權(quán)利要求

1.回收GFRP粉末與礦渣基地聚物膠凝材料優(yōu)化配比，其特征在于：包括以下重量百分比的組份： 回收GFRP粉末 5％～42％， 礦渣 17％～53％， 堿激發(fā)溶液 40％～47％， 其中堿激發(fā)溶液濃度為75％～85％；堿激發(fā)溶液模數(shù)為1.3～1.5；液固比為0.7～0.9。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收GFRP粉末與礦渣基地聚物膠凝材料優(yōu)化配比，其特征在于：所述回收GFRP粉末的重量百分比為17.7％，礦渣的重量百分比為41.2％，堿激發(fā)溶液的重量百分比為41.1％，堿激發(fā)溶液濃度為80％；堿激發(fā)溶液模數(shù)為1.5；液固比為0.7。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收GFRP粉末與礦渣基地聚物膠凝材料優(yōu)化配比，其特征在于：所述回收GFRP粉末的d 50不超過14μm，礦渣的d 50不超過12μm，其中d 50為顆粒累積分布為50％的粒徑。 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的回收GFRP粉末與礦渣基地聚物膠凝材料優(yōu)化配比，其特征在于：所述堿激發(fā)溶液為將氫氧化鈉溶液加入硅酸鈉溶液以調(diào)整到設(shè)計模數(shù)。 5.上述權(quán)利要求1、2、3或4的回收GFRP粉末與礦渣基地聚物膠凝材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟： 1)先在行星式水泥膠砂攪拌機倒入上述重量百分比的GFRP粉末及礦渣，低速干拌1min； 2)然后將提前一天制備的堿激發(fā)溶液注入其中，低速攪拌2min；再高速攪拌3min； 3)攪拌完成后立即進行成型，將40×40×160mm模具固定在振實臺，把膠凝材料分兩次裝進模具；在水泥膠砂振動臺上振實成型，刮平表面，并在表面覆蓋保鮮膜，以免水分蒸發(fā)； 4)室溫下靜置一天后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室，分別養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。

說明書

回收GFRP粉末與礦渣基地聚物膠凝材料優(yōu)化配比及制備方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及回收GFRP粉末的再利用方法，將回收GFRP粉末和礦渣作為堿激發(fā)活性材料，進行二元地聚物膠凝體系的配比設(shè)計、制備方法及優(yōu)化。

背景技術(shù)

纖維增強樹脂基復(fù)合材料(FRP)已廣泛用于航空航天、能源和基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料的快速發(fā)展，其廢棄物的回收問題日漸突出。尤其是熱固性樹脂基復(fù)合材料具有不溶的特點，難以回收。目前熱固性復(fù)合材料回收可分為三大類：機械回收法、熱解回收法、化學(xué)回收法。機械回收法工藝簡單，多用做填料或者生產(chǎn)低端復(fù)合材料。熱解回收法需要在不低450℃爐中降解樹脂，能耗很高。化學(xué)回收法使用的有機溶劑降解樹脂，容易造成環(huán)境污染。因此開發(fā)經(jīng)濟、合理、綠色、環(huán)保的復(fù)合材料回收利用方法是目前亟待解決的問題。

地聚物是以天然鋁硅酸鹽礦物或工業(yè)固體廢棄物(如粉煤灰、礦渣、硅灰、偏高嶺土等)為主要原料，在堿激發(fā)劑作用下形成由硅氧四面體與鋁氧四面體聚合而成，結(jié)構(gòu)上具有空間三維網(wǎng)絡(luò)狀鍵接結(jié)構(gòu)的無定形非晶態(tài)的新型無機硅鋁質(zhì)膠凝材料。

玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)是目前應(yīng)用最廣的復(fù)合材料之一，拉擠成型的GFRP制品主要含有約70％的玻璃纖維和30％的樹脂(如環(huán)氧樹脂，不飽和樹脂等)，其纖維最主要的成分為二氧化硅、氧化鋁及氧化鈣，雖然玻璃纖維(長纖維或短纖維)與堿溶液反應(yīng)很慢，基本可以認(rèn)為其沒有堿激發(fā)活性，但玻璃纖維粉末或玻璃粉末粒徑達到和粉煤灰差不多的范圍時，則可以和堿溶液發(fā)生反應(yīng)生成硅氧四面體和鋁氧四面體，而根據(jù)(“A ternaryoptimization of alkali-activated cement mortars incorporating glass powder,slag and calcium aluminate cement”，He等，頁碼117983，Construction&BuildingMaterials，2020年)樹脂在地聚物中的含量不超過10％時，能夠改善地聚物的微觀結(jié)構(gòu)，并能提高地聚物侵蝕性暴露環(huán)境中的耐久性。

目前已有的GFRP粉末都將GFRP粉末作為細(xì)骨料替代河砂制備水泥砂漿，(“Assessment of glass fibre reinforced polymer waste reuse as filler inmortars”，F(xiàn)arinha等，第1579-1594頁，Journal of Cleaner Production，2019年)，但將堿激發(fā)回收GFRP粉末與礦渣協(xié)同制備地聚物的研究尚屬空白。

本專利相較于專利號202010625749.0，區(qū)別在于1)所用前驅(qū)物種類得到精簡，專利號202010625749.0中所用前驅(qū)物包括回收GFRP粉末、回收BFRP粉末、偏高嶺土、粉煤灰、礦渣、PVA纖維以及納米粒子，制備繁瑣，而本專利的前驅(qū)物僅有礦渣及回收GFRP粉末，易于施工；2)專利號202010625749.0中礦渣摻量不超過5％，否則膠凝材料將瞬凝，無法施工，而本專利大幅提高回收GFRP粉末及礦渣的用量，礦渣摻量達到70％時，流動度及凝結(jié)時間仍然符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》規(guī)范要求；3)按照本專利配比的地聚物膠凝材料比專利號202010625749.0中地聚物強度大幅提高；4)專利號202010625749.0主要制備堿激發(fā)地聚物混凝土，而本專利主要設(shè)計了堿激發(fā)地聚物膠凝材料，既可用于制備地聚物混凝土也可直接當(dāng)做粘結(jié)材料。

本專利將回收GFRP粉末與礦渣組合通過堿激發(fā)制備膠凝材料，不但有效解決了環(huán)境污染問題，還解決了地聚物收縮性大，易產(chǎn)生收縮裂縫的問題，為復(fù)合材料的回收再利用開拓便捷、綠色環(huán)保的新途徑，具有較強經(jīng)濟效益。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對GFRP廢棄物回收利用難以及堿激發(fā)礦渣易閃凝的問題，以回收GFRP粉末和礦渣為地聚物的前驅(qū)物，通過合理的材料組合與配比，形成回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物，降低GFRP廢棄物對環(huán)境的污染和資源浪費，改善礦渣地聚物在制備過程中的閃凝問題及養(yǎng)護時收縮性大的問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種回收GFRP粉末與礦渣基地聚物膠凝材料優(yōu)化配比，包括以下重量百分比的組份：

回收GFRP粉末 5％～42％，

礦渣 17％～53％，

堿激發(fā)溶液 40％～47％，

其中堿激發(fā)溶液濃度為75％～85％；堿激發(fā)溶液模數(shù)為1.3～1.5；液固比為0.7～0.9。

作為優(yōu)選，所述回收GFRP粉末的重量百分比為17.7％，礦渣的重量百分比為41.2％，堿激發(fā)溶液的重量百分比為41.1％，堿激發(fā)溶液濃度為80％；堿激發(fā)溶液模數(shù)為1.5；液固比為0.7，28天抗壓和抗折強度最高，且凝結(jié)時間和流動性滿足GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》規(guī)范要求。

作為優(yōu)選，所述回收GFRP粉末的d 50不超過14μm，礦渣的d 50不超過12μm，其中d 50為顆粒累積分布為50％的粒徑。

所述回收GFRP粉末及礦渣的主要化學(xué)成分如表1所示；

表1回收GFRP粉末及礦渣的主要化學(xué)成分(％)

