廢玻璃粉對混凝土力學(xué)性能的影響試驗(yàn)研究

蘇柳月 陳懷 何其 黃曦 肖曉旭 方翠

摘? 要：為提高玻璃廢棄物的有效利用率，順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展要求，將廢玻璃粉作為輔助膠凝材料替代混凝土中的水泥，研究不同玻璃粉摻量下混凝土的力學(xué)性能，并探討粉煤灰與玻璃粉復(fù)摻對廢玻璃粉混凝土力學(xué)性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明：廢玻璃粉的摻入降低了混凝土的坍落度和抗壓強(qiáng)度，但其后期火山灰活性效應(yīng)增強(qiáng)，玻璃粉摻量為10%～20%的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度接近基準(zhǔn)混凝土;隨著粉煤灰在玻璃粉混凝土中摻量的增多，混凝土7 d、28 d的強(qiáng)度均呈減小趨勢，摻量為20%～25%時(shí)可提高混凝土的和易性;廢玻璃粉作為摻合料在混凝土中具有良好的應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞：廢玻璃粉混凝土;力學(xué)性能;和易性;粉煤灰;火山灰活性

中圖分類號(hào)：TU528.44? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.004

0? ? 引言

混凝土材料因其來源廣、可塑性好、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于房屋、道路、橋梁等建設(shè)工程當(dāng)中，混凝土結(jié)構(gòu)也成為當(dāng)今世界應(yīng)用最為廣泛的建筑結(jié)構(gòu)形式.水泥作為制造混凝土不可或缺的重要原料，主要來源于礦山開采，而在其生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲、水體、空氣污染，同時(shí)過度的開采還容易破壞生態(tài)平衡，導(dǎo)致水土流失.因此，尋找混凝土原料的替代品具有十分重要的社會(huì)意義.

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，玻璃制品在人們的生活中得到了大規(guī)模的應(yīng)用，但與此同時(shí)也導(dǎo)致了玻璃廢棄物的數(shù)量逐年遞增，而我國廢棄玻璃的回收再利用由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和制度問題一直未得到根本改善，大部分廢玻璃被作為垃圾丟棄.不當(dāng)?shù)膹U棄玻璃處理方式不僅占用土地，還在一定程度上浪費(fèi)能源，破壞生態(tài)環(huán)境.而隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國家政策要求不斷提高[1-2]，可持續(xù)發(fā)展和綠色建筑越來越深入人心，廢玻璃在混凝土中的應(yīng)用研究開始受到廣泛關(guān)注.玻璃含有大量無定型的SiO2，將其磨細(xì)成粉后具有潛在的火山灰活性，可作為輔助膠凝材料使用.饒美娟[3]在其碩士論文中對玻璃粉末在水泥基材料中的水化機(jī)理及性能影響進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明玻璃粉的摻入加速了水泥早期水化速率，玻璃粉表現(xiàn)出了良好的火山灰活性.Karnali等[4]的研究則表明，相較于粉煤灰，玻璃粉對水泥早期水化有促進(jìn)作用，具有火山灰特性，能改善水泥漿體的后期水化.Mirzahosseini等[5]探討了63～75 μm、25～38 μm和0～25 μm三種不同粒徑范圍的磨細(xì)玻璃粉在混凝土中的火山灰行為，結(jié)果表明0～25 μm的玻璃粉體具有相當(dāng)大的火山灰行為，同一條件下，粉體越細(xì)，活性越高.Liu等[6]的研究也認(rèn)為粒徑小于20 μm的顆粒對玻璃粉活性指數(shù)的貢獻(xiàn)較大，3～10 μm顆粒對砂漿的后期強(qiáng)度影響最大.同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，廢玻璃混凝土堿硅酸反應(yīng)膨脹破壞的危害隨著玻璃粒徑的減小而減弱，粒徑小到一定程度時(shí)還能抑制堿硅酸反應(yīng)的發(fā)生[7-8] .目前國內(nèi)外的研究成果已經(jīng)表明將玻璃廢棄物應(yīng)用于混凝土中具有很大的潛在效益，但對廢玻璃粉作為礦物摻合料用于混凝土的研究并未形成統(tǒng)一結(jié)論，玻璃粉與其他摻合料復(fù)摻對混凝土體系的影響機(jī)制尚不明確，如何進(jìn)行具體的應(yīng)用還有待于深入研究.

