周鈺鑫，岳龍，蔣銘昊，符濤，王晟

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 引言

廢玻璃是指不再使用或已被丟棄的玻璃、玻璃制品和玻璃纖維等玻璃物料，其自然降解時(shí)間高達(dá)4 000年，這種不可降解的特性將導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染。玻璃的硬度與普通砂石接近，密度比砂石略低，從宏觀的力學(xué)性能角度，玻璃替代部分混凝土中砂石是可行的。此外，玻璃的主要成分為SiO2，具有一定程度的火山灰活性，因此作為潛在的輔助膠凝材料加入到混凝土中可實(shí)現(xiàn)廢棄玻璃的資源化利用，具有重大的環(huán)保意義。

1 廢棄玻璃混凝土研究現(xiàn)狀

1.1 廢棄玻璃取代粗細(xì)骨料

國內(nèi)外學(xué)者對廢棄玻璃替代粗細(xì)骨料做了大量的試驗(yàn)研究。王風(fēng)池[1]等人研究表明玻璃集料無論是取代砂還是石子，隨著取代率增大，混凝土的坍落度增大，且玻璃取代石子時(shí)比取代砂時(shí)的坍落度大，當(dāng)取代率為100%時(shí)，玻璃取代砂和玻璃取代石子混凝土的坍落度分別為普通混凝土的1.50倍和1.62倍。此外，廢玻璃作為細(xì)骨料會(huì)降低混凝土的力學(xué)性能，抗壓、抗彎強(qiáng)度隨著廢玻璃替代率的提高而逐漸降低。王志攀[2]等人將普通混凝土、廢棄玻璃取代20%天然細(xì)集料的混凝土、廢棄玻璃取代20%天然粗集料的混凝土放入同濃度的Na2SO4溶液和NaCl溶液中浸泡，發(fā)現(xiàn)廢棄玻璃混凝土強(qiáng)度的下降率均低于普通混凝土，表明廢棄玻璃取代粗細(xì)集料制成的玻璃混凝土抗腐蝕性增強(qiáng)。劉光焰等人[3]利用外加電場來檢驗(yàn)混凝土的抗氯離子滲透能力，研究表明廢棄玻璃替代粗骨料時(shí)，隨著廢棄玻璃骨料的增加，混凝土的抗氯離子滲透能力下降，廢棄玻璃替代細(xì)骨料時(shí)，有利于提高混凝土的抗氯離子滲透能力。此外當(dāng)玻璃取代細(xì)骨料小于20%時(shí)，玻璃混凝土的強(qiáng)度基本沒有降低[4]。

1.2 廢棄玻璃作為輔助膠凝材料

國內(nèi)外學(xué)者對于廢棄玻璃作為輔助膠凝材料做了大量的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)玻璃粉不僅可以抑制ASR反應(yīng)，而且在提升工作性能、力學(xué)性能、耐久性方面具有顯著優(yōu)勢。蘇柳月等人[4]將粉磨2 h的廢玻璃粉作為輔助膠凝材料替代水泥的10%、20%、30%、40%，研究表明摻廢玻璃粉的混凝土7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但隨著齡期的發(fā)展，玻璃粉摻量變化所帶來的不利影響減弱?？聡姷热薣5]將球磨后的廢玻璃粉取代水泥的10%、20%、30%，對于相同球磨時(shí)間和取代率的廢玻璃粉，強(qiáng)度活性指數(shù)隨著齡期的增加而增大，說明了隨著齡期的增加，二次水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化體系中的Ca(OH)2減少，pH值減小，廢玻璃粉表面有C-S-H凝膠生成，并不斷聚集、填充和結(jié)晶，使水化體系結(jié)構(gòu)不斷密實(shí)，有利于改善體系的孔隙構(gòu)造和增大密實(shí)度。符駿等人[6]采用平均粒徑為21.17μm的玻璃粉取代水泥的10%、20%、30%，研究表明玻璃粉摻量為10%時(shí)，有害孔隙率減小，改善了孔隙構(gòu)造有利于混凝土抗凍，但隨著玻璃粉摻量的增加，對混凝土早期抗凍性能無益。此外，ASR反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹隨廢玻璃粒徑減小而減小，當(dāng)粒徑小于一定數(shù)值時(shí)，玻璃粉可以抑制ASR反應(yīng)帶來的膨脹危害。黃昌石等人[7]研究表明粒徑在0～75μm的玻璃粉能夠?qū)SR膨脹起到較好的抑制作用。

1.3 廢棄玻璃激活研究

廢棄玻璃具有一定的火山灰特性，能夠作為水泥替代材料，改善混凝土的力學(xué)性能。但是，玻璃的硅氧四面體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，火山灰活性不易激發(fā)，因此需要尋找激活方法充分發(fā)揮其輔助膠凝作用。目前，物理、化學(xué)和水熱活化是常見的三種活化方法。

