砂浆的防水性能。

3 结论

利用机械破碎法将废玻璃钢加工成再生废玻璃钢粉体和纤维，利用两者的优势和其他材料的协同作用，制备了具防水和保温性能的多功能粘接砂浆，实现了废玻璃钢高值化利用。

（1）基于Box-Behnken设计及响应面分析，得到粘结砂浆的优化配比：灰砂比为0.5、VAE乳液掺量8%、废玻璃钢纤维掺量6%、废玻璃钢粉体掺量9%，制备的砂浆粘结强度符合JC/T 547—2005要求。

（2）与普通砂浆相比，废玻璃钢增强粘结砂浆具有更好的保温性能。主要原因是玻璃钢材料本身导热系数较低，从而提高了产品的保温性能。

（3）废玻璃钢增强砂浆的抗渗压力明显优于普通砂浆，符合JC/T 984—2011要求。原因在于废玻璃钢纤维、粉体和硅灰的存在，填充了砂浆中的空隙，加之与聚合物协同作用，提高了砂浆的防水性能。

（4）硅灰的使用既可以消除废玻璃钢纤维增强砂浆混合过程中的团聚现象，改善纤维在砂浆中的分散性，又可以与水泥水化产物中的氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙。微细硅灰还可以填充砂浆中的空隙，进而提高力学性能。