廢棄玻璃再生細(xì)骨料在混凝土中的應(yīng)用研究

林添興

（科之杰新材料集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361101）

0 前言

隨著建筑業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，建筑、汽車門窗玻璃、玻璃容器、電子類玻璃和玻璃瓶等各種玻璃大量使用，使得廢棄玻璃大量增加。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2018年我國廢玻璃產(chǎn)出量約1880萬t。廢棄玻璃大部分作為垃圾被丟棄，未能充分利用，利用率僅為13%～15%，不僅對城市環(huán)境造成巨大壓力，而且還限制了城市的經(jīng)濟發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。在歐美發(fā)達(dá)國家，廢棄玻璃占城市固體廢棄物總量的4%～8%，回收率達(dá)到70%，回收的廢棄玻璃被廣泛用作輕集料或輔助膠凝材料。在國內(nèi)，由于回收措施、行政立法、分選加工技術(shù)和設(shè)備都存在一些問題，目前廢棄玻璃的回收利用率很低，大部分廢棄玻璃被當(dāng)作垃圾進(jìn)行處理。

2017年9月10日起，廈門市實施《廈門經(jīng)濟特區(qū)生活垃圾分類管理辦法》，在執(zhí)行該管理辦法以來，執(zhí)行效果顯著。該管理辦法的第二章第10條規(guī)定“可回收物，是指廢棄的紙張、塑料、金屬、紡織物、電器電子產(chǎn)品、玻璃等可資源化利用的物質(zhì)”，玻璃作為其中一種可回收物，在執(zhí)行該管理辦法以來，廢棄玻璃的回收量大幅增加，處理難度也越來越大。如何利用這些回收的廢棄玻璃，成為當(dāng)下需要解決的實際課題。

國內(nèi)外學(xué)者對廢玻璃用于混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能進(jìn)行了研究。柯國軍和王彥超[1]的研究表明：廢玻璃取代天然砂后，混凝土的工作性能提高，隨著廢玻璃摻量的增加，其和易性變化很大，廢玻璃可以配制流動性強的混凝土，可用于鋼筋密集的構(gòu)件。楊鳳玲等[2]的研究表明：以廢玻璃全部取代河砂制備的混凝土試件水泥石中的毛細(xì)孔隙被堿-硅反應(yīng)生成的膠體填充得較密實，使得7 d抗壓強度相對較高，但后期膠體會進(jìn)一步膨脹導(dǎo)致水泥石開裂，使得7 d齡期后抗壓強度會有所降低。當(dāng)取代率在25%以下時，混凝土的性能與天然砂混凝土一致。趙祖芳等[3]的研究表明：摻入廢棄玻璃使得混凝土的抗壓強度有一定程度的降低，但工作性能明顯提高；廢棄玻璃再生粗骨料和再生細(xì)骨料的最優(yōu)取代率為25%左右（單摻），且在此取代率下，混凝土的抗壓強度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。梁炯豐等[4]的研究表明：隨廢棄玻璃細(xì)骨料的取代率增加，混凝土拌合物的流動性和坍落度增大，而立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度總體呈降低趨勢，彈性模量先稍有提高后不斷降低，但取代率在20%以內(nèi)時，其強度與普通混凝土相差不大。王鳳池等[5]利用廢棄玻璃等質(zhì)量取代粗、細(xì)集料，研究了取代率及取代形式對混凝土坍落度、抗壓強度的影響，結(jié)果表明：廢棄玻璃集料混凝土的抗壓強度隨齡期延長的增長幅度高于普通混凝土；廢棄玻璃集料混凝土的抗壓強度隨粗骨料壓碎指標(biāo)的增大而提高。

另外一些學(xué)者對廢玻璃用于混凝土的長期性能和耐久性能進(jìn)行了研究。嚴(yán)建華等[6]的研究表明：玻璃的堿骨料反應(yīng)效應(yīng)隨其顆粒細(xì)度減小而減小，顆粒細(xì)度減小到一定程度，玻璃顆粒會產(chǎn)生火山灰活性且在低齡期時較為明顯。孟春陽等[7]的研究發(fā)現(xiàn)：廢棄玻璃混凝土與基準(zhǔn)混凝土的抗碳化性能相差不大，且具有較好的抗硫酸鹽和氯鹽侵蝕性能。王鳳池等[8]的研究表明：利用廢棄玻璃取代粗、細(xì)集料制成的玻璃混凝土，其內(nèi)部孔隙率降低、混凝土結(jié)構(gòu)密實，抗侵蝕性能增強。荀勇等[9]的研究發(fā)現(xiàn)：在使用廢玻璃作為骨料的混凝土中，摻入適量的偏高嶺土超細(xì)粉作為摻合料，可有效抑制堿-硅膨脹反應(yīng)，保證混凝土后期強度顯著增長。

