CN111718159A - 一种回收frp粉末地聚物混凝土及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种回收FRP粉末地聚物混凝土及制备方法；其中，一种回收FRP粉末地聚物混凝土，其包括，前驱体，碱，骨料，所述前驱体与所述碱反应产生胶凝体；按质量份数计，所述前驱体为100份，所述碱为50～200份；所述骨料与所述胶凝体的质量比为0.3～0.4；所述前驱体包括回收FRP、GFRP、BFRP中的一种或几种。所述前驱体包括回收GFRP和/或BFRP与粉煤灰、硅灰、矿渣、钢渣、偏高岭土中的一种或几种的混合物。本发明可设计性强，回收FRP粉末地聚物混凝土能充分利用硅铝酸盐系纤维的碱激发活性，形成不同材料协同工作、性能充分发挥的复合胶凝体系，来满足混凝土受力与工作性能，提高稳定性，节能环保。

Description

一种回收FRP粉末地聚物混凝土及制备方法
技术领域
本发明属于混凝土领域，涉及一种回收FRP粉末地聚物混凝土及制备方法，即回收FRP粉末地聚物混凝土配比设计及稳定性(包括体积稳定性、力学性能和耐久性)提升方法。
背景技术
随着复合材料行业的蓬勃发展，特别是我国近年来复合材料快速发展，其废弃物的回收问题已日渐突出、不容忽视，对复材废弃物进行有效的回收与循环利用将成为复材行业实现更大发展必须重视的前提。热固性复合材料在固化过程中生成交联的体型网格结构赋予其优良的力学性能和耐久性，也使得其具有不溶不熔的特点，因此热固性复合材料的回收比热塑性复合材料的回收更难。纤维增强树脂基复合材料(FRP)的废弃物处理方法可分为三大类：物理回收法、热循环回收法、化学回收法。其中机械回收法成本低廉、工艺简单，但再生短纤维含有很多杂质，只能用做填料或者生产低端复合材料。热解回收法对纤维的力学性能有所损伤，主要适合于回收碳纤维复合材料(CFRP)，但回收成本太高。化学回收法分离出的纤维力学性能保持较好，但工序较复杂，而且使用的有机溶剂易污染环境。因此开发经济、合理、绿色、环保的复合材料回收利用方法是目前亟待解决的问题。
地聚合物是以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废弃物(如粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土等)为主要原料，在碱激发剂作用下形成由硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成，结构上具有空间三维网络状键接结构的无定形非晶态的新型无机硅铝质胶凝材料。目前应用最广的两种复合材料——玻璃纤维复合材料(GFRP)和玄武岩纤维复合材料(BFRP)，其纤维最主要的成二氧化硅含量超过50％(与粉煤灰接近)，氧化铝含量约15％(为粉煤灰的一半)，因此玻璃纤维和玄武岩纤维均可与碱溶液发生反应生成硅氧四面体和铝氧四面体，产生的胶凝体可替代水泥等胶凝材料，也可替代粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土等传统地聚物前驱物。目前尚未有回收FRP粉末地聚物的报道，而且现有地聚物混凝土工程应用中最大的问题收缩大，地聚物混凝土的收缩量甚至能达到普通混凝土的四倍，由此产生收缩裂缝，使得腐蚀介质容易渗入，降低了地聚物混凝土的耐久性，并限制了地聚物混凝土的广泛应用。将回收FRP用于地聚物将为复合材料的回收再利用开拓便捷、经济、绿色环保的新途径。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述的技术缺陷，提出了本发明。本发明的目的是针对FRP废弃物回收利用难的问题，以回收FRP粉末为地聚合物的前驱物，通过合理的材料组合与配比，形成FRP粉末地聚物混凝土，为了进一步解决地聚物混凝土收缩大等问题，本发明基于耐碱纤维和纳米粒子，提出一种提升地聚物混凝土稳定性的方法，不仅可以替代水泥胶凝材料和传统的地聚物胶凝材料(如粉煤灰、硅灰、矿渣、偏高岭土等)，而且降低环境污染和资源浪费。
因此，作为本发明其中一个方面，本发明克服现有技术中存在的不足，提供一种回收FRP粉末地聚物混凝土及制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种回收FRP粉末地聚物混凝土，其包括，前驱体，碱，骨料，所述前驱体与所述碱反应产生胶凝体；按质量份数计，所述前驱体为100份，所述碱为50～200份；所述骨料与所述胶凝体的质量比为0.3～0.4。
