廢玻璃粉對混凝土力學(xué)性能的影響試驗研究

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度，但其后期火山灰活性效應(yīng)增強，玻璃粉摻量為10%～20%的混凝土28 d抗壓強度接近基準(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的強度均呈減小趨勢，摻量為20%～25%時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：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、堅固耐用等優(yōu)點被廣泛應(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)過程中會產(chǎn)生大量的噪聲、水體、空氣污染，同時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意義.

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(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能源，破壞生態(tài)環(huán)境.而隨著人們環(huán)保意識的增強，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理及性能影響進行了深入研究，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，活性越高.Liu等[6]的研究也認為粒徑小于20 μm的顆粒對玻璃粉活性指數(shù)的貢獻較大，3～10 μm顆粒對砂漿的后期強度影響最大.同時有研究發(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制尚不明確，如何進行具體的應(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、能源浪費問題，同時為廢玻璃粉混凝土應(yīng)用于實際工程提供理論支撐.

1? ? 試驗

1.1? ?試驗原材料

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)級配，最大粒徑為25 mm;河南華電集團提供的Ⅰ級粉煤灰，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行破碎，破碎后的玻璃顆粒粒徑為1～2 cm，然后在球磨機中粉磨廢棄玻璃顆粒，制備過程如圖1所示.設(shè)計廢棄玻璃粉的研磨時間分別為2 h、4 h、6 h，不同時間段的玻璃粉的粒度分布見圖2.

由圖2分析可知，廢玻璃粉粉磨時間為2 h、4 h、6 h時，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，這說明機械粉磨時間在一定范圍內(nèi)對廢玻璃粉細度的增加影響不大，無法通過進一步研磨來提高廢玻璃粉的活性，甚至可能由于顆粒過細而產(chǎn)生團聚現(xiàn)象導(dǎo)致平均粒徑增大.從節(jié)約成本的角度考慮，選用粉磨時間為2 h的玻璃粉作為試驗用材.

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)計規(guī)程》（JGJ55—2011）[9]進行基準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計，設(shè)計強度等級為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%.試驗用配合比見? ? ?表1，水膠比均為0.55.表1中編號方法如下：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[10]，測試新拌混凝土的坍落度，參照文獻[11]，測試150 mm×150 mm×150 mm立方體混凝土試塊的抗壓強度，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40%時，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，對漿體的流動產(chǎn)生阻礙作用，從而降低混凝土的流動性[13].當(dāng)玻璃粉摻量較低時，混凝土的流動性主要受不規(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，此時對拌合物流動性的促進作用逐漸占據(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，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度的影響

玻璃粉摻量與混凝土抗壓強度的關(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的抗壓強度均低于基準(zhǔn)混凝土的抗壓強度，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度的不利影響減弱.當(dāng)玻璃粉摻量為10%、20%、30%、40%時，混凝土7 d的抗壓強度分別下降了7.68%、17.06%、26.94%、40.01%，混凝土28 d的抗壓強度分別下降了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，從而影響混凝土強度的發(fā)展.但隨著齡期的增加，混凝土強度的下降趨勢減緩，在28 d齡期時，玻璃粉摻量為20%的混凝土的抗壓強度甚至高于玻璃粉摻量為10%的混凝土，因此，認為玻璃粉早期的火山灰活性并不強，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)部的密實度，進而使混凝土的抗壓強度得到彌補.然而，當(dāng)廢玻璃粉摻量過大達40%時，其對混凝土28 d齡期內(nèi)的補強優(yōu)勢并不明顯，玻璃粉大摻量下對混凝土長齡期強度的影響有待進一步研究.

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，混凝土的坍落度變化不大，僅略有降低，摻量為10%、15%時坍落度分別降低了2.63%和10.53%;當(dāng)粉煤灰摻量為20%～25%時，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，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，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，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，從而彌補由于廢玻璃粉單摻對混凝土拌合物流動性的不利影響.

2.4? ?復(fù)摻粉煤灰對廢玻璃混凝土抗壓強度的影響

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的抗壓強度均呈下降趨勢.當(dāng)粉煤灰摻量為10%、15%、20%、25%時，玻璃粉混凝土7 d的抗壓強度分別下降了18.41%、28.50%、32.63%、36.29%，28 d的抗壓強度分別下降了14.52%、24.31%、27.13%、29.50%.從試驗結(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，對混凝土的密實度造成了不利影響，導(dǎo)致混凝土強度降低.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度下降幅度有所減弱.總體而言，該試驗結(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，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)，促進膠凝體系發(fā)生二次水化反應(yīng)，對混凝土抗壓強度的負面影響逐漸減弱.廢玻璃粉摻量在10%～20%時混凝土的28 d抗壓強度與基準(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，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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