為充分激發(fā)玻璃粉的潛在火山灰活性，本文將廢棄玻璃回收研磨成粉，選取合適粒度的粉體部分替代水泥摻入混凝土中，研究廢玻璃粉摻量及其與粉煤灰的交互作用對混凝土力學(xué)性能的影響，以期為廢棄玻璃回收再利用提供新的途徑，改善因廢棄玻璃難處理導(dǎo)致的環(huán)境污染、能源浪費(fèi)問題，同時(shí)為廢玻璃粉混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程提供理論支撐.

1? ? 試驗(yàn)

1.1? ?試驗(yàn)原材料

采用廣西魚峰水泥有限公司生產(chǎn)的 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;天然河砂，中砂，表觀密度 2 620 kg /m3;碎石，連續(xù)級(jí)配，最大粒徑為25 mm;河南華電集團(tuán)提供的Ⅰ級(jí)粉煤灰，燒失量4.8%，SO3含量1.0%;廢玻璃為綠色廢棄鋼化玻璃;自來水.

1.2? ?試驗(yàn)方案與測定結(jié)果

1.2.1? 廢玻璃粉粒度測定

將廢棄鋼化玻璃清洗干燥后進(jìn)行破碎，破碎后的玻璃顆粒粒徑為1～2 cm，然后在球磨機(jī)中粉磨廢棄玻璃顆粒，制備過程如圖1所示.設(shè)計(jì)廢棄玻璃粉的研磨時(shí)間分別為2 h、4 h、6 h，不同時(shí)間段的玻璃粉的粒度分布見圖2.

由圖2分析可知，廢玻璃粉粉磨時(shí)間為2 h、4 h、6 h時(shí)，玻璃粉的粒徑分布相差不大，玻璃粉最大粒徑均小于85 μm，粉磨 2 h、4 h及6 h的玻璃粉平均粒徑分別為9.299 μm、10.180 μm、9.467 μm，這說明機(jī)械粉磨時(shí)間在一定范圍內(nèi)對廢玻璃粉細(xì)度的增加影響不大，無法通過進(jìn)一步研磨來提高廢玻璃粉的活性，甚至可能由于顆粒過細(xì)而產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象導(dǎo)致平均粒徑增大.從節(jié)約成本的角度考慮，選用粉磨時(shí)間為2 h的玻璃粉作為試驗(yàn)用材.

1.2.2? ?廢玻璃粉混凝土的制備與測試

按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55—2011）[9]進(jìn)行基準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，以廢玻璃粉作為摻合料替代部分水泥摻入到混凝土中，替代量分別為膠凝材料質(zhì)量的10%、20%、30%、40%.為了探究玻璃粉與粉煤灰復(fù)摻對混凝土性能的影響，在以上廢玻璃粉摻入量為20%的混凝土中摻入粉煤灰，粉煤灰替代水泥用量分別為膠凝材料質(zhì)量的10%、15%、20%、25%.試驗(yàn)用配合比見? ? ?表1，水膠比均為0.55.表1中編號(hào)方法如下：CC為基準(zhǔn)混凝土;GC-a為用玻璃粉替代部分水泥的混凝土，其中a表示玻璃粉替代量為膠凝材料質(zhì)量的a%;GFC-b為玻璃粉與粉煤灰復(fù)摻的混凝土，其中b表示粉煤灰替代水泥用量為膠凝材料總質(zhì)量的b%.

參照文獻(xiàn)[10]，測試新拌混凝土的坍落度，參照文獻(xiàn)[11]，測試150 mm×150 mm×150 mm立方體混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，測試齡期為7 d、28 d，測試結(jié)果見表2.

