廢棄玻璃在混凝土中的應(yīng)用綜述

摘要：本文是對(duì)近年來(lái)固體廢棄物玻璃在混凝土中的利用研究的總結(jié)。主要介紹在玻璃混凝土中，摻加玻璃的顆粒大小對(duì)混凝土的影響，顆粒越大火山灰活性越弱，易發(fā)生堿硅酸膨脹。具體火山灰活性體現(xiàn)與粒徑的具體大小，尚不明確。

關(guān)鍵詞：廢棄玻璃;玻璃砂（粉）;堿-硅酸反應(yīng);力學(xué)性能

廢棄玻璃作為一種固體廢棄物，無(wú)法像一般垃圾一樣做焚燒處理，而且很難自然降解。于是廢棄玻璃的回收利用引起了很多人的關(guān)注。將廢棄玻璃應(yīng)用到水泥生產(chǎn)中，還有將其作為骨料或者摻和料應(yīng)用到混凝土中也是一回收利用途徑。玻璃的組成成分含有大量的鈣和硅，理論上破碎磨細(xì)后具有一定的火山灰活性。根據(jù)商務(wù)部發(fā)布的資料^[1]，2017年我國(guó)廢棄玻璃產(chǎn)出量約為2000萬(wàn)噸，回收量約為1070萬(wàn)噸，回收率達(dá)到了53.5%。

最早的有記錄將廢棄玻璃應(yīng)用到混凝土是19世紀(jì)60年代，有研究人員將玻璃作為骨料加入到混凝土制備中，混凝土出現(xiàn)較為嚴(yán)重的堿-硅酸反應(yīng)膨脹開(kāi)裂。在這之后20年內(nèi)，未有資料顯示有將玻璃應(yīng)用到混凝土中的研究。

在21世紀(jì)，由于環(huán)境法規(guī)和廢棄玻璃高昂的處理費(fèi)用，玻璃作為水泥混凝土集料的使用再次受到關(guān)注，并進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究。廢棄玻璃在混凝土中的應(yīng)用主要集中在破碎玻璃作為骨料，玻璃粉作為水泥的替代物。

一、廢棄玻璃作為混凝土集料的研究

（一）玻璃取代粗細(xì)集料

廢棄玻璃運(yùn)用到混凝土中必須要注意的就是粒徑大小。國(guó)內(nèi)有研究者^[2]研究了透明玻璃粒徑大小對(duì)于混凝土的影響，結(jié)果顯示堿-硅酸反應(yīng)最大膨脹量發(fā)生在加入粒徑為1.18～2.36mm透明鈉鈣玻璃顆粒的試樣;0.3mm左右玻璃顆粒的試樣與參照試樣的膨脹量相近;而含有比0.15mm更細(xì)玻璃顆粒的混凝土試件，其膨脹量比參照試樣還小。又有研究者^[3]改變粒徑和配合比研究透明玻璃，得出以下結(jié)論：玻璃粒徑為2.36～1.18mm入到混凝土中，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的堿硅酸破壞，必須加高嶺土等堿-硅酸反應(yīng)抑制劑;玻璃粒徑范圍為1.18～0.60mm的混凝土工作性能優(yōu)秀，可以不用添加堿-硅酸反應(yīng)抑制劑;玻璃骨料粒徑<0.15 mm比表面積變大，水灰比當(dāng)采用較大的比例。國(guó)外有研究者，研究了棕色和綠色玻璃粒徑對(duì)堿-硅反應(yīng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，1.18和2.36mm的綠色顆粒表現(xiàn)出最高的反應(yīng)活性，而其他尺寸的顆粒則表現(xiàn)出相對(duì)較低的堿-硅酸膨脹。這與前兩位研究者的結(jié)果相符合。