作为本发明所述的回收FRP粉末地聚物混凝土的优选方案，其中：所述前驱体包括回收GFRP、BFRP中的一种或两种混合。
作为本发明所述的回收FRP粉末地聚物混凝土的优选方案，其中：所述前驱体包括回收GFRP和/或BFRP与粉煤灰、硅灰、矿渣、钢渣、偏高岭土中的一种或几种的混合物。
作为本发明所述的回收FRP粉末地聚物混凝土的优选方案，其中：所述碱为碱溶液，所述碱溶液的浓度为50％～90％；所述骨料为细-粗骨料，所述细-粗骨料的体积比为0.3～0.7。
作为本发明所述的回收FRP粉末地聚物混凝土的优选方案，其中：水胶比：0.2～0.4。
作为本发明所述的回收FRP粉末地聚物混凝土的优选方案，其中：所述前驱体中所述矿渣的掺量不超过5％；
作为本发明所述的回收FRP粉末地聚物混凝土的优选方案，其中：所述前驱体与所述碱和/或所述碱溶液的质量比为1.2～2.5。
作为本发明所述的回收FRP粉末地聚物混凝土的优选方案，其中：按质量分数计，还包括，占所述胶凝体0.2％～2％的耐碱纤维，占所述胶凝体1％～2％的纳米粒子，占所述胶凝体1％～2％的减水剂。
作为本发明的另一方面，本发明提供一种回收FRP粉末地聚物混凝土的制备方法，其包括，称取前驱体，投入到搅拌机中，搅拌1～2min；向混凝土搅拌机中继续加入骨料继续搅拌约2～5min；将提前1天制备好的碱激发剂溶液加入到上述混合料中，均匀搅拌2～4min，即可制备得到所述的回收FRP粉末地聚物混凝土。
本发明的有益效果：
1)可设计性强
回收FRP粉末地聚物混凝土能充分利用硅铝酸盐系纤维的碱激发活性，形成不同材料协同工作、性能充分发挥的复合胶凝体系，来满足混凝土受力与工作性能。
2)稳定性提升
引入耐碱纤维和纳米粒子改性地聚物，设计出致密性高，受力可靠的地聚物混凝土，可提升原有地聚物混凝土的受力性能、体积稳定性和抗裂性，加强其对腐蚀介质侵蚀的抵御，为大规模推广应用该新型混凝土材料奠定基础。
3)节能环保
回收FRP粉末无需进行纤维和树脂分离，在碱激发作用下生成胶凝体，替代水泥类胶凝材料，可有效解决FRP回收利用难以及普通混凝土中水泥用量大等问题，符合我国经济发展的“创新、协调、绿色”的理念。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为回收GFRP粉末地聚物混凝土温度变化的应力-应变曲线；
图2为回收GFRP粉末地聚物混凝土GFRP含量变化的应力-应变曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1：
实施例1：GFRP粉末或BFRP粉末(前驱材料质量的10％，36.8kg/m3)、粉煤灰(前驱材料质量的80％，294.4kg/m3)、硅灰、矿渣、钢渣(前驱材料质量的10％，36.8kg/m3)、偏高岭土、细骨料、粗骨料、碱激发剂(水玻璃170kg/m3，氢氧化钠28kg/m3)、耐碱纤维、纳米粒子、水(36kg/m3)、聚羧酸减水剂(7.36kg/m3)。
上述回收FRP粉末地聚物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)按照上述重量份数，分别称取GFRP粉末或BFRP粉末与粉煤灰或硅灰、矿渣、偏高岭土混合组成的混杂前驱材料，投入到搅拌机中，搅拌1min；
2)向混凝土搅拌机中继续加入砂和石继续搅拌约2min；
3)将提前1天制备好的碱激发剂溶液(准备工作：碱激发剂的配制、用量及计算如水玻璃模数的调试，种类选择等)加入到上述混合料中，均匀搅拌2min，即可制备得到所述的回收FRP粉末地聚物混凝土。
如图1所示，常温和高温下力学试验表明，室温下25℃下10％GFRP粉末(占前驱物的质量比)地聚物混凝土抗压强度和弹性模量与不含GFRP的粉煤灰地聚物混凝土相比分别提高12％和24％，且随着GFRP粉末含量的增加，地聚物混凝土的抗压强度和弹性模量也相应增加；而经过300℃，600℃和900℃高温各3小时后，GFRP粉末地聚物混凝土抗压强度与室温下相比分别下降30％，52％和72％，不含GFRP粉末的地聚物混凝土抗压强度与室温下相比分别下降34％，58％和73％。
如图2所示，工作性能试验表明，含有10％GFRP粉末的地聚物混凝土坍落度与不含GFRP粉末地聚物混凝土相比增加了16％。GFRP粉末在碱激发环境下活性要比粉煤灰高，GFRP粉末会优先发生聚合反应。与不含GFRP粉末地聚物混凝土相比，含有10％GFRP粉末的地聚物混凝土的初凝时间和终凝时间缩短约10％。
