廢棄玻璃在混凝土中的應(yīng)用研究及探討

袁雪蓮，胡杰

（1.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；2.馬鞍山中鑫工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

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廢棄玻璃在混凝土中的應(yīng)用研究及探討

袁雪蓮1，胡杰2

（1.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000；2.馬鞍山中鑫工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

文章綜述了國內(nèi)外廢棄玻璃用于混凝土的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，指出目前研究的匱乏以及限制其應(yīng)用的堿骨料反應(yīng)問題，提出了可能的預(yù)防措施及今后的研究方向，認為廢棄玻璃作為混凝土細骨料及摻合料均是可行的，堿骨料反應(yīng)的發(fā)生與玻璃粒徑有密切關(guān)系，磨細的玻璃粉能一定程度地抑制堿骨料反應(yīng)，并探討了廢玻璃用于堿膠凝材料的可行性。

廢棄玻璃；堿骨料反應(yīng)；膨脹；混凝土

1　概述

在城市垃圾中，廢棄玻璃占有很大比例。中國城市固體廢料中有6%～11%為廢玻璃[1]，全球固體廢渣中有7%為廢玻璃[2]。將大量的廢玻璃棄之不用，既占用寶貴的土地，又污染環(huán)境。

在玻璃制造業(yè)，廢玻璃的再利用可以降低生產(chǎn)能耗、減少原料消耗，但要求再利用之前按顏色分選，同時要去除玻璃上的粘膠、標(biāo)簽及容器內(nèi)的殘留物等雜質(zhì)，因此廢玻璃常因雜質(zhì)、混色和成本等方面的原因，不能順利地用于生產(chǎn)新玻璃，其再利用能力有限。

我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模空前，天然集料日益短缺。玻璃的主要化學(xué)成分為SiO2、CaO、Na2O、Al2O3，與天然砂性質(zhì)相似，經(jīng)破碎后具有天然砂的物理性能?；炷翆ΣＡь伾珱]有苛刻要求，允許雜質(zhì)含量有一定的波動，玻璃的前期處理成本相對較低。另外，混凝土是大綜土木工程材料，再利用量大，將廢玻璃用于工程材料中是大量處理廢玻璃的最佳途徑。因此在廢舊玻璃排放量日益增加的形勢下，研究將廢棄玻璃替代天然集料來配制混凝土的思想，符合可持續(xù)發(fā)展的宏觀經(jīng)濟戰(zhàn)略。

2　廢玻璃在混凝土中的研究概況

2.1廢玻璃用作混凝土骨料的研究

廢玻璃用作骨料時，若粒徑大于3mm，操作很困難，必須使用厚手套，且拌和時容易發(fā)生斷裂；當(dāng)粒徑低于2.5mm，外觀上已經(jīng)看不出來是玻璃，而是有棱有角的不規(guī)則形狀。因此，從混凝土的易操作性和工作性考慮，廢玻璃適宜用作細骨料。

上世紀(jì)60年代西方發(fā)達國家開始了用廢棄玻璃作混凝土骨料的研究，但混凝土均出現(xiàn)了堿骨料反應(yīng)膨脹破壞，而當(dāng)時對堿骨料反應(yīng)的機理和抑制措施的研究還處于起步階段，這導(dǎo)致廢玻璃用于混凝土的研究幾乎陷入停滯[3]。到了90年代，西方發(fā)達國家開展了新一輪將廢玻璃用于混凝土的研究熱潮，并取得了許多可用于實踐的研究成果。美國哥倫比亞大學(xué)系統(tǒng)的開展了將廢玻璃骨料應(yīng)用于預(yù)制混凝土制品的專題研究，并批量生產(chǎn)了相應(yīng)的拋光預(yù)制玻璃混凝土墻面磚[4]～[5]。美國巴爾的摩最先使用玻璃瀝青混凝土作為路面材料，其優(yōu)良性能和耐久性令設(shè)計者本身都感到驚訝。

然而，目前國內(nèi)外還沒有形成一套關(guān)于玻璃作為細骨料能滿足混凝土基本性能的具體標(biāo)準(zhǔn)，究其原因，依舊是堿骨料反應(yīng)這一難題。因此，如何更有效地控制堿骨料反應(yīng)成為玻璃混凝土發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2玻璃用于混凝土中的堿骨料反應(yīng)問題