2? ? 結(jié)果分析與討論

2.1? ?玻璃粉摻量對混凝土和易性的影響

根據(jù)表2混凝土坍落度的測定數(shù)據(jù)，在不同廢玻璃粉摻量下，混凝土坍落度的變化見圖3.由圖3可知，隨著廢玻璃粉摻量的增加，混凝土的坍落度值呈減小的趨勢，并逐漸趨于平緩，當(dāng)廢玻璃粉摻量達(dá)40%時(shí)，混凝土的坍落度值相較于廢玻璃粉摻量為30%的混凝土還略有提升.玻璃粉對坍落度的影響可以從兩個(gè)方面考慮：1）廢玻璃粉表面光滑，吸水率低，以替代水泥的方式摻入混凝土后，可提高體系的有效水灰比，從而改善混凝土拌合物的流動(dòng)性[12];2）廢玻璃粉的微觀形態(tài)呈不規(guī)則的棱角狀、薄片狀，長寬比大，顆粒之間易產(chǎn)生摩擦，對漿體的流動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，從而降低混凝土的流動(dòng)性[13].當(dāng)玻璃粉摻量較低時(shí)，混凝土的流動(dòng)性主要受不規(guī)則棱角狀的玻璃顆粒形態(tài)影響，坍落度值降低;隨著玻璃粉摻量的增加，體系有效水灰比增大，混凝土中的自由水增多，此時(shí)對拌合物流動(dòng)性的促進(jìn)作用逐漸占據(jù)一定的地位，使得混凝土的坍落度逐漸趨于平緩，降低幅度逐漸減小.但從本試驗(yàn)的總體結(jié)果上看，廢玻璃粉的非吸水性表面還不足以彌補(bǔ)由于形狀不規(guī)則而造成的混凝土坍落度損失，因此，廢玻璃粉摻量范圍在10%～40%時(shí)，混凝土的坍落度值仍低于基準(zhǔn)混凝土.

2.2? ?玻璃粉摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

玻璃粉摻量與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示.由圖4分析可知，摻廢玻璃粉混凝土的7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但隨著齡期的發(fā)展，玻璃粉摻量變化所帶來的對混凝土抗壓強(qiáng)度的不利影響減弱.當(dāng)玻璃粉摻量為10%、20%、30%、40%時(shí)，混凝土7 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了7.68%、17.06%、26.94%、40.01%，混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了4.49%、3.53%、8.20%、19.92%.這是由于玻璃粉的摻入使得體系中的水泥熟料減少，水泥水化速率降低，生成的水化產(chǎn)物數(shù)量較少，體系結(jié)構(gòu)不密實(shí)，從而影響混凝土強(qiáng)度的發(fā)展.但隨著齡期的增加，混凝土強(qiáng)度的下降趨勢減緩，在28 d齡期時(shí)，玻璃粉摻量為20%的混凝土的抗壓強(qiáng)度甚至高于玻璃粉摻量為10%的混凝土，因此，認(rèn)為玻璃粉早期的火山灰活性并不強(qiáng)，不能有效參與水化反應(yīng)，而在后期其活性逐漸發(fā)揮作用，玻璃粉中的活性組分與水化產(chǎn)物中的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，越來越多的玻璃粉參與到水化反應(yīng)中，改善了膠凝體系的孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝土內(nèi)部的密實(shí)度，進(jìn)而使混凝土的抗壓強(qiáng)度得到彌補(bǔ).然而，當(dāng)廢玻璃粉摻量過大達(dá)40%時(shí)，其對混凝土28 d齡期內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)勢并不明顯，玻璃粉大摻量下對混凝土長齡期強(qiáng)度的影響有待進(jìn)一步研究.

