玻璃粉對再生混凝土力學性能的影響

楊震櫻，周長順

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學院建筑與設計藝術(shù)學院,紹興 312000;2.紹興文理學院元培學院，紹興 312000;3.中南大學土木工程學院，長沙 430100)

0 引 言

在過去幾年，由于受到資源短缺和能源危機的影響，人們對固體廢棄物的認識逐漸加深，對固體廢棄物的處理開始向資源化利用的方向發(fā)展。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，玻璃被廣泛應用于建筑、化工、科學研究等領(lǐng)域,在如今的工業(yè)化發(fā)展進程中扮演著越來越重要的角色；但這也導致廢玻璃的數(shù)量日益劇增。聯(lián)合國統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全球固體廢渣中7%為廢玻璃[1]，歐美發(fā)達國家廢玻璃占城市垃圾總量的4%～8%。如何合理利用廢玻璃資源，已成為全球關(guān)注的熱點[2-3]。為了改善廢玻璃對環(huán)境的影響，研究人員試圖將其作為輔助膠凝材料代替水泥基材料中的水泥。有研究表明，當玻璃粉(GP)粒徑小于38 μm時，具有良好的火山灰活性[4]。Wang等[5]發(fā)現(xiàn)，GP的摻入改善了水泥漿的孔隙結(jié)構(gòu)，使基體變得更加致密，增強了界面的粘結(jié)性。Ez-Zaki等[6]指出，當GP的摻量為40%(質(zhì)量分數(shù))時，砂漿的抗壓強度提高約50%。Omran等[7-9]在相應的混凝土試驗中也得到相似的結(jié)論，GP代替20%(質(zhì)量分數(shù))水泥可提高混凝土后期的力學性能。Nassar和Soroushian[10]提出微米級GP在改善再生骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)和界面過渡區(qū)方面具有令人滿意的結(jié)果，這與Wang等[5]的研究結(jié)果相同。

再生混凝土是一種綠色混凝土，它的使用能夠避免廢棄骨料填埋所造成的土地資源浪費，具有良好的生態(tài)、經(jīng)濟和社會意義[11]。然而，與普通混凝土相比，再生混凝土的骨料表面存在新、舊兩個界面過渡區(qū)[12-13]，界面的多樣性和非均勻性導致受壓時產(chǎn)生應力集中，會降低再生混凝土的力學性能。肖建莊[14]和Huda[15]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著再生骨料取代率增加，再生混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢。Limbachiya[16]和Xiao[17]等研究結(jié)果顯示，再生骨料取代率50%(質(zhì)量分數(shù))以上對再生混凝土抗壓強度的不利影響較大，全骨料取代再生混凝土的抗壓強度降低約20%～40%。胡瓊等[18]發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強度隨再生細骨料的加入而降低。但有大量研究表明，礦物摻合料具有微集料填充和火山灰反應雙重效應，可以有效提高再生混凝土的力學性能。

目前，關(guān)于GP作為礦物摻合料對再生混凝土力學性能系統(tǒng)的研究報道較少。因此，本文研究了不同摻量的GP取代水泥對再生混凝土抗壓強度、劈拉強度、彈性模量的影響，并利用MIP和SEM技術(shù)分析了GP對再生混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

本試驗的水泥采用紹興市姚山建材有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。GP由廢棄的石英玻璃，經(jīng)過浸泡、除垢、清洗、晾曬、磨細等工藝制備而成，其粒徑小于150 μm。表1給出了水泥和GP的化學成分。表2給出了粗骨料和細骨料的基本性能參數(shù)。減水劑采用的是聚羧酸高效減水劑(PC)，減水率為25%。實驗用水是自來水。

表1 水泥和GP的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of cement and GP

表2 骨料基本性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of aggregate

1.2 配合比設計

為了研究GP摻量對再生混凝土力學性能的影響，試驗設計了四種不同摻量(0%、5%、10%和20%)的GP取代等質(zhì)量的水泥。再生混凝土的水膠比為0.35，再生粗骨料取代率為50%(質(zhì)量分數(shù))，砂率為0.4?？紤]到再生骨料高吸水率的特點，本試驗根據(jù)公式mw=mc×(ra-rb)(式中：mw為外加水的質(zhì)量；mc為粗骨料的質(zhì)量；ra為吸水率；rb為含水率)可得試樣外加水用量為11.1 kg/m3。表3詳細列出了再生混凝土的設計配合比。

