廢玻璃粉再生細(xì)骨料混凝土的性能研究★

楊 震 李 雪 高海杰 王少軒 楊 洋 郭光玲 薛麗皎

(陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,陜西 漢中 723001)

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速，廢玻璃產(chǎn)量日益增加。我國每年城市的廢棄玻璃約450萬t～750萬t，占城市生活垃圾總量的3%～5%。這些廢棄玻璃部分被重新加工成新玻璃，因?yàn)榧庸さ某杀景嘿F，利用率低，大部分作為垃圾被丟棄[1]。但廢玻璃可以作為再生資源加以綜合利用，既可以減少土地資源浪費(fèi)、保護(hù)環(huán)境，又可以節(jié)約資源與能源實(shí)現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。廢玻璃混凝土試件早期強(qiáng)度雖低，但后期強(qiáng)度較高，性能較好，可直接用作混凝土骨料[2]。本實(shí)驗(yàn)以廢玻璃代替部分天然細(xì)骨料，研究再生廢玻璃混凝土的力學(xué)性能，旨在為實(shí)際工程提供理論基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1)水泥：采用中材漢江水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)水泥。

2)粗骨料：采用天然碎石(粒徑4.5 mm～20 mm)進(jìn)行篩分，連續(xù)級(jí)配，其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 粗骨料的相關(guān)參數(shù)

3)天然細(xì)骨料：采用天然河砂，粒徑為0.15 mm～4.75 mm,連續(xù)級(jí)配。

4)廢玻璃粉：將回收的廢玻璃瓶、有機(jī)玻璃等進(jìn)行清洗后，采用人工、機(jī)械粉碎的方法將其粉碎至所需粒徑，利用0.15 mm～4.75 mm篩網(wǎng)進(jìn)行篩選，篩出所需粒徑的廢玻璃粉作為再生細(xì)骨料，玻璃粉再生細(xì)骨料的密度見表2，玻璃粉的含水率忽略。

表2 玻璃粉再生細(xì)骨料的密度 kg/m3

5)粉煤灰：在混凝土中摻加粉煤灰既可節(jié)約水泥，減少用水量及水化熱，改善混凝土和易性等[3]，也可防止廢玻璃混凝土的堿骨料反應(yīng)。粉煤灰采用陜西略陽嘉陵發(fā)電有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 Ⅱ級(jí)粉煤灰技術(shù)參數(shù) %

6)水:采用普通自來水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)利用控制單一變量的方法進(jìn)行研究，采用一定強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)基本配合比，在此基礎(chǔ)上，利用提前粉碎好的廢玻璃粉按不同取代率取代天然砂，此次試驗(yàn)共試配五種不同取代率下的廢玻璃再生細(xì)骨料混凝土試件，研究其和易性、強(qiáng)度等性能。

本次試驗(yàn)配合比按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》設(shè)計(jì)，其水灰比0.53、單位用水量195 kg/m3、砂率35%、坍落度35 mm～50 mm，粉煤灰按照等量取代，取用量為水泥的30%。

采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土試模和100 mm×100 mm×300 mm棱柱體混凝土試模制作試塊，試件的制作嚴(yán)格按照GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)5組，每組100 mm×100 mm×100 mm試塊12塊、共計(jì)60塊；每組100 mm×100 mm×300 mm試塊3塊，共計(jì)15塊。試件養(yǎng)護(hù)按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)試廢玻璃再生細(xì)骨料混凝土3 d,7 d,28 d等齡期的立方體抗壓強(qiáng)度和長方體抗壓強(qiáng)度，其配合比設(shè)計(jì)見表4。

表4 廢玻璃再生細(xì)骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拌合物的和易性分析

廢玻璃再生細(xì)骨料混凝土和易性測(cè)試采用坍落度法,其結(jié)果如表4所示,由表4可知,廢玻璃再生細(xì)骨料混凝土工作性能滿足要求，當(dāng)粉煤灰摻量較少時(shí)，填充作用明顯，摻量超過一定閾值時(shí)，表面能增加引起的親水作用占主導(dǎo)，填充水需求量反而增大，導(dǎo)致流動(dòng)性降低[4]；施工條件方面：試驗(yàn)時(shí)間在冬季，室內(nèi)氣溫較低，對(duì)混凝土的流動(dòng)性有一定影響。

2.2 強(qiáng)度分析

在混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d,7 d,28 d后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果記錄如表5所示。