2.3? ?復(fù)摻粉煤灰對廢玻璃混凝土和易性的影響

粉煤灰作為固體廢棄物的一種，在水泥基材料中常被用作礦物摻合料使用以改善混凝土的性能[14-15].圖5顯示了粉煤灰摻量對玻璃粉混凝土流動(dòng)性的影響.由圖5分析可知，對于摻玻璃粉的混凝土，當(dāng)粉煤灰摻量在15%以內(nèi)時(shí)，混凝土的坍落度變化不大，僅略有降低，摻量為10%、15%時(shí)坍落度分別降低了2.63%和10.53%;當(dāng)粉煤灰摻量為20%～25%時(shí)，玻璃粉混凝土的坍落度增長幅度較大，和易性得到明顯改善，摻量為20%、25%時(shí)坍落度分別提高了60.53%和73.68%.這是由于粉煤灰中含有大量的球狀玻璃體，表面光滑，具有良好的形態(tài)效應(yīng)，在混凝土的拌合物中可以起到潤滑作用，從而在一定程度上改善混凝土的和易性.在廢玻璃混凝土中，當(dāng)粉煤灰摻量較低時(shí)，由于玻璃粉棱角多，表面粗糙，粉煤灰對減小顆粒間內(nèi)摩阻力的作用不明顯;而當(dāng)粉煤灰摻量較多時(shí)，其形態(tài)效應(yīng)發(fā)揮優(yōu)勢，減小了顆粒間的摩擦，起到了滾珠潤滑作用，而且粉煤灰顆粒與水泥顆粒、玻璃粉顆粒形成較好的微級(jí)配關(guān)系，降低了孔隙填充水的需求，置換出了更多的自由水，同時(shí)由于粉煤灰密度低于水泥密度，同等質(zhì)量替代水泥的情況下，粉煤灰體積大于水泥體積，當(dāng)粉煤灰摻量高于15%時(shí)，促使體系中膠凝材料漿體增多，從而顯著提高廢玻璃粉混凝土的流動(dòng)性.因此，在一定摻量范圍內(nèi)，粉煤灰與玻璃粉復(fù)摻對混凝土的工作性具有極大的改善作用，從而彌補(bǔ)由于廢玻璃粉單摻對混凝土拌合物流動(dòng)性的不利影響.

2.4? ?復(fù)摻粉煤灰對廢玻璃混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

粉煤灰的化學(xué)組分和玻璃粉十分相似，作為礦物摻合料同樣具有潛在的火山灰活性[16-17]，同時(shí)具備良好的微集料效應(yīng).粉煤灰摻量對廢玻璃粉混凝土抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系如圖6所示.從圖6可以看出，隨著粉煤灰摻量的增多，廢玻璃粉混凝土7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢.當(dāng)粉煤灰摻量為10%、15%、20%、25%時(shí)，玻璃粉混凝土7 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了18.41%、28.50%、32.63%、36.29%，28 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了14.52%、24.31%、27.13%、29.50%.從試驗(yàn)結(jié)果上看，粉煤灰的活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)并不明顯，其摻入對玻璃粉混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了不利影響，但隨著齡期的增長，這種不利影響有減弱趨勢.分析其原因，主要是由于粉煤灰的摻入進(jìn)一步減少了水泥的用量，使得生成的水化產(chǎn)物量降低，對混凝土的密實(shí)度造成了不利影響，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低.而由于粉煤灰二次水化作用的齡期效應(yīng)，使得在后期廢玻璃粉混凝土的強(qiáng)度下降幅度有所減弱.總體而言，該試驗(yàn)結(jié)果表明在一定齡期內(nèi)，粉煤灰與玻璃粉的復(fù)摻不足以改善混凝土的力學(xué)性能，相對于玻璃粉單摻體系，復(fù)摻體系的水化活性相對較弱，影響復(fù)摻體系強(qiáng)度的因素較多，粉煤灰與玻璃粉兩者的交互影響作用還有待進(jìn)一步研究探索.

3? ? 結(jié)論

1）廢玻璃粉替代水泥摻量在40%以內(nèi)時(shí)，無法有效改善新拌混凝土的和易性，隨著玻璃粉摻量的增加，混凝土的坍落度值逐漸減小并趨于平緩.

2）摻玻璃粉混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)混凝土，玻璃粉早期活性效應(yīng)不明顯，但隨著齡期的增加，火山灰活性逐漸被激發(fā)，促進(jìn)膠凝體系發(fā)生二次水化反應(yīng)，對混凝土抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響逐漸減弱.廢玻璃粉摻量在10%～20%時(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相差不大，廢玻璃粉在混凝土中的摻量建議為10%～20%.

3）當(dāng)粉煤灰摻量在20%～25%時(shí)，廢玻璃粉混凝土的和易性得到明顯改善.

4）粉煤灰摻量越多，廢玻璃粉混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度下降幅度越大，說明粉煤灰與玻璃粉的復(fù)摻對混凝土強(qiáng)度的不利影響較為明顯.

5）利用廢玻璃粉取代水泥作為混凝土的摻合料可行，廢玻璃粉混凝土早期水化較慢，在大體積混凝土中具有良好的應(yīng)用前景.

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