廢玻璃粉在膨潤土系水泥土中的力學(xué)性能研究

李曉林，李曉明

（1.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230009；2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站有限公司，安徽 合肥 230009；3.棗莊學(xué)院 城市與建筑工程學(xué)院，山東 棗莊 277160）

伴隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，城市在日常運(yùn)行中會產(chǎn)生大量的生活和工業(yè)固體垃圾，而垃圾填埋場是處理這些渣滓廢料的主要工程設(shè)施。在處理的過程中，由于存在各種物理、化學(xué)以及生物作用，導(dǎo)致垃圾中會產(chǎn)生大量的具有高濃度污染性的垃圾滲濾液［1-3］。而膨潤土系水泥土地下防滲墻作為垃圾滲濾液重要的地下防滲措施，常被應(yīng)用于垃圾填埋場的防滲工程中［4-6］。所以，針對地下防滲墻材料的研究越發(fā)顯得重要，防滲墻的使用材料主要有水泥土、素混凝土、加筋混凝土等，其中水泥土防滲墻造價(jià)低廉，施工周期短，尤其是相比其他材料，具有能夠適應(yīng)地基大變形能力的特點(diǎn)，在現(xiàn)代垃圾填埋場地下防滲工程中的應(yīng)用得到了極大的推廣。膨潤土系水泥土更具有良好的抗?jié)B性能，在土質(zhì)防滲墻工程中的使用非常廣泛，不過其力學(xué)性能對比混凝土材料存在不足，為了克服這一問題，科學(xué)合理的選用外摻料是一種常用的解決手段和方法。

膨潤土作為我國重要的工業(yè)資源，其開發(fā)應(yīng)用還處于初級階段，造成了一定的不必要的資源浪費(fèi)。如何提高膨潤土的使用效率和發(fā)掘其高端應(yīng)用成了各學(xué)科領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)［7-8］。Rafalski為確定設(shè)計(jì)防滲墻膨潤土-水泥漿組成程序而進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果，估算了膨潤土-水泥漿體試件的抗壓強(qiáng)度RS 與CS/BS 比值的關(guān)系［9］。其膨潤土-水泥漿液組成的設(shè)計(jì)程序包括確定水泥與膨潤土漿液的比例，評價(jià)膨潤土漿液中膨潤土的含量和水泥漿液中水泥的含量，以及評價(jià)改性劑的含量。Grant 對市面上銷售的水泥級膨潤土質(zhì)量進(jìn)行了兩年的研究，通過實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的水泥漿與現(xiàn)場混合樣品的對比，表明由于糟糕的混合程序和劣質(zhì)膨潤土，水泥漿性能發(fā)生了巨大的變化，這可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果［10］。微觀檢查、化學(xué)質(zhì)量程序和水泥漿性能數(shù)據(jù)的證據(jù)表明，在現(xiàn)場庫存測試的150 多個(gè)樣品中，失敗率接近50%。給出了通過和不通過當(dāng)前API規(guī)范測試的膨潤土水泥漿性能的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。Jean-Hugues 為了確定低滲透防滲墻的合適水泥-膨潤土混合物的物理性能，對固化90 天的試樣進(jìn)行了圍壓為100 kPa的三軸實(shí)驗(yàn)［11］。廢玻璃粉作為生活廢料的其中一部分，與其他建筑材料相比玻璃粉重度較小、硬度較高、粒徑分布較均勻，在家具裝飾方面應(yīng)用較廣［12-13］，但在建筑方面如何積極合理再利用這些廢料是一個(gè)值得探究的問題，尤其是在水泥-土系列的防滲墻領(lǐng)域?qū)郊硬ＡХ鄣男阅苎芯可僦稚佟?/p>

為了更全面地評價(jià)廢玻璃粉對膨潤土系水泥土力學(xué)性能的改良效果，文本采用了鈣基、鈉基、有機(jī)三種膨潤土，基本涵蓋了工程中常用膨潤土的主要類型。對不同膨潤土系水泥土樣本摻加等比例的廢玻璃粉，之后進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行正交對比分析，揭示廢玻璃粉摻量對不同膨潤土系水泥土力學(xué)性能的改良效果，并結(jié)合膨潤系水泥土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的物理反應(yīng)機(jī)制，對相關(guān)現(xiàn)象給出了合理的解釋。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥：實(shí)驗(yàn)中用到的水泥為普通的PC32.5 硅酸鹽水泥。