表5 不同齡期下廢玻璃再生細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.2.1廢玻璃粉取代率

廢玻璃粉取代率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖1，圖2所示，從圖1可以看出：廢玻璃取代率對(duì)混凝土強(qiáng)度有較大影響，以未摻入廢玻璃的普通混凝土為參照組進(jìn)行對(duì)比，即0%因廢玻璃的取代率的不同，摻入廢玻璃混凝土的強(qiáng)度在普通混凝土的強(qiáng)度上下波動(dòng)。取代率不超過30%，隨著廢玻璃取代率的增加，廢玻璃混凝土強(qiáng)度逐漸增加，但是當(dāng)廢玻璃取代率超過30%時(shí)，其強(qiáng)度有所下降，從中反映出混凝土的強(qiáng)度并不是隨取代率的增加而持續(xù)增加，有一個(gè)最適取代率。從折線圖中可以得出取代率在30%時(shí)強(qiáng)度最高，取代率在20%和50%時(shí)混凝土強(qiáng)度有所提高，較普通混凝土強(qiáng)度高。

從圖2可以看出：取代率在不超過30%時(shí)，廢玻璃混凝土強(qiáng)度較普通混凝土強(qiáng)度有所增加，取代率超過30%以后，廢玻璃混凝土強(qiáng)度有所下降。其齡期3 d，7 d的混凝土長方體抗壓強(qiáng)度在取代率為20%較高；當(dāng)齡期為28 d時(shí)，取代率為20%的混凝土長方體試塊強(qiáng)度不及取代率30%時(shí)高。其原因分析:各齡期下廢玻璃混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度與廢玻璃代砂率具有相關(guān)性，且隨著廢玻璃代砂率的增加廢玻璃混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度是減少的[6]。

2.2.2粉煤灰等量取代水泥

粉煤灰顆粒呈多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，具有較高的吸附活性，顆粒范圍為0.5 μm～300 μm孔隙率高達(dá)50%～80%，有很強(qiáng)的吸水性。粉煤灰在混凝土中的作用，主要有形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)。形態(tài)效應(yīng)：粉煤灰的主要礦物組成是鋁硅酸鹽玻璃珠和海綿體(包括球狀顆粒、不規(guī)則碎屑顆粒的黏連體)，球狀玻璃體如同玻璃球一般，質(zhì)地致密，表面光滑，粒度細(xì)內(nèi)比表面積小，對(duì)水的吸附力小，因此我們可以把粉煤灰當(dāng)作滾軸來考慮，它有效的減少了混凝土之間的內(nèi)摩擦[7]。這些物理特性，不僅使水泥漿需水量減小，顯著地改善了混凝土的工作性，流動(dòng)性也會(huì)相對(duì)增加，填充作用使硬化混凝土的密實(shí)性得到改善；火山灰效應(yīng)：粉煤灰中的SiO2和Al2O3等于石灰或水泥水化產(chǎn)物在有水存在的情況下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等物質(zhì)的能力。粉煤灰的火山灰反應(yīng)滯后于水泥熟料的水化，上述這些反應(yīng)的產(chǎn)物填充于水泥水化產(chǎn)物的孔隙中，大大降低混凝土內(nèi)部的孔隙率，導(dǎo)致孔徑細(xì)比?？讖郊?xì)比和粒徑細(xì)化均能改善孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土粘結(jié)作用。微集料效應(yīng)：粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布于水泥漿的基相之中，阻止了水泥顆粒的相互粘聚，起到了分散和潤滑作用，打破了水泥漿的絮狀結(jié)構(gòu)，有助于混凝土的改善，有利于混合物的水化反應(yīng)，同時(shí)，粉煤灰還可以彌補(bǔ)混凝土中細(xì)粉料的增加，也使?jié){體體積增加，改善了混凝土的粘聚，抑制了混凝土離析泌水現(xiàn)象，粉煤灰顆粒形態(tài)和親水性，球狀玻璃體可以吸附一層水膜，即粉煤灰有良好的保水性，有利于混凝土需水量的減少，還有助于混凝土中空隙和毛細(xì)孔的填充和細(xì)化。

3 結(jié)語

通過研究廢玻璃粉再生細(xì)骨料混凝土的和易性和強(qiáng)度，得出以下結(jié)論：1)通過廢玻璃代替細(xì)骨料其混凝土強(qiáng)度可以滿足建筑要求，廢玻璃混凝土強(qiáng)度較普通混凝土強(qiáng)度高。2)本次實(shí)驗(yàn)研究可以得出摻入廢玻璃的混凝土，在取代率不超過30%時(shí)，混凝土強(qiáng)度隨取代率的增大而增加，當(dāng)取代率超過30%時(shí)，混凝土強(qiáng)度隨取代率的增大而降低。本次試驗(yàn)所取取代率間隔略大，可以得出最佳取代率在20%～30%之間。廢玻璃混凝土的坍落度較普通混凝土坍落度略大。