废弃玻璃粉对水泥砂浆力学性能的影响

张 苹，艾 昕，张 鹏，魏 国(.青岛理工大学土木工程学院，青岛66033；.东北大学冶金学院，沈阳0004)

废弃玻璃粉对水泥砂浆力学性能的影响

张 苹1，艾 昕1，张 鹏1，魏 国2
(1.青岛理工大学土木工程学院，青岛266033；2.东北大学冶金学院，沈阳110004)

废弃玻璃经球磨机研磨成粉可作为水泥砂浆的原料.本文通过正交试验研究了废弃玻璃粉掺量(0、10 %、20 %、30 %)、水胶比(0.35、0.4、0.5、0.6)、胶凝总量(420、450、480、500 kg/m3)和玻璃着色剂种类等因素对水泥砂浆的力学性能影响规律.结果表明，随着废弃玻璃粉掺量的增加，砂浆试块的抗压强度先增大后降低.最佳玻璃粉掺量为10 %，水胶比为0.4，胶凝总量为 450 kg/m3；对废弃玻璃粉水泥砂浆强度影响最显著的因素为玻璃粉掺量，其次为水胶比，而胶凝材料总量和着色剂对强度的影响很小.废弃玻璃粉的火山灰活性效应不明显.利用废弃玻璃粉作为掺合料生产水泥砂浆是可行的.

废弃玻璃粉；水泥砂浆；正交试验；抗压强度

随着世界工业化的进程，玻璃的产量和消耗量都在逐年增加，我国每年产生的废弃玻璃约320万t，占到了城市生活垃圾的2%，对人类的生活环境产生了巨大的影响.例如，2011年北京每天废玻璃量达到 1 500 t，需环保部门耗费约10万元 进行处理[1-2].

废弃玻璃粉应用于混凝土中，或取代部分水泥[3-6]，或取代部分骨料[7-9]，而玻璃中最常见的是钠钙玻璃， 其中Na2O多在10%左右，不论哪种方式掺入都涉及到碱骨料反应，但玻璃粉中的碱在多大程度上参与碱骨料反应意见不一[10-13]，如何控制碱骨料反应也还有待于深入.这在很大程度上限制了玻璃粉在混凝土中的应用.因此将废弃玻璃粉应用于建筑砂浆，避开ASR风险，在经济、生态、技术上均具有可行性.

本研究尝试将废弃的玻璃回收研磨成粉，使其粒度接近于水泥.尝试不同比例的玻璃粉替代部分水泥制成水泥砂浆，以玻璃粉掺量、水胶比、胶凝总量、玻璃着色剂作为影响因素进行正交试验对其早期和长期强度进行分析，并分析反应机理，为利用废弃玻璃粉生产水泥砂浆提供依据.

1 试 验

1.1 原材料及试件制备

本试验中的玻璃粉水泥砂浆由玻璃粉、水、水泥、砂组成.原材料均来自本地，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，砂为标准砂，玻璃粉为球磨机研磨，过70 μm筛；把玻璃粉经烘干后进行X荧光光谱分析，废弃玻璃粉内的氧化物组成如表1所示.试件规格为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体.废弃玻璃粉取代部分水泥制作水泥砂浆，为消除因粒度而影响强度的测定，对玻璃粉和水泥分别进行了粒度分析，粒度分布如图1所示.从图中可以看出，玻璃粉的粒径接近于水泥的颗粒粒径，可以取代部分水泥充当胶凝材料.正交试验表及其配合比如表2所示.

表1 试验用废弃玻璃粉的氧化物组成(质量分数)

图1 试验用水泥及废弃玻璃粉粒度分布图Fig.1 Particle size distributions of the cement and the waste glass powder

表2 废弃玻璃粉水泥砂浆正交试验配合比

1.2 试验方法

按照《GB17671-1999》标准进行试验.把试件放在标准养护室进行养护(温度20±1 ℃，湿度RH ≥ 95 %).试验研究玻璃粉掺量，水胶比，胶凝总量，着色剂对玻璃粉水泥砂浆强度的影响.把试块从标准养护室拿出之后分别测其3、 7、 28、 60 d 的强度，测定值取所测试块的平均值，再与基准水泥砂浆试块的强度进行比较.通过直观分析和方差分析确定玻璃粉水泥砂浆的最佳配合比.