黏土：產(chǎn)地為棗莊市山亭區(qū)。處理程序包括：晾曬、烘干、篩選。

膨潤土：作為研究中重要的實(shí)驗(yàn)材料，本實(shí)驗(yàn)中所選用的膨潤土采購于濰坊市，按組成成分劃分為三類：鈣基、鈉基以及有機(jī)系膨潤土三種，具體的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 膨潤土技術(shù)指標(biāo)

廢玻璃粉：為了避免廢玻璃粉中雜質(zhì)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，故選用河南省中順公司制造的高白玻璃粉，其純度高達(dá)99%，最大限度保證試驗(yàn)結(jié)果的精確性。主要的技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 玻璃粉技術(shù)指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，對試驗(yàn)結(jié)果的影響因素是多方面的，控制變量法是常用的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)以往文獻(xiàn)，將黏土進(jìn)行等質(zhì)量的替換是常用的外加料摻加方式，綜合考慮，將廢玻璃粉的摻量比例確定為為0%、5%、10%、15%、20%、25%，其中0%為對照組，總共為六個(gè)對比層次。以表3中A2組為例，由于每個(gè)樣本試件中的黏土和玻璃粉的摻加總質(zhì)量是固定的，設(shè)為m，黏土的質(zhì)量為m1，玻璃粉的質(zhì)量為m2，則廢玻璃粉的摻加比列a為：

表3 試件編號情況一覽表

將表3 中A2 樣本試件中的黏土質(zhì)量和玻璃粉的質(zhì)量分別代入公式（1），則有：

其他樣本試件中廢玻璃粉的摻加質(zhì)量按照上述方法依次得出，具體摻加量如表3所示。

對鈉基膨潤土系水泥土組樣本進(jìn)行連續(xù)時(shí)間的單軸抗壓強(qiáng)度測試，時(shí)間軸定為3 天、7 天、11天、15 天。對鈣基、有機(jī)組膨潤土系水泥土組樣本的測試時(shí)間定為15 天。鈉基、鈣基、有機(jī)膨潤系水泥土樣本組分別記為A、B、C 組，A 組總數(shù)72件，B、C 組總數(shù)分別為18 件，三組共計(jì)108 件，具體編號如表3所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由全自動恒應(yīng)力水泥抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)自動采集。為了充分保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每一次的數(shù)據(jù)采集都是采用三個(gè)樣本為一組，數(shù)據(jù)處理嚴(yán)格按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》［14］進(jìn)行，取三個(gè)抗壓強(qiáng)度測定值的算術(shù)平均值作為抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，精確至0.1MPa，如三個(gè)測定強(qiáng)度值存在超過平均值±10%的值時(shí)，去掉此值后再平均。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玻璃粉摻量對膨潤土系水泥土力學(xué)性能的影響

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，鈉基膨潤土系水泥土的單軸抗壓強(qiáng)度值見表4。依據(jù)測試結(jié)果，進(jìn)一步得到了廢玻璃粉摻量對其峰值抗壓強(qiáng)度的影響關(guān)系，如圖1 所示，同時(shí)為了方便觀察試驗(yàn)測試值偏移均值的情況，圖1中給出了誤差線。圖2則進(jìn)一步揭示了齡期對其峰值抗壓強(qiáng)度的影響。

圖1 廢玻璃粉摻量變化對鈉基膨潤土系水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 不同玻璃粉摻量時(shí)鈉基膨潤土系玻璃粉水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期變化對比曲線

表4 鈉基膨潤土系水泥土的單軸抗壓強(qiáng)度值

考慮到文章主要研究廢玻璃粉對膨潤土系水泥土力學(xué)性能的影響，故為了進(jìn)一步揭示玻璃粉摻量對其抗壓強(qiáng)度的影響，選擇對表4中的3天抗壓強(qiáng)度進(jìn)行單因素方差統(tǒng)計(jì)差異性分析，設(shè)因素A 為不同廢玻璃粉摻量下的試驗(yàn)樣本，ST為總的離差平方和，SE為誤差平方和，SA為因素A 的平方和。記μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6依次表示玻璃粉摻量為0%、5%、10%、15%、20%、25%時(shí)所對應(yīng)的6組水泥土抗壓強(qiáng)度的均值，相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 鈉基膨潤土系水泥土的3天單軸抗壓強(qiáng)度值

表6 方差分析表

現(xiàn)檢驗(yàn)假設(shè)：H0：μ1=μ2=μ3=μ4=μ5=μ6，H1：μ1，μ2，μ3，μ4，μ5，μ6不全相等。將來自6 組實(shí)驗(yàn)中的測試數(shù)據(jù)計(jì)為xij（i=3，j=6），因?yàn)閚1=n2=n3=n4=n5=n6=3，則。另，每一組的數(shù)據(jù)加和分別為：T.1=6.9，T.2=7.2，T.3=6.9，T.4=5.7，T.5=6.9，T.6=7.2，T..=40.8，則有：