（二）玻璃取代水泥

有研究人員對(duì)玻璃粉的粒徑進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小于20μm的玻璃粉的火山灰活性最強(qiáng)，7天、28天和90天的強(qiáng)度活動(dòng)指數(shù)分別為82%、95%和102%。有研究人員^[4]對(duì)比使用了四種激發(fā)方式，按照激發(fā)效果由高到低排序如下：復(fù)合活化、水熱活化、化學(xué)活化、物理活化。最好的激發(fā)粒徑在6.414～20.710μm之間。有研究人員采取了用水浸泡的方式，研究玻璃粉的浸泡時(shí)間長(zhǎng)短和摻量對(duì)混凝土的影響。最后得出結(jié)論在2.5%和5%的玻璃粉混合料和3小時(shí)和6小時(shí)的浸泡條件下獲得了最佳抗壓強(qiáng)度。有研究者研究了使用玻璃粉將水泥體積取代量15%、30%、45%、60%的混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，玻璃粉在表現(xiàn)火山灰活性的時(shí)候消耗量大量的氫氧化鈣，且所有含有玻璃粉的混凝土的性能均優(yōu)于對(duì)照混凝土。

有研究者就針對(duì)性地做了研究，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了邊界處理。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在自密實(shí)混凝土中，使用玻璃粉取代水泥，當(dāng)取代率為5%、13%、20%、30%時(shí)，堿-硅酸反應(yīng)分別減少5%、14%、23%、52%。在水灰比大于0.4的時(shí)候，添加玻璃粉會(huì)導(dǎo)致混凝土前期抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)使用木質(zhì)素磺酸鈉增塑劑時(shí)，最佳水灰比在0.33到0.34之間。相比較傳統(tǒng)的混凝土拌合方式，在使用玻璃粉替代水泥的過(guò)程中，有研究者使用了新的拌合方式。傳統(tǒng)的拌合方式是玻璃粉和水泥、骨料一起進(jìn)行攪拌。這位研究者采用新方式將玻璃粉先浸泡在水中，之后再加入進(jìn)行攪拌。結(jié)果表明，新的混合方法比傳統(tǒng)的混合方法具有更高的抗壓強(qiáng)度。在新的混合方法中使用10%的玻璃粉，可以顯著提高對(duì)照組的抗壓強(qiáng)度，約為對(duì)照組的130%。經(jīng)過(guò)研究人員的探究， 說(shuō)明玻璃顆粒的溶解導(dǎo)致自由離子的形成，水溶液中Na和Ca離子的存在，會(huì)增加C-S-H形成的機(jī)會(huì)，形成更致密的界面過(guò)渡區(qū)和更細(xì)的孔隙，消耗掉Ca（OH）2減后期弱堿-硅酸反應(yīng)，增加后期強(qiáng)度。

二、結(jié)語(yǔ)

廢棄玻璃運(yùn)用到混凝土配置當(dāng)中是可行的，并且可以減少環(huán)境的破壞，也利于資源的回收利用，很有實(shí)際意義。在玻璃的破碎過(guò)程中，容易在玻璃顆粒表面產(chǎn)生大量的細(xì)小裂紋，這些裂紋在混凝土的攪拌過(guò)程中會(huì)受到進(jìn)一步的發(fā)展。最后會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，并且容易產(chǎn)生堿-硅酸反應(yīng)導(dǎo)致混凝土失去承載力。所以玻璃在混凝土中的應(yīng)用，玻璃的粒徑不能太大，可以作為細(xì)集料應(yīng)用到混凝土中，不建議作為粗集料運(yùn)用。

廢棄玻璃粉由于玻璃自身的成分和較大的比表面積，其火山灰活性會(huì)隨粒徑的減小而增大，對(duì)混凝土的和易性流動(dòng)性有提升作用。玻璃粉在一定比例替代水泥，減小水泥的用量，但并不會(huì)導(dǎo)致混凝土的承載能力降低，甚至讓混凝土的性能有所增加。

在目前的研究中，研究人員都在盡量回避混凝土的堿-硅酸膨脹。這種現(xiàn)象只能盡量減弱，不能完全避免這類(lèi)現(xiàn)象的產(chǎn)生。

玻璃粉具有火山灰活性已經(jīng)被研究證實(shí)，但是玻璃具有火山灰活性的粒徑界限依然不清晰，這個(gè)界限的確立需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：陳龍 西華大學(xué)在讀研究生，主要研究方向?yàn)榛炷敛牧?。