表3 再生混凝土的設計配合比Table 3 Design mix proportion of recycled concrete

1.3 試驗方法

本試驗澆筑了150 mm×150 mm×150 mm和150 mm×150 mm×300 mm兩種不同尺寸的試樣分別用于再生混凝土立方體抗壓強度fcu、劈拉強度fp和彈性模量Ec測試。再生混凝土力學性能試驗參照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測定，試件成型1 d后拆模，立即放至標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，分別測試各組試樣7 d、28 d和90 d的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量。采用日本電子(JEOL)JSM-6360LV儀器對壓碎后的試塊(90 d)進行掃描電子顯微鏡測試；利用美國康塔公司的Quantachrome PoreMaste-60壓汞儀對2～5 mm粒徑的試樣(90 d)進行孔結(jié)構(gòu)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強度

圖1顯示了GP對再生混凝土抗壓強度的影響。從圖1(a)中可以發(fā)現(xiàn)，GP的摻入降低了再生混凝土早期(7 d)的抗壓強度，并且隨著GP摻量的增加，這種降低的趨勢更加顯著，其中含5%、10%和20%(質(zhì)量分數(shù)，下同)GP的試樣與基準組相比分別降低了7.6%、11.4%和18.2%。然而，當養(yǎng)護齡期增長至90 d時，摻入適量的GP有利于提高再生混凝土的抗壓強度，其中C-10%GP試樣的抗壓強度略高于基準組，而C-5%GP試樣也逐漸接近于基準組。與此同時，從圖1(b)中可以發(fā)現(xiàn)，隨著GP摻量的增加，再生混凝土不同齡期的抗壓強度增長率呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，而10%為GP的最佳摻量。由此可知，GP摻入降低了再生混凝土早期的抗壓強度，但提高了不同齡期的抗壓強度增長率，并且適量的GP有利于提高再生混凝土后期的抗壓強度，該結(jié)果與之前的研究結(jié)論相一致[19-21]。

圖1 GP對再生混凝土抗壓強度的影響Fig.1 Effect of GP on compressive strength of recycled concrete

綜上分析，GP對再生混凝土早期抗壓強度的影響主要歸因于，在水泥水化早期，GP火山灰活性較低，僅發(fā)揮了其微集料填充的作用，導致再生混凝土抗壓強度有所降低[22]。而摻入適量的GP提高了再生混凝土后期的抗壓強度，這是因為隨著養(yǎng)護齡期增長，GP的火山灰活性不斷被激發(fā)，大量的SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣(CH)發(fā)生“二次水化”反應，生成更多的水化硅酸鈣(C-S-H)和部分水化鋁酸鈣(C-A-H)，改善了界面過渡區(qū)的密實度[22-25]。同時，未參與反應的GP可以發(fā)揮微集料效應填充再生混凝土中的孔隙，進一步提高抗壓強度。但是，當GP摻量過多時，試樣中水泥含量變少使得水泥水化產(chǎn)生的CH含量降低，導致參與“二次水化”反應所需的GP含量減少，這很大程度上削弱了再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)的密實度。

2.2 劈拉強度

圖2為GP對再生混凝土劈拉強度的影響。由圖2可知，劈拉強度的變化趨勢與抗壓強度相似，含5%、10%、20%GP再生混凝土的早期(7 d)劈拉強度與基準組相比分別降低了7%、10.2%和20%。但隨著齡期增長，適量的GP改善了再生混凝土的劈拉強度，其中C-10%GP試樣90 d的劈拉強度比基準組高了6.8%，而C-5%GP試樣的劈拉強度也略高于基準組。但隨著GP摻量進一步增多，將對再生混凝土的劈拉強度產(chǎn)生不利的影響，C-20%GP試樣不同齡期的劈拉強度均低于基準組。其作用機理與粉煤灰等活性礦物摻合料的相似[26]。由此可知，對于再生混凝土劈拉強度而言，GP的摻量宜控制在10%～20%之間。圖3為GP對再生混凝土拉壓比的影響，由圖3可知，當玻璃粉摻量小于10%時，再生混凝土的拉壓比隨著玻璃粉摻量的增加而增加，這說明了玻璃粉的摻入使混凝土的抗壓強度降低幅度大于劈拉強度。產(chǎn)生該現(xiàn)象可能是由于玻璃粉顆粒多棱角特性，增強了骨料與基體之間的咬合力和粘結(jié)效果，一定程度上延緩了混凝土劈拉強度的降低。

圖2 GP對再生混凝土劈拉強度的影響Fig.2 Effect of GP on splitting tensile strength of recycled concrete

圖3 GP對再生混凝土拉壓比的影響Fig.3 Effect of GP on fp/fcu of recycled concrete

2.3 彈性模量

圖4顯示了GP對再生混凝土彈性模量的影響。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，隨著GP摻量的增加，再生混凝土的彈性模量和彈性模量增長率均呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。如圖4(a)所示，GP降低了再生混凝土早期的彈性模量，但摻入10%GP時再生混凝土后期(90 d)的彈性模量提高了約5%。其作用機理歸因于GP的火山灰活性和微觀結(jié)構(gòu)的增強效應改善了再生混凝土界面過渡區(qū)的密實度，該結(jié)果與Omran等[8-9]研究結(jié)論相一致。通過圖4(b)和圖1(b)對比可以發(fā)現(xiàn)，GP對再生混凝土7 d到28 d彈性模量增長率的影響略低于對再生混凝土28 d到90 d彈性模量增長率的影響，與抗壓強度增長率變化有所不同。這可能與玻璃本身具有較高的強度和彈性模量有關(guān)[22,27]。

