玻璃砂和玻璃粉復合對混凝土基本性能的影響

張文星 蘇有文 李嬌

（1. 西南科技大學土木工程與建筑學院 綿陽 621010；2. 國家電網(wǎng)四川省電力公司巴中供電公司 巴中 621053）

0 引言

2018年以來，混凝土原料價格在國家大氣污染攻堅戰(zhàn)總體部署下，隨混凝土行業(yè)能耗、環(huán)保、資源約束不斷趨緊而一路走高［1］。玻璃產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中大量應用的同時，其廢棄量也在日益增多。但我國廢玻璃回收利用率僅為10%～30%，遠遠低于世界平均水平［2］。而利用廢棄玻璃取代混凝土中的部分材料，不僅可以緩解廢玻璃生態(tài)污染問題，還可以解決混凝土原料價格高漲問題。

孟繼軍等［3］利用鋼渣和玻璃粉制備自密實混凝土，發(fā)現(xiàn)玻璃粉的摻入可改善混凝土的流動性，兩者協(xié)同工作時，鋼渣和玻璃粉最佳摻量分別為80%和20%。嚴建華等［4］將玻璃粉分別復摻于粉煤灰混凝土和礦渣混凝土中，結(jié)果表明玻璃粉的摻入均能提高兩種混凝土的抗壓強度。寧寶寬等［5］將特細尾礦砂和玻璃粉摻入混凝土中，指出廢玻璃粉的添加能夠提高尾礦砂混凝土的強度。劉業(yè)金等［6］研究發(fā)現(xiàn)復摻玻璃粉和沸石粉能降低混凝土孔隙率，提高密實度。從而在后期能提高混凝土的抗壓強度、抗碳化和抗氯離子性能。Ouldkhaoua等［7］通過研究發(fā)現(xiàn)高嶺土和陰極管玻璃粉復合制備自密實混凝土，對提高混凝土的耐久性有積極作用。Bostanc［8］用20%玻璃粉+10%大理石粉取代砂和水泥制備再生混凝土，可以改善混凝土的熱傳導性、水滲透性等方面的性能。YahyaR等［9］利用再生塑料和玻璃混合取代細骨料，制備人行道路面混凝土，發(fā)現(xiàn)其強度滿足相應的設計強度要求。夏冰華等［10-12］用磨細玻璃在一定范圍內(nèi)取代普通砂，其抗壓強度與普通混凝土相當。楊震櫻等［13,14］發(fā)現(xiàn)玻璃粉取代水泥，能減小混凝土的孔隙率，增強密實度，從而提高混凝土或水泥膠砂的強度。綜上所述，目前，大部分研究主要集中于改變骨料類型、組合種類、取代率等方面來研究混凝土的力學性能和耐久性。然而對于玻璃粉和玻璃砂共同取代混凝土中細骨料和膠凝材料的研究卻鮮有報道。為此，利用不同粒徑玻璃顆粒表現(xiàn)出的不同特性，同時使用玻璃粉取代膠凝材料，玻璃砂取代細骨料制備C30混凝土，探討分析玻璃粉和玻璃砂共同作用下混凝土基本性能的變化規(guī)律。

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料選擇

水泥：根據(jù)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》［15］，采用綿陽雙馬P.O 42.5，測定7天抗壓強度、抗折強度分別為30.92 MPa和8.5 MPa，初凝和終凝時間分別為151 min和220 min，經(jīng)測定，其安定性符合要求。

細骨料：根據(jù)GB/T 14684—2011《建設用砂》［16］測定砂的表觀密度2578 kg/m3，細度模數(shù)2.82。

粗骨料：采用連續(xù)級配5～20 mm的碎石。滿足GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》［17］要求。

玻璃：實驗所用玻璃原料均采用回收綠色酒瓶經(jīng)清洗、晾曬、破碎、磨細、篩分等工序制備而成。粒徑范圍75～150 mm為玻璃砂，粒徑范圍0～75 mm為玻璃粉。其主要化學成分表如圖1所示。

圖1 玻璃化學成分

水：采用自來水。

1.2 配合比設計

依照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》［18］，設置普通混凝土配比為水泥∶細骨料∶粗骨料∶水＝1∶2.85∶1.59∶0.43。保持玻璃粉-玻璃砂混凝土中天然砂和膠凝材料總量不變，以玻璃砂取代范圍（10%、20%、30%、40%、50%）和玻璃粉取代范圍（5%、10%、15%、20%、25%、30%）為主要增量變化參數(shù)同時取代混凝土中的細骨料和膠凝材料，制備C30混凝土。試件制備總量見表1。

表1 試件制備總數(shù)

1.3 試件制備及方法

利用單臥式強制攪拌機進行混凝土攪拌。為使水泥漿體充分包裹骨料，攪拌采用水泥裹砂法，即向攪拌機中先加入砂和60%的水，啟動攪拌機攪拌約20 s，倒入水泥攪拌1 min，再倒入石子攪拌20 s，最后將40%的水全部加入攪拌機中，攪拌120 s后，在滿足GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》［19］要求坍落度的前提下，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［20］成型抗壓試塊、抗拉試塊，標準條件下養(yǎng)護7天、28天后進行力學性能測試。