由于玻璃中含有大量活性的二氧化硅和堿，將廢玻璃用于混凝土中可能會引起堿骨料反應(yīng)導(dǎo)致膨脹破壞。然而，近年來的研究表明，廢玻璃摻入混凝土中會否產(chǎn)生ASR膨脹破壞受諸多因素的影響，目前研究最多的是玻璃粒徑大小和摻量的影響。Jin Weihua[6]等人在研究中指出，白玻璃和棕玻璃骨料均存在最差粒徑，分別為1.19mm～2.38和2.38mm～4.76mm，綠色玻璃不存在最差粒徑。當(dāng)玻璃粒徑逐漸減少靠近最差粒徑時，膨脹值逐漸增大，當(dāng)為最差粒徑時，膨脹值達到最大值，當(dāng)玻璃粒徑再減少時，膨脹值又會繼續(xù)減少。因此，若玻璃粒徑足夠小，堿骨料反應(yīng)的程度會減小甚至不發(fā)生。

推測其原因主要在于：通過破碎、研磨等方式使粒徑小到一定程度會使玻璃產(chǎn)生一系列物理化學(xué)變化，如比表面積增大、無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解體、化學(xué)鍵斷裂等，從而玻璃自身含有的二氧化硅化學(xué)活性得到提高，在水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2的激發(fā)下，生成C-S-H凝膠，C-S-H凝膠不會吸水膨脹，可以提高強度和密實度，同時對堿有很強的吸收能力，使后續(xù)的堿骨料反應(yīng)因缺少堿離子的參與而反應(yīng)程度降低甚至無法進行。因此，在混凝土中使用粒徑足夠小的玻璃時，混凝土不會產(chǎn)生堿骨料破壞。這一發(fā)現(xiàn)為解決玻璃混凝土的堿骨料反應(yīng)問題提供了一個很好的出路。

2.3廢玻璃用作混凝土摻合料的研究

由于在混凝土中使用粒徑足夠小的玻璃時，混凝土不會產(chǎn)生堿骨料破壞，所以將磨細的玻璃粉用作混凝土摻合料是可行的。這方面的研究在國內(nèi)開展較少，國外有不少學(xué)者對其進行過研究工作。

加拿大McGill大學(xué)的ShaoY[7]等人在研究中指出：把150～75μ m、75～38μ m、38μ m以下這3種粒徑的玻璃微粉作為火山灰組分按30%摻量添加到混凝土中，結(jié)果顯示：摻有38μ m以下玻璃微粉的試樣抗壓強度滿足7d測試的最低要求，90d時已超過基準(zhǔn)混凝土；150μ m的則遠低于7d測試的最低要求，原因在于其粒徑太大達不到火山灰材料的要求；75μ m的7d要求沒有達標(biāo)，但28d強度達到了測試要求。而與粉煤灰的對比中，摻有玻璃粉的試樣早期強度和后期強度均比摻粉煤灰的高。Shi C[8]等人在2005年發(fā)表的研究成果也支持了這一說法，認為磨細到50μ m以下的玻璃粉添加到混凝土中會表現(xiàn)出一定的火山灰活性，其試樣強度遠超含有粉煤灰的，且強度發(fā)展趨勢驚人。

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另外，上面曾提到過綠色玻璃沒有最差粒徑，而這一現(xiàn)象被認為與綠色玻璃中所含的使其呈現(xiàn)綠色的Cr2O3有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把Cr2O3作為外加劑直接添加到混凝土中，會促進堿骨料反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致膨脹的增加，而將Cr2O3作為化工原料加入玻璃中，卻能起到抑制堿骨料反應(yīng)的作用[9]。這一現(xiàn)象支持了Prezzi[10]等人的假設(shè)：由雙電層排斥作用導(dǎo)致的膨脹壓與離子化合價成反比，因此包含Cr3+的膠粒就表現(xiàn)出較小的膨脹性?？梢灶A(yù)見，磨得很細的綠玻璃有可能成為一種廉價的堿集料反應(yīng)抑制劑用于混凝土中，且抑制效果隨其粒徑的減小而增大。在我國廢棄玻璃中綠色啤酒瓶占了相當(dāng)大的比例，這一發(fā)現(xiàn)為綠色廢棄玻璃的回收利用找到了一條新出路。

因此，為了擴大廢玻璃的再利用率，我們可以嘗試把玻璃用作細骨料與玻璃粉用作摻合料相結(jié)合應(yīng)用于混凝土中，以微玻璃粉的火山灰效應(yīng)來抑制玻璃的堿集料反應(yīng)，即廢棄玻璃可以以粗細相結(jié)合的形式用于混凝土中，但應(yīng)該注意的是，作為細骨料的玻璃摻量不宜過大。