圖4 GP對再生混凝土彈性模量的影響Fig.4 Effect of GP on elastic modulus of recycled concrete

2.4 SEM分析

圖5為再生混凝土90 d的SEM照片。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)主要由水化產(chǎn)物、未水化的凝膠材料、孔隙和微裂縫組成。如圖5(a)所示，基準組試樣中存在較多均勻的C-S-H凝膠以及少量的微裂縫，微觀結(jié)構(gòu)相對密實。與基準組相比，C-5%GP試樣中存在較多的孔隙和微裂縫(見圖5(b))，微觀結(jié)構(gòu)較為松散。由此說明GP的摻入降低了再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)的密實度，這與之前的抗壓強度結(jié)果相對應。然而隨著GP含量增加，GP的二次火山灰活性被進一步激發(fā)，消耗更多的CH晶體產(chǎn)生額外的C-S-H凝膠，并與未反應的GP顆粒一起填充微觀結(jié)構(gòu)中的毛細孔和微裂縫，形成更加致密的微觀結(jié)構(gòu)[28]，如圖5(c)所示。這也解釋了C-10%GP試樣抗壓強度最高的原因；當GP摻量增加至20%時，由于水泥水化產(chǎn)物CH含量減少，阻礙了水泥水化反應使得GP的火山灰效應不能充分發(fā)揮，因此在C-20%GP試樣中可以發(fā)現(xiàn)少量未反應的GP顆粒以及大量的毛細孔和裂縫，并且孔隙之間相互連通形成連續(xù)孔道將微觀結(jié)構(gòu)分為兩個部分(見圖5(d))，從而降低了再生混凝土的力學性能。

圖5 再生混凝土90 d的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of recycled concrete at 90 d

2.5 孔隙結(jié)構(gòu)

圖6顯示了GP對再生混凝土90 d累計孔隙率的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：C-10%GP試樣的累計孔隙率最小僅為11.01×10-2mL·g-1，較基準組降低了19.3%；其次C-5%GP試樣的累計孔隙率略低于基準組；而C-20%GP試樣的累計孔隙率最高為14.13×10-2mL·g-1，與基準組相比增加了9%。再生混凝土90 d的孔徑分布如表4所示，C-10%GP試樣中大于100 nm的孔隙占比僅為2.54×10-2mL·g-1，較基準組降低了59.8%。而直徑大于100 nm的孔隙被認為是有害孔隙，對混凝土的力學性能具有不良的影響[29]。該結(jié)果與再生混凝土宏觀力學性能相符合。這也進一步證實GP的摻入改善了再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)[30]。

圖6 GP對再生混凝土90 d累計孔隙率的影響Fig.6 Effect of GP on the cumulative porosity of recycled concrete at 90 d

表4 再生混凝土90 d的孔徑分布Table 4 Pore size distribution in recycled concrete at 90 d

3 結(jié) 論

(1)再生混凝土早期的抗壓強度隨著GP摻量的增加而逐漸降低，其中含5%、10%和20%GP試樣7 d的抗壓強度分別降低了7.6%、11.4%和18.2%。但隨著養(yǎng)護齡期增大，摻入適量的GP有利于提高再生混凝土后期的抗壓強度，其中C-10%GP試樣90 d的抗壓強度略高于基準組。對于再生混凝土而言，GP的最佳摻量為10%。

(2)再生混凝土劈拉強度的變化趨勢與抗壓強度相近。當玻璃粉摻量小于10%時，再生混凝土的拉壓比隨著玻璃粉摻量的增加而增加。GP多棱角特性增強了骨料與基體之間的咬合力和粘結(jié)效果，改善了再生混凝土的脆性。

(3)GP降低了再生混凝土早期的彈性模量，但摻入10%GP時再生混凝土后期(90 d)的彈性模量提高了約5%。其作用機理與抗壓強度相似，GP的火山灰活性和微觀結(jié)構(gòu)的增強效應，以及其本身具有較高的強度和彈性模量改善了界面過渡區(qū)的密實度。

(4)通過MIP和SEM技術(shù)分析表明，C-10%GP試樣的總孔隙率為11.01%，較基準組降低了19.3%，同時GP也改善了再生混凝土后期的微觀結(jié)構(gòu)，這主要歸因于GP的火山灰活性和微集料填充作用。但當GP摻量大于20%時，GP對再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)具有不利的影響。