本研究利用制砂機對回收的廢棄玻璃進(jìn)行破碎、分選，通過調(diào)整制砂機振動篩的篩孔尺寸和風(fēng)機的功率，制得粒徑、級配和微粉含量符合GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》要求的廢棄玻璃再生細(xì)骨料，并對其堿集料反應(yīng)進(jìn)行了試驗驗證，同時將廢棄玻璃再生細(xì)骨料以不同取代率取代機制砂，配制C20~C50混凝土，對混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性能進(jìn)行研究。通過試驗確定廢棄玻璃再生細(xì)骨料適用的混凝土強度等級范圍及最大取代率，研究結(jié)果可為制定福建省地方標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥（C）：閩福牌P·O42.5R水泥，其技術(shù)性能見表1。

表1 水泥的技術(shù)性能

（2）粉煤灰（FA）：福建漳州后石電廠收塵系統(tǒng)排放的Ⅱ級粉煤灰，其技術(shù)性能見表2。

表2 粉煤灰的技術(shù)性能

（3）礦粉（K）：福建三鋼S95級礦粉，其技術(shù)性能見表3。

表3 礦粉的技術(shù)性能

（4）細(xì)骨料（S1）：福建南安產(chǎn)機制砂，其技術(shù)性能見表4。

表4 S1機制砂的技術(shù)性能

（5）粗骨料（G）：福建南安產(chǎn)5～20 mm連續(xù)級配碎石，其技術(shù)性能見表5。

表5 碎石的的技術(shù)性能

（6）廢棄玻璃再生細(xì)骨料（S2）：利用回收的廢棄玻璃瓶，采用自有的制砂機進(jìn)行破碎制得，其技術(shù)性能見表6，外觀形貌見圖1。對其中的玻璃再生微粉進(jìn)行成分分析、粒度分析和微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果分別見表7、表8和圖2。分析可知：回收的廢棄玻璃化學(xué)成分以SiO2為主，破碎生成的玻璃微粉比表面積為443 m2/kg，與常用S95級礦粉的比表面積相當(dāng)；玻璃微粉D50=14.36 μm，粒徑分布以3～32 μm區(qū)間為主，占比47.589%，這個粒徑占比相比大部分水泥都要小很多；32～65 μm顆粒占比17.792%，大于80 μm的顆粒占比5.133%。大于32 μm以上的顆粒占比與大部分水泥相比要更高；玻璃微粉形貌多為不規(guī)則顆粒形狀，球形顆粒較少，且粗顆粒占比較高。

表6 廢棄玻璃再生細(xì)骨料的技術(shù)性能

表7 玻璃微粉的主要化學(xué)成分 %

表8 玻璃微粉的粒度分布

（7）外加劑：Point-200S聚羧酸高效減水劑（A1）和Point-S聚羧酸高性能減水劑（A2），其技術(shù)性能見表9。

表9 聚羧酸減水劑的技術(shù)性能

（8）拌合用水（W）：自來水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

1.2 試驗配合比

試驗研究了廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C20~C50普通泵送混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響。C20~C50混凝土基準(zhǔn)配合比見表10，其中C20~C40混凝土使用Point-200S聚羧酸低濃度高效減水劑（A1），C50混凝土使用Point-S聚羧酸高性能減水劑（A2）。試驗過程中單方用水量保持不變，通過調(diào)整外加劑摻量控制受檢混凝土初始擴展度與基準(zhǔn)混凝土擴展度相差在±20 mm范圍內(nèi)。

表10 C20~C50基準(zhǔn)混凝土配合比

1.3 測試方法

（1）廢棄玻璃再生細(xì)骨料的堿集料反應(yīng)：按GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》進(jìn)行測試，包含快速堿-硅酸反應(yīng)及堿-硅酸反應(yīng)。

（2）混凝土拌合物性能：按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

（3）混凝土力學(xué)性能：按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

（4）混凝土耐久性能：按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢棄玻璃再生細(xì)骨料的堿集料反應(yīng)

將2批次廢棄玻璃再生細(xì)骨料進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng)試驗，結(jié)果見表11。

表11 廢棄玻璃再生細(xì)骨料的快速堿-硅酸反應(yīng)試驗結(jié)果

將水泥堿含量分別調(diào)整至1.2%、1.8%、2.4%、3.0%，按照GB/T 14684—2011進(jìn)行堿-硅酸反應(yīng)試驗，結(jié)果見表12。

表12 廢棄玻璃再生細(xì)骨料的堿-硅酸反應(yīng)試驗結(jié)果

快速堿-硅酸反應(yīng)結(jié)果顯示，廢棄玻璃再生細(xì)骨料無潛在堿-硅酸反應(yīng)危害；堿-硅酸反應(yīng)結(jié)果顯示，60 d齡期時，水泥堿含量1.8%的試驗組出現(xiàn)了膠體外溢現(xiàn)象，判定有潛在堿-硅酸反應(yīng)危害，水泥堿含量1.2%的試驗組在90 d齡期以后試件收縮率已經(jīng)穩(wěn)定在0.02%，180 d齡期時仍未出現(xiàn)膠體外溢的現(xiàn)象，判定為無潛在堿-硅酸反應(yīng)危害。