ST，SA，SE的自由度分別為17，2，15，從而得方差分析表如下：

因?yàn)镕0.05（2，15）=3.68，而F比=16.81＞3.68，故在顯著水平0.05 下拒絕H0。按此方法分別對表4中7天，11天，15天內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差差異性分析，其F比經(jīng)過計(jì)算依次是32.35，49.38，124.42，均大于3.68。上述分析表明不同廢玻璃粉摻量下膨潤土系水泥土抗壓強(qiáng)度的均值存在顯著差異，而且F比值隨著廢玻璃粉摻量增加逐漸增大，此現(xiàn)象充分說明廢玻璃粉的摻量變化對材料的抗壓性能有明顯的影響。

如圖1 所示，可以看出，在同一個(gè)齡期內(nèi)，隨著玻璃粉摻量的增加，膨潤土系水泥土的單軸抗壓強(qiáng)度的增長變化與其是正相關(guān)關(guān)系，但是當(dāng)玻璃粉的摻量比例趨近10%時(shí)，這種正相關(guān)開始反轉(zhuǎn)，變成負(fù)相關(guān)。一直到摻量比例接近在15%時(shí)，這種不利影響才消失。超過15%后，廢玻璃粉的摻量的增加再次對水泥土峰值抗壓強(qiáng)度的增長起到促進(jìn)作用。單就本實(shí)驗(yàn)而言，廢玻璃粉的最大摻量為25%，而且在齡期為15 天時(shí)，其最大單軸抗壓強(qiáng)度為4.1MPa。另外，當(dāng)廢玻璃粉的摻量為25%時(shí)，在全齡期范圍內(nèi)，其單軸抗壓強(qiáng)度都要比零摻加廢玻璃粉試件的水泥土強(qiáng)度要大，平均增長幅度為37%，故可以看出，廢玻璃粉對膨潤系水泥土強(qiáng)度增長的促進(jìn)作用還是非常明顯的。

如圖2 所示，當(dāng)廢玻璃粉摻量比例維持在0%、5%以及25%時(shí)，膨潤土系水泥土的單軸抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間基本上呈正相關(guān)，齡期在11 天之內(nèi)為線性增長，之后增長速率變小。但是當(dāng)玻璃粉摻量為10%與15%時(shí)，其15天時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了減小的趨勢，此種現(xiàn)象說明了廢玻璃粉摻量對強(qiáng)度的影響是動態(tài)變化的，這與膨潤土系水泥土復(fù)雜的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)機(jī)制有關(guān)，這種反應(yīng)機(jī)制包括除了傳統(tǒng)巖石力學(xué)與土力學(xué)中的微觀物理力學(xué)機(jī)制，還涵蓋了化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，這些作用機(jī)制之間會互相耦合和影響，依據(jù)單一反應(yīng)機(jī)制來解釋上述宏觀現(xiàn)象是非常困難的。通過分析研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能的原因是：水泥在水化反應(yīng)過程中，會產(chǎn)生一定量的熟石灰，從而賦予工程材料整體處于一個(gè)偏堿性的環(huán)境。水泥土中的堿性陰離子隨著濃度的增加，最終與廢玻璃粉中的活性二氧化硅（SiO2）及膨潤土中的蒙脫石發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的水分亦進(jìn)一步促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)。當(dāng)膨潤土系水泥土中的廢玻璃粉摻量為10%與15%時(shí)，會加劇上述反應(yīng)，即水泥中的熟石灰被過度快速的反應(yīng)，從而影響了水泥本身硬化物質(zhì)的形成，降低了水泥土的強(qiáng)度。當(dāng)廢玻璃粉的摻量比繼續(xù)增大時(shí)，廢玻璃粉對土中微觀孔隙的填充作用也會繼續(xù)加強(qiáng)，繼而提高其強(qiáng)度。也就是說，水泥，膨潤土，廢玻璃粉三者之間摻比的變化會影響土體內(nèi)部微觀反應(yīng)機(jī)制的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系，具體的影響機(jī)制有待進(jìn)一步探明。

2.2 不同種類膨潤土系玻璃粉水泥土抗壓性能對比分析

鈉基、鈣基、有機(jī)測試試件的15 天周期單軸抗壓強(qiáng)度測試值數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 同一齡期不同種類膨潤土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果一覽表