楊晶[8]將廢棄玻璃分別球磨至75μm以下、58μm以下以及38μm以下，使玻璃的顆粒細(xì)化，活性提高。宋百姓[9]對不同粒徑的玻璃粉，測定其粒度分布、比表面積和膠砂試件的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)廢玻璃粉的活性指數(shù)沒有隨研磨時(shí)間呈線性增長，而是存在一個(gè)最佳研磨時(shí)間，從廢玻璃粉的活性和經(jīng)濟(jì)性考慮，可以確定35 min是廢玻璃粉最經(jīng)濟(jì)合理的研磨時(shí)間，且廢玻璃粉用做礦物摻合料時(shí)存在一個(gè)最佳粒徑范圍，粒徑在6.414～20.710μm的廢玻璃粉活性最高。物理活化主要是通過機(jī)械力將廢棄玻璃球磨至一定粒徑范圍，破環(huán)Si-O等化學(xué)鍵、降低玻璃體的聚合度、釋放出活性物質(zhì)，同時(shí)也增大了比表面積、促進(jìn)了二次水化反應(yīng)、提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，但需注意控制研磨時(shí)間。

孔慶秋[10]采用廢玻璃粉取代水泥的10%、20%、30%，加入0.7%NaOH（對于廢玻璃粉而言）激發(fā)劑，研究表明10%廢玻璃粉摻量激發(fā)效果最好且NaOH激發(fā)的效果在早期較明顯，后期效果較弱。此外，有研究表明加入熟石灰激活廢玻璃粉時(shí)，當(dāng)熟石灰的摻量（對于水泥和廢玻璃粉的總量而言）從3%增大到4%時(shí)，廢玻璃粉的活性指數(shù)增大，當(dāng)摻量從4%增大到5%時(shí)，廢玻璃粉的活性指數(shù)減小。加入堿類激發(fā)劑，在OH-的作用下，廢玻璃粉顆粒表面的Si-O鍵和Al-O鍵斷裂，使Si-O-Al的網(wǎng)絡(luò)聚合度降低，表面形成游離的不飽和活性鍵，容易與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠體，但堿過量會(huì)造成ASR膨脹。

宋百姓采用無水硫酸鈉激活廢玻璃粉，當(dāng)無水硫酸鈉的摻量（對于水泥和廢玻璃粉的總量而言）從3%增大到4%時(shí)，廢玻璃粉的活性指數(shù)增大，當(dāng)摻量從4%增大到5%時(shí)，廢玻璃粉的活性指數(shù)減小。此外，有研究表明硫酸鈉早期激發(fā)效果稍強(qiáng)，后期稍弱。加入硫酸鈉，由于有SO42-的存在，水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2釋放出Ca2+，加上溶出液相的AlO2-，多種化合物在堿性環(huán)境下會(huì)生成鈣礬石，細(xì)針狀的鈣礬石能夠填充水泥石的空隙，使水泥石更致密，但過量的硫酸鈉會(huì)造成鈣礬石過量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松。

宋百姓稱取適量的廢玻璃粉在125℃、1.1 MPa條件下進(jìn)行蒸壓，廢玻璃粉的活性指數(shù)隨著處理時(shí)間的增長而提高。此外，水熱激發(fā)廢玻璃粉活性效果早期較弱，后期較好，且隨激發(fā)溫度壓力升高而提高。

復(fù)合活化是指多種活化方式結(jié)合，綜合了各種活化方式的優(yōu)點(diǎn)，效果更好。宋百姓在研磨了35 min的廢玻璃粉中加入Na2SO4和Ca（OH）2進(jìn)行高溫高壓處理4 h，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合活化比物理活化、化學(xué)活化和水熱活化的效果要好。

2 廢棄玻璃混凝土存在的問題

2.1 ASR膨脹

ASR反應(yīng)的存在是制約玻璃混凝土發(fā)展的主要因素，堿-二氧化硅反應(yīng)產(chǎn)生的有害膨脹會(huì)給混凝土帶來極大的損傷，所以降低ASR反應(yīng)所帶來的危害，將提高玻璃混凝土的耐久性。黃昌石等人研究表明摻入玻璃砂會(huì)增大ASR膨脹，但玻璃粉卻能夠抑制ASR膨脹，并且隨著粒徑減小抑制作用越大。劉偉等人研究表明煅燒溫度為800℃的偏高嶺土具有很好的抑制ASR效果。此外，ASR反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹隨廢玻璃粒徑減小而減小，當(dāng)粒徑小于一定數(shù)值時(shí)，玻璃粉可以抑制ASR反應(yīng)帶來的膨脹危害。

2.2 降低力學(xué)性能

廢玻璃作為細(xì)骨料，混凝土的抗壓抗彎強(qiáng)度隨著廢玻璃替代率的提高而逐漸降低。

3 結(jié)語

廢棄玻璃的摻量對混凝土的性能有重要的影響，需要進(jìn)一步探究廢棄玻璃經(jīng)濟(jì)又合理的摻量。ASR反應(yīng)始終是潛在的危險(xiǎn)，需要進(jìn)一步探究其反應(yīng)機(jī)制和如何抑制ASR反應(yīng)帶來的危害?；瘜W(xué)活化的研究目前只局限于加氫氧化鈉、氫氧化鈣、硫酸鈉等幾種化學(xué)試劑，水熱活化的研究目前局限于一定范圍內(nèi)的溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間，需要進(jìn)一步探究其他不同化學(xué)試劑單摻、復(fù)摻的影響和更大范圍內(nèi)的溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間的影響。如果解決了這些問題，不僅能實(shí)現(xiàn)廢棄玻璃的資源化利用、減輕環(huán)境的壓力，還能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。