1.4 試驗設備、裝置

玻璃原料研磨、篩分分別使用SM-500型球磨機、搖篩機。參考規(guī)范［20］，抗壓強度采用液壓式萬能實驗機，劈裂抗拉強度采用WES-1000B型萬能實驗機。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度分析

為研究玻璃粉和玻璃砂取代率同時變化對混凝土抗壓強度的影響，利用等高線圖對混凝土7天、28天抗壓強度進行分析。玻璃粉-玻璃砂混凝土的7天、28天抗壓強度測試試驗結(jié)果見圖2、圖3。其中閉合曲線上強度值相等；相鄰曲線之間的強度差值相等；等高線的疏密表明強度變化速度的快慢。

圖2 玻璃粉-玻璃砂混凝土7天抗壓強度

圖3 玻璃粉-玻璃砂混凝土28天抗壓強度

由圖2可知，7天齡期時，與對照組相比，隨著玻璃砂和玻璃粉取代率的增加，等高線圖上的數(shù)值先增加后減小，說明玻璃粉-玻璃砂混凝土的抗壓強度隨兩者取代率的增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。曲線間呈先疏后密的變化趨勢，即線與線之間的間距不斷減小，排列密度不斷增加，表明混凝土抗壓強度的變化速度隨取代率增加而變快，玻璃取代率對混凝土的強度影響顯著。

一方面，玻璃砂和玻璃粉的粒徑范圍為0～150 mm，粒徑細且級配連續(xù)，能夠發(fā)揮微集料作用，均勻分散在混凝土中，填充并細化骨料結(jié)構(gòu)造成的孔隙缺陷，改善混凝土密實度，玻璃砂和玻璃粉共同取代有利于提高混凝土的抗壓強度。另一方面，本試驗使用玻璃含有堿、硅活性物質(zhì)，水泥中的堿與玻璃中的活性SiO2發(fā)生堿骨料反應，產(chǎn)生膨脹可填充混凝土內(nèi)部空隙，從而使得混凝土早期強度提高［21］。

28天齡期時，等高線圖的數(shù)值變化和曲線疏密變化與7天時相似，表明28天時抗壓強度隨玻璃取代率的變化與7天時的影響相類似。但在小范圍內(nèi)取代時，等高線圖中28天強度最高值曲線相比7天往左上方擴大移動，且28天時的抗壓強度較7天時大。說明玻璃的火山灰活性隨養(yǎng)護齡期的增加而逐漸顯現(xiàn)，火山灰反應生成的膠凝物質(zhì)可填充混凝土內(nèi)部孔隙缺陷，改善混凝土界面過渡區(qū)的密實度，使得混凝土抗壓強度增強。

隨著取代率增加，抗壓強度逐漸下降，這可能是由于玻璃取代率過高，水泥摻量減少導致水泥水化產(chǎn)物CH減少，造成二次水化反應膠凝產(chǎn)物生成量減少，這在一定程度上削弱了混凝土的密實度［22］。

2.2 抗拉強度分析

對玻璃粉-玻璃砂混凝土不同取代率、不同齡期下制備成型的抗拉試件進行劈裂抗拉強度測試，試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 玻璃粉-玻璃砂混凝土7天抗拉強度

圖5 玻璃粉-玻璃砂混凝土28天抗拉強度

7天時，由等高線上數(shù)值和曲線變化中可知，混凝土7天抗拉強度隨玻璃取代率的增加而總體呈下降的趨勢，且下降速度隨取代率增加而變快。這可能是因為玻璃表面光滑，棱角粘結(jié)能力不如水泥，減弱了材料之間的機械咬合作用。此外，水泥摻量的減少在一定程度上減緩了水化反應速率，而玻璃取代率的增加加劇堿骨料反應，造成了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，導致混凝土抗拉強度降低。

28天時，玻璃取代率的增加會導致混凝土抗拉強度有所下降，這與7天時抗拉強度變化規(guī)律類似。由此可知，玻璃粉和玻璃砂共同取代對混凝土的抗拉強度無明顯增強作用，取代率過高，甚至會削弱抗拉強度。這主要是由于玻璃與基體材料粘結(jié)能力弱所致。

3 結(jié)論

（1）玻璃粉-玻璃砂混凝土抗壓強度隨兩者取代率的增加呈先增加后減小趨勢，抗拉強度隨兩者取代率的增加而持續(xù)下降。

（2）由于玻璃粉早期火山灰活性不強，故其早期強度不高，后期抗壓強度隨齡期增長而增大。

（3）玻璃粉-玻璃砂混凝土強度變化速度隨兩者取代率的增加而變快。在一定取代范圍內(nèi)，兩者共同取代滿足強度要求。