2 结果分析与讨论

不同龄期的废弃玻璃粉水泥砂浆试件的抗压强度如表3所示.通过极差分析得到废弃玻璃粉砂浆试件3 d抗压强度关于掺量、水胶比、胶凝总量、颜色的极差为：10.465、 9.403、 1.647、 3.723； 7 d 抗压强度值的极差为：15.21、 10.358、 2.032、 5.201；28 d时的极差为：15.84、 8.778、 0.933、 4.299；即四因素影响抗压强度主次顺序为：玻璃粉掺量>水胶比>着色剂和胶凝总量.由正交分析可知，在试验水平范围内，前28 d废弃玻璃粉砂浆试件各因素最佳水平组合为A2B2C2，即废弃玻璃粉掺量为10 %，水胶比为0.4，胶凝总量为450 kg/m3.

为避免误差对试验结果的影响，对正交试验进行了方差分析，如表4所示.由结果可知：玻璃粉掺量对抗压强度的影响非常显著，水胶比对抗压强度的影响显著，着色剂种类与胶凝总量对抗压强度影响不显著.这与极差分析的结果一致.但当玻璃粉水泥砂浆试件养护到60 d的时候，其强度增长缓慢，并且低于基准水泥砂浆试件的抗压强度，这与期望的玻璃粉增强后期强度的效果相反，分析可能与玻璃粉结构组成有关，还需要进一步试验测定.

表3 掺废弃玻璃粉水泥砂浆抗压强度不同龄期正交试验结果(单位：MPa)

表4 抗压强度方差分析表

玻璃粉掺量、水胶比和胶凝总量与抗压强度的关系分别如图2至图4所示.由结果可见，废弃玻璃粉水泥砂浆试件在 28 d 龄期内的抗压强度随着玻璃粉掺量的增加呈现先增大后降低的趋势，玻璃粉掺量在10%时，抗压强度值最大，继续增加玻璃粉掺量，抗压强度开始下降.因此认为，虽然废弃玻璃粉的颗粒粒度与所用的水泥粒度比较接近，少量掺加时起到有限的改善微结构的效果，但可能由于所用玻璃粉的活度有限，掺量增加后凝胶产物量降低，使得强度有所降低.抗压强度随水胶比的变化趋势类似， 28 d 龄期内废弃玻璃粉砂浆的抗压强度在水胶比为0.4时最大，然后随水胶比增大而降低.比较图4中抗压强度随胶凝材料总量的变化可以发现，胶凝材料总量为 450 kg/m3时的强度最高，但整体对强度的影响不明显.

图2 抗压强度随玻璃粉掺量变化关系Fig.2 Relationship between compressive strength and added amount of glass powder

对第1组(无玻璃粉)和第14组(掺30%玻璃粉)水泥砂浆3 d和28 d的试件热重分析结果分别如图5至图8所示.可以看出，试样主要在120～150 ℃，440～460 ℃，700～730 ℃三个温度区间内有明显的质量损失.试样在130 ℃左右时，失去自由水；升温至450 ℃左右时，氢氧化钙分解；升温至710 ℃左右时，碳酸钙分解.无玻璃粉试件3 d时氢氧化钙损失为1.179%，28 d时氢氧化钙损失增大为1.808%，这是由于氢氧化钙是水泥水化产物之一，随着水泥水化反应的进行，其在砂浆中的量增大.而第14组即掺加30%玻璃粉试件3 d时氢氧化钙损失为1.517%，28 d时质量损失则有所降低，为1.330%.与无玻璃粉试件相比，3 d的氢氧化钙质量损失增加了0.238%.这与图2中玻璃粉掺量在10%时，3 d和7 d强度均比纯水泥略微增加是相对应的.这说明玻璃粉粒度与水泥相当时，其无定形二氧化硅具有一定的早期水化活性.水化初期，玻璃粉中的无定形二氧化硅与水泥水化产物氢氧化钙进行二次水化反应，Ca2+离子逐渐将[SiO4]4-四面体链打断瓦解并逐步融入到C—S—H结构中，变成了连接[SiO4]4-四面体链与链之间的“—O—Ca—O—”键，生成水化硅酸钙(C—S—H凝胶)，充填砂浆试件孔隙，有利于早期强度的提高.而28 d时氢氧化钙损失有所降低，说明玻璃粉中二氧化硅的活性比较有限，不能大量地取代水泥，粉磨粒度控制在水泥相当即可，掺量宜控制在10%以下.