3　廢玻璃用于堿激發(fā)膠凝材料中的探討

堿激發(fā)膠凝材料是由具有火山灰活性或潛在水硬性的原料與堿性激發(fā)劑反應(yīng)而成的一類綠色環(huán)保的新型膠凝材料。盡管堿膠凝材料與傳統(tǒng)水泥相比具有快凝、高強和優(yōu)良的耐熱、耐凍、耐腐蝕性等性能，但其本身也存在許多問題，如收縮較大、易開裂、凝結(jié)時間不好控制等，且其耐久性以及抗變形能力較差。盡管這些問題可以通過一定的方式改善，但是難以達到兩全其美的效果。

目前堿激發(fā)膠凝材料中潛在膠凝材料組分使用較為廣泛的是?；郀t礦渣及粉煤灰，與堿性激發(fā)劑組成堿礦渣水泥或堿礦渣粉煤灰水泥。然而堿礦渣水泥在相同環(huán)境條件下的干縮達到了普通硅酸鹽水泥的1.2～1.9倍[11]，容易引起硬化體開裂，嚴重制約了其應(yīng)用與推廣。近年來，開始有學(xué)者把膨脹劑與堿礦渣水泥結(jié)合使用，但是膨脹劑的使用效果受到諸多因素的影響，質(zhì)量難以得到保障，因此，一些早就開發(fā)出膨脹劑的國家，如日本、法國等都只在接縫處理、灌漿時才使用，而不允許用于結(jié)構(gòu)混凝土中。

基于玻璃混凝土以及堿礦渣水泥的特性，可以嘗試把廢棄玻璃用于堿礦渣水泥基材料中。堿骨料的早期膨脹值不大，可以使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，14d以后，反應(yīng)繼續(xù)進行，生成的ASR膠體進一步膨脹，且膨脹上升幅度逐漸增大，而堿礦渣水泥應(yīng)用的主要問題是后期收縮較為嚴重，若把二者結(jié)合起來使用，以玻璃的堿骨料膨脹來減少或補償堿礦渣水泥所引起的收縮，則有可能既減輕后期的堿骨料膨脹，又能解決堿礦渣水泥的收縮問題，使得后期強度得到保證。目前國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究極少，尚有待進行深入的研究。

4　結(jié)論與展望

廢玻璃作為一種資源，將其用于建筑材料中是大量處理廢玻璃的最佳途徑。通過以上分析可以得出以下結(jié)論。

①廢玻璃用作混凝土的細骨料以及礦物摻合料均是可行的。

②玻璃粒徑大小對混凝土堿骨料反應(yīng)的影響十分顯著，如能將玻璃磨細至50μ m以下，堿骨料反應(yīng)引起的破壞通常可以避免。

③可以嘗試粗細結(jié)合的形式把玻璃用作細骨料與玻璃粉用作摻合料相結(jié)合用于混凝土中，以玻璃粉的火山灰效應(yīng)來抑制玻璃的堿骨料反應(yīng)。

④磨得很細的綠玻璃有可能成為一種廉價的堿骨料反應(yīng)抑制劑，且抑制效果隨其粒徑的減小而增大。

⑤廢棄玻璃用于堿激發(fā)膠凝材料具有一定的可行性，可以嘗試以玻璃的堿骨料膨脹來減少或補償一般堿膠凝材料所存在的收縮問題。

在當(dāng)前倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展觀、加快建設(shè)節(jié)約型社會和鼓勵發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的背景下，我國應(yīng)充分吸取發(fā)達國家的成功經(jīng)驗，加快研究步伐。今后在廢玻璃混凝土的研究中，應(yīng)對以下方面作進一步探討：

①廢玻璃混凝土其它性能的研究，特別是微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系、耐久性等的研究；

②惟有較好地解決堿集料反應(yīng)這一問題，玻璃混凝土才有可能更廣泛應(yīng)用，應(yīng)努力尋找多元化的途徑進一步解決該問題；

③確定適用于玻璃混凝土的新的評價方法和評價指標(biāo)。

[1]劉連新.利用廢玻璃研制輕粗骨料及輕混凝土[J].新型建筑材料，2002 （2）：16-17.

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TU528.59

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1007-7359(2016)03-0245-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.089

袁雪蓮（1987-），女，廣東云浮人，畢業(yè)于河海大學(xué)，碩士；助教，主要從事土木工程方面的教學(xué)工作。