依照上述方法，對表7 中鈣基和有機(jī)膨潤土系水泥土15 天的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差統(tǒng)計(jì)差異分析，經(jīng)過計(jì)算，F(xiàn)比（鈣基）=17.56，F(xiàn)比（有機(jī)）=231.54，而F比（鈉基）=124.42，三者均大于F0.05（2，15）=3.68，說明在同一周期內(nèi)，對三種膨潤土系水泥土而言，不同廢玻璃粉摻量下其抗壓強(qiáng)度的均值存在顯著差異，再次驗(yàn)證了廢玻璃粉摻量和膨潤土系水泥土力學(xué)性能之間存在明顯的響應(yīng)關(guān)系。

從圖3 可知，當(dāng)玻璃粉摻量相同時(shí)，三組膨潤土系水泥土的強(qiáng)度各不相同，總體上看鈉基系水泥土峰值抗壓強(qiáng)度高于其他兩組，尤其是當(dāng)廢玻璃粉摻比超過15%時(shí)，這種趨勢愈加明顯。鈉基系和鈣基系水泥土強(qiáng)度隨玻璃粉摻量變化趨勢基本一致，都是先增大再變小，之后再增大。有機(jī)膨潤系水泥土的峰值強(qiáng)度與廢玻璃粉摻量呈負(fù)相關(guān)，主要原因可能是有機(jī)膨潤土和其他兩種膨潤土相比，其吸水速度慢，交換離子主要是有機(jī)陽離子，而廢玻璃粉粒徑小，其摻量的增加必然會加大黏土內(nèi)部與有機(jī)陽離子的接觸面積，微小玻璃粉顆粒表面帶有負(fù)電荷后，會產(chǎn)生對有機(jī)陽離子的吸附作用，導(dǎo)致有機(jī)陽離子不能與Ca2+充分交換，繼而阻礙了蒙脫石各層間的塌縮，直接影響了水泥土密實(shí)度的增大速率。而其他兩種膨潤土，主要的交換離子是金屬陽離子，與廢玻璃粉顆粒間的吸附作用非常弱，可以忽略不計(jì)。綜上，廢玻璃粉作為外摻加料對有機(jī)膨潤土系水泥土單軸抗壓強(qiáng)度的提高是消極負(fù)面的，但這也為廢玻璃粉在膨潤土系水泥土中的實(shí)際應(yīng)用提供了參考，避免了對外摻料的隨意摻加使用。

圖3 玻璃粉摻量對三種膨潤土15d抗壓強(qiáng)度的影響對比分析曲線

3 結(jié)語

本研究首次將廢玻璃粉應(yīng)用到膨潤系水泥土工程中，利用正交試驗(yàn)全面揭示廢玻璃粉摻量與膨潤系水泥土力學(xué)性能之間的變化關(guān)系，為廢玻璃粉在土質(zhì)地下防滲墻中的工程應(yīng)用提供了理論參考，實(shí)現(xiàn)了廢玻璃粉的再循環(huán)利用，符合國家現(xiàn)行的工業(yè)環(huán)保政策導(dǎo)向，具有一定的工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值?，F(xiàn)階段，主要的結(jié)論有：

（1）對鈉基和鈣基膨潤土系水泥土而言，其單軸抗壓強(qiáng)度余廢玻璃粉摻量是正相關(guān)的，但是當(dāng)玻璃粉的摻量比例趨近10%時(shí)，這種正相關(guān)開始反轉(zhuǎn)，變成負(fù)相關(guān)。一直到摻量比例接近在15%時(shí)，這種不利影響才消失。超過15%后，廢玻璃粉的摻量的增加再次對水泥土峰值抗壓強(qiáng)度的增長起到促進(jìn)作用。廢玻璃粉對有機(jī)膨潤土系水泥土的單軸抗壓強(qiáng)度的提高并無促進(jìn)作用。

（2）廢玻璃粉對鈉基膨潤系水泥土抗壓強(qiáng)度的提高作用比較明顯，就本實(shí)驗(yàn)而言，最佳摻量在25%附近，對于土質(zhì)地下防滲墻強(qiáng)度的提高具有實(shí)際的工程指導(dǎo)意義。

（3）本文實(shí)驗(yàn)中廢玻璃粉的摻量比例最大僅限于25%，后期需要更多的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其適用性。另外，未來將針對廢玻璃粉對膨潤系水泥土的抗?jié)B性和耐堿性腐蝕進(jìn)行深入的研究。