作為優(yōu)選，所述堿激發(fā)溶液為將氫氧化鈉溶液加入硅酸鈉溶液以調(diào)整到設(shè)計模數(shù)。

上述回收GFRP粉末與礦渣基地聚物膠凝材料的制備方法，包括以下步驟：

1)先在行星式水泥膠砂攪拌機倒入上述重量百分比的GFRP粉末及礦渣，低速干拌1min。

2)然后將提前一天制備的堿激發(fā)劑溶液注入其中，低速攪拌2min；再高速攪拌3min。

3)攪拌完成后立即進行成型，將40×40×160mm模具固定在振實臺，把膠凝材料分兩次裝進模具。在水泥膠砂振動臺上振實成型，刮平表面，并在表面覆蓋保鮮膜，以免水分蒸發(fā)。

4)室溫下靜置一天后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室(溫度(20±2)℃，濕度＞95％)分別養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。

本發(fā)明的地聚物膠凝材料具有較高強度的關(guān)鍵在于配合比設(shè)計。玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)中纖維最主要的組分為SiO 2和Al 2O 3，當(dāng)GFRP粉碎粒徑到40～50微米，能在堿環(huán)境中能釋放硅氧四面體與鋁氧四面體，而適量的環(huán)氧樹脂顆粒不僅可以填充膠凝材料中的空隙，而且能在地聚物產(chǎn)物之間形成聚合物橋，緩解荷載引起的內(nèi)應(yīng)力，發(fā)揮增韌作用；但是常溫養(yǎng)護下單一堿激發(fā)回收GFRP粉末膠凝材料強度較低，同時純礦渣地聚物膠凝材料由于其早期反應(yīng)活性強，存在易閃凝影響施工，易收縮產(chǎn)生收縮裂縫，影響其實際工程應(yīng)用，因此可以利用回收的GFRP粉末部分替代礦渣在堿激發(fā)作用下生成膠凝體，替代水泥類膠凝材料。

回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物膠凝材料，可作為墻面修復(fù)材料，如有必要，未來可以將其應(yīng)運用在地聚物混凝土中，在工程應(yīng)用中替代普通硅酸鹽混凝土。

本發(fā)明的有益效果：

1)可設(shè)計性強

回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物能充分利用硅鋁酸鹽系纖維的堿激發(fā)活性，改善礦渣地聚物的閃凝特性，彌補回收GFRP粉末室溫下反應(yīng)慢的特點，形成兩者協(xié)同工作、性能充分發(fā)揮的復(fù)合膠凝體系。

2)性能優(yōu)化

本發(fā)明獲得了最優(yōu)GFRP粉末/礦渣地聚物的配比。當(dāng)30％回收GFRP粉末替代礦渣時，其膠凝材料流動度、初凝時間和終凝時間分別為202mm、148min及155min，符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》，解決了礦渣地聚物瞬凝問題，膠凝材料抗壓強度及抗折強度比無GFRP粉末的礦渣地聚物均有一定程度的提高，其中抗折強度提高超過30％；

3)節(jié)能環(huán)保

回收GFRP粉末無需進行纖維和樹脂分離，在堿激發(fā)作用下生成膠凝體，替代水泥類膠凝材料，可有效解決GFRP回收利用難等問題，符合我國經(jīng)濟發(fā)展的“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色”的理念。

附圖說明

圖1為回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物膠凝材料GFRP含量變化的工作性能圖；

圖2為回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物膠凝材料GFRP含量變化的力學(xué)性能圖；

圖3為回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物膠凝材料GFRP含量變化的X射線衍射圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細(xì)的說明。

實施例1：回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物膠凝材料中，回收GFRP粉末的重量百分比為17.7％(與礦渣質(zhì)量比為3:7)，礦渣的重量百分比為41.2％，堿激發(fā)溶液的重量百分比為41.1％，堿激發(fā)溶液濃度為80％，堿激發(fā)溶液模數(shù)為1.5，液固比為0.7。