本发明利用回收的FRP粉末等质量替代粉煤灰，矿渣，偏高岭土等传统的碱激发前驱物的反应机理：玻璃纤维复合材料(GFRP)和玄武岩纤维复合材料(BFRP)，中纤维最主要的组分为SiO2和Al2O3,均属于硅铝酸盐系纤维，因此能在碱环境中能释放硅氧四面体与铝氧四面体。工程结构中复合材料热固性树脂以环氧，乙烯基和不饱和树脂等为主。以环氧树脂为例，适量的环氧树脂颗粒不仅可以填充水泥浆体中较大的孔隙，使水泥浆体结构更加致密，而且能在水化产物之间形成聚合物桥，缓解荷载引起的内应力，发挥增韧作用。因此可以利用回收的FRP粉末在碱激发作用下生成胶凝体，替代水泥类胶凝材料。
回收FRP粉末地聚物胶凝体的设计有两种方案，一种为碱激发单一FRP地聚物胶凝体，另一种为回收FRP粉末与常用前驱材料(粉煤灰、硅灰、矿渣或偏高岭土等)混合，形成碱激发复合胶凝体系。回收FRP粉末可等质量替代粉煤灰、硅灰、矿渣和偏高岭土。
本发明采用的技术方案为：一种回收FRP粉末地聚物混凝土，由以下重量份的物质组成：
单一回收FRP粉末地聚物混凝土：回收FRP(GFRP或BFRP)100份，碱溶液100份～200份，碱液浓度为50％～90％；水胶比：0.2～0.4，细-粗骨料体积比为0.3～0.7，胶凝材料与总骨料的质量比为0.3～0.4。
复合回收FRP粉末地聚物混凝土：GFRP粉末或BFRP粉末与粉煤灰或硅灰、矿渣粉、钢渣粉、偏高岭土混合组成混杂前驱材料，其中GFRP粉末或BFRP粉末与粉煤灰或硅灰和偏高岭土混合质量比任意，而矿渣的掺量不超过5％，否则胶凝材料将瞬凝，无法施工。前驱材料与碱溶液的质量比为1.2～2.5范围，粗骨料为5～20mm均匀级配的碎石、耐碱纤维(胶凝体质量的0.2％～2％)、纳米粒子(胶凝体质量的1％～2％)、减水剂(胶凝体质量的1％～2％)。
基于纤维的桥接作用和纳米粒子的晶种成核和颗粒填充作用，选取耐碱纤维(如丙烯酸、聚丙烯、碳纤维或AR玻璃纤维等)和纳米粒子(如SiO2、Al2O3或TiO2等纳米粒子)添加到地聚物混凝土中，其中耐碱纤维按胶凝体质量比0.2％～2％添加量为宜，纳米粒子的添加量以1-2％为宜，添加量过量会导致团聚现象。
所述GFRP粉末或BFRP粉末细度在50微米左右，细度越细聚合反应越完全，胶凝的强度和地聚物混凝土的强度越高。
碱液浓度为50％～90％，低于50％碱激发反应不充分，超过90％地聚物将“瞬凝”。
为了减小地聚物混凝土的收缩，早期以水中养护为佳，养护温度以40℃到85℃之间为宜，在较高温度下长时间养护有可能会造成试件-Si-O-Al-O键裂解破坏，养护温度过高或在较高温度下养护时间过长反而会加大地聚物混凝土的收缩。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种回收FRP粉末地聚物混凝土，其特征在于：包括，
前驱体，碱，骨料，所述前驱体与所述碱反应产生胶凝体；
按质量份数计，所述前驱体为100份，所述碱为50～200份；所述骨料与所述胶凝体的质量比为0.3～0.4。
2.如权利要求1所述的回收FRP粉末地聚物混凝土，其特征在于：所述前驱体包括回收GFRP和BFRP中的一种或两种混合。
3.如权利要求1所述的回收FRP粉末地聚物混凝土，其特征在于：所述前驱体包括回收GFRP和/或BFRP与粉煤灰、硅灰、矿渣、钢渣、偏高岭土中的一种或几种的混合物。
4.如权利要求1～3任一所述的回收FRP粉末地聚物混凝土，其特征在于：所述碱为碱溶液，所述碱溶液的浓度为50％～90％；所述骨料为细-粗骨料，所述细-粗骨料的体积比为0.3～0.7。
5.如权利要求1～3任一所述的回收FRP粉末地聚物混凝土，其特征在于：水胶比：0.2～0.4。
6.如权利要求3所述的回收FRP粉末地聚物混凝土，其特征在于：所述前驱体中所述矿渣的掺量不超过5％。
7.如权利要求6所述的回收FRP粉末地聚物混凝土，其特征在于：所述前驱体与所述碱和/或所述碱溶液的质量比为1.2～2.5。
8.如权利要求7所述的回收FRP粉末地聚物混凝土，其特征在于：按质量分数计，还包括，占所述胶凝体0.2％～2％的耐碱纤维，占所述胶凝体1％～2％的纳米粒子，占所述胶凝体1％～2％的减水剂。
9.一种回收FRP粉末地聚物混凝土的制备方法，其特征在于：包括，
1)称取前驱体，投入到搅拌机中，搅拌1～2min；
2)向混凝土搅拌机中继续加入骨料继续搅拌约2～5min；
将提前1天制备好的碱激发剂溶液加入到上述混合料中，均匀搅拌2～4min，即可制备得到所述的回收FRP粉末地聚物混凝土。
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