图3 抗压强度随水胶比变化关系Fig.3 Relationship between compressive strength and water/cement ratio

图4 抗压强度随胶凝总量变化关系 Fig.4 Relationship between compressive strength and total amount of binding material

图5 第1组砂浆试件(无玻璃粉)3 d时的热重分析结果 Fig.5 TGA results of the first group of mortar samples (without glass powder) in age of 3 days

图6 第1组砂浆试件(无玻璃粉)28d时的热重分析Fig.6 TGA results of the first group of mortar samples (without glass powder) after 28 days aging

图7 第14组砂浆试件(掺30%玻璃粉)3 d时的热重分析结果Fig.7 TGA results of the 14 th group of mortar samples (with 30% of glass powder) in age of 3 days

图8 第14组砂浆试件(掺30%玻璃粉)28 d时的热重分析结果 Fig.8 TGA results of the 14th group of mortar samples (with 30% of glass powder) after 28 days aging

3 结 论

(1)在各因素水平范围内，随着玻璃粉掺量的增加，废弃玻璃粉水泥砂浆试块的抗压强度先增大后降低.最佳的玻璃粉掺量为10 %，水胶比为0.4，胶凝总量为450 kg/m3.极差分析显示，对废弃玻璃粉水泥砂浆试块抗压强度影响最为显著的是玻璃粉掺量，其次是水胶比，而胶凝总量和着色剂种类对强度的影响不大.

(2)废弃玻璃粉的火山灰效应不明显，生产的砂浆试块有早期强度(28 d以前)提高的特点.

(3)利用废弃玻璃粉作为掺合料生产水泥砂浆是可行的，即解决了废弃玻璃的处置问题，减少环境污染，又节省水泥胶凝材料.

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Influence of waste glass powder on the mechanical property of cement mortar

Zhang Ping1, Ai Xin1, Zhang Peng1, Wei Guo2

(1. School of Civil Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao. 266033;2. School of Metallurgy， Northeastern University, Shenyang 110004, China)

The waste glass grinded by ball milling into fine powder can be taken as a material of the cement mortar. The compressive strength of cement mortar was investigated by means of orthogonal test, taken content of waste glass powder added (0, 10%, 20% and 30% ), water/cement ratio (0.35, 0.4, 0.5 and 0.6), total amount of binding materials (420, 450, 480 and 500 kg/m3) and the colorant as the factors. The results indicated that with increase of the waste glass powders, the compressive strength of the mortar increases at first and then decreases. The optimum composition obtained from the orthogonal tests is as follows: the glass powder is 10%, water-cement ratio is 0.4 and total amount of binding materials is 450 kg/m3. The most remarkable factor influencing the compressive strength of the glass powder cement mortar is the glass powder, followed by the water-cement ratio. While total amount of binding material and the colorant just show a little impact. Effect of the pozzolanic activity for the glass powder is not evident. It is believed the waste glass powder is feasible to add into a cement mortar.

waste glass powders; cement mortar; orthogonal test; compressive strength

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.014

TB 321

A

1671-6620(2017)01-0073-06