如圖1工作性能試驗所示，與不含GFRP粉末的堿激發(fā)礦渣膠凝材料相比，GFRP粉末與礦渣質(zhì)量比為3:7的堿激發(fā)膠凝材料的流動度提高10％；初凝結(jié)時間和終凝時間延長了30％，而堿激發(fā)單一GFRP粉末地聚物膠凝材料相較于含30％GFRP的堿激發(fā)膠凝材料，其流動度提高了35％，初凝結(jié)時間和終凝時間分別延長了22％及260％

如圖2養(yǎng)護齡期為28d的力學(xué)性能試驗所示，隨著GFRP粉末含量的增加，堿激發(fā)膠凝材料的抗壓強度和抗折強度均先增后減。當(dāng)GFRP粉末含量由0增至30％時，堿激發(fā)GFRP粉末-礦渣地聚物膠凝材料與單一礦渣地聚物膠凝材料相比，抗壓強度上升了10％，抗折強度增加32％。

實施例2：回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物膠凝材料中，回收GFRP粉末的重量百分比為29.41％(前驅(qū)材料質(zhì)量的50％)，礦渣的重量百分比為29.41％，堿激發(fā)溶液的重量百分比為41.1％，堿激發(fā)溶液濃度為80％，堿激發(fā)溶液模數(shù)為1.5，液固比為0.7。

如圖1工作性能試驗所示，與不含GFRP的堿激發(fā)礦渣膠凝材料相比，含50％GFRP的堿激發(fā)膠凝材料的流動度提高21％；初凝結(jié)時間和終凝時間分別延長了31％，38％，

如圖2養(yǎng)護齡期為28d的力學(xué)性能試驗所示，當(dāng)GFRP粉末含量由30％增至50％時，抗壓強度和抗折強度開始下降，分別下降了30％以及13％。

實施例3：回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物膠凝材料中，回收GFRP粉末的重量百分比為41.18％(前驅(qū)材料質(zhì)量的70％)，礦渣的重量百分比為17.65％，堿激發(fā)溶液的重量百分比為41.1％，堿激發(fā)溶液濃度為80％，堿激發(fā)溶液模數(shù)為1.5，液固比為0.7。

如圖1工作性能試驗所示，與不含GFRP的堿激發(fā)礦渣膠凝材料相比，含70％GFRP的堿激發(fā)膠凝材料的流動度提高29.8％；初凝結(jié)時間和終凝時間分別延長33.3％，38.7％，

如圖2養(yǎng)護齡期為28d的力學(xué)性能試驗所示，當(dāng)GFRP粉末含量由30％增至70％時，堿激發(fā)GFRP復(fù)合膠凝材料的抗壓強度及抗折強度分別下降了40％及31％。

如圖3為不同GFRP含量(0％、30％、50％、70％)的回收GFRP粉末與礦渣二元地聚物膠凝材料的養(yǎng)護28天后的XRD圖。從圖中可以觀測到，在20到35°范圍內(nèi)，堿激發(fā)GFRP-礦渣復(fù)合膠凝材料的反應(yīng)體系中均存在有方解石(CaCO 3)、水化硅酸鈣(Ca 5(Si 6O 16)(OH) 2·4H 2O)以及少量未參與反應(yīng)的SiO 2。在30和50°附近，CaCO 3與Ca 5(Si 6O 16)(OH) 2·4H 2O等水化產(chǎn)物的衍射峰存在較大部分的重疊。養(yǎng)護齡期為28d的純礦渣地聚物膠凝材料的微裂紋較多，用30％回收GFRP粉末部分替代礦渣的地聚物膠凝材料微觀形貌上相較于純礦渣地聚物膠凝材料更為致密，地聚物基體表面被大量凝膠覆蓋，而純回收GFRP粉末膠凝材料微觀結(jié)構(gòu)較為松散，同時表面的粉狀顆粒仍然較多。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

回收GFRP粉末與礦渣基地聚物膠凝材料優(yōu)化配比及制備方法.pdf