2.2 廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土的常規(guī)性能

將廢棄玻璃再生細(xì)骨料分別以10%、20%、30%、40%等質(zhì)量取代機制砂，配制C20~C50混凝土，廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響分別見表13~表16。

由表13~表16可知，在廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代0~40%機制砂范圍內(nèi)：

（1）C20~C50受檢混凝土的初始坍落度和擴展度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)時，1 h經(jīng)時坍落度比基準(zhǔn)混凝土增大5~30 mm，1 h經(jīng)時擴展度比基準(zhǔn)混凝土增大20 mm以上，其中廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率為40%時，C30混凝土的擴展度比基準(zhǔn)混凝土擴展度增大150 mm，表明廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代一定比例的機制砂對混凝土的保坍性能有利。

表13 廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C20混凝土性能的影響

表14 廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C30混凝土性能的影響

表15 廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C40混凝土性能的影響

表16 廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C50混凝土性能的影響

（2）當(dāng)混凝土強度等級為C20、C30時，與基準(zhǔn)混凝土相比，受檢混凝土的含氣量會隨著廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率的增加而增大，當(dāng)混凝土強度等級為C40、C50時，受檢混凝土含氣量比基準(zhǔn)混凝土略高，最大含氣量相差0.5~0.8個百分點。

（3）C20~C50受檢混凝土的泌水率與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。其中，C40、C50受檢混凝土與基準(zhǔn)混凝土的泌水率均為0。

（4）C20~C50受檢混凝土的7、28、60、90 d抗壓強度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，各齡期抗壓強度相差最大為1.1 MPa，表明廢棄玻璃再生細(xì)骨料對混凝土的抗壓強度沒有不利影響。

2.3 廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土的耐久性能

選取代表性C30、C50混凝土對收縮值、抗壓強度耐蝕系數(shù)、抗氯離子滲透系數(shù)、碳化深度和動彈性模量進(jìn)行測試，結(jié)果分別見圖3～圖6。

由圖3～圖6可知：

（1）廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率≤30%時，C30受檢混凝土各齡期收縮值與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，二者相差最大不超過50×10-6；取代率超過30%時，45 d、60 d等長齡期的混凝土收縮值明顯大于基準(zhǔn)混凝土；再生細(xì)骨料混凝土取代率≤20%時，C50受檢混凝土各齡期收縮值與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，二者相差最大不超過40×10-6。

（2）C30和C50廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土，在廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率≤40%時，與基準(zhǔn)混凝土相比，抗壓強度耐蝕系數(shù)最大相差4.5個百分點，碳化深度最大相差不超過0.6 mm，動彈性模量最大相差5.3%，均在試驗誤差范圍內(nèi)。

（3）廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率≤40%時，摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C30混凝土抗氯離子滲透系數(shù)均大于基準(zhǔn)混凝土，其中，取代率為20%時，受檢混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)最大為5.8×10-12m2/s，而基準(zhǔn)混凝土為4.9×10-12m2/s，比基準(zhǔn)混凝土增大了18.4%，表明摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C30混凝土，其抗氯離子滲透性能變差。

（4）廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率為20%時，C50混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)為4.3×10-12m2/s，比C50基準(zhǔn)混凝土的4.1×10-12m2/s高4.9%；當(dāng)廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率為40%時，C50混凝土抗氯離子滲透系數(shù)為3.5×10-12m2/s，比基準(zhǔn)混凝土減小了14.6%，表明摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C50混凝土，其抗氯離子滲透性能變好。

3 結(jié)論

（1）廢棄玻璃再生細(xì)骨料在常規(guī)水泥低堿含量下，不會發(fā)生堿集料反應(yīng)，無潛在的堿-硅酸反應(yīng)危害。

（2）在取代率≤40%范圍內(nèi)，廢棄玻璃再生細(xì)骨料配制的C20~C50混凝土各齡期抗壓強度、抗壓強度耐蝕系數(shù)、抗碳化性能、動彈性模量與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，而保坍性能總體優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。

（3）在取代率≤40%范圍內(nèi)，摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C30混凝土，其抗氯離子滲透性能比基準(zhǔn)混凝土差，而摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C50混凝土其抗氯離子滲透性能比基準(zhǔn)混凝土好。

（4）C30廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土在取代率≤30%時，混凝土各齡期的收縮值與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)；C50廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土在取代率≤20%時，各齡期混凝土收縮值與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。超過上述取代率范圍，28 d齡期以后的混凝土收縮值明顯大于基準(zhǔn)混凝土。