废玻璃粉再生细骨料混凝土的性能研究★

杨 震 李 雪 高海杰 王少轩 杨 洋 郭光玲 薛丽皎

(陕西理工大学土木工程与建筑学院,陕西 汉中 723001)

随着国内经济的快速发展及城镇化进程加速，废玻璃产量日益增加。我国每年城市的废弃玻璃约450万t～750万t，占城市生活垃圾总量的3%～5%。这些废弃玻璃部分被重新加工成新玻璃，因为加工的成本昂贵，利用率低，大部分作为垃圾被丢弃[1]。但废玻璃可以作为再生资源加以综合利用，既可以减少土地资源浪费、保护环境，又可以节约资源与能源实现环境与经济效益的双赢。废玻璃混凝土试件早期强度虽低，但后期强度较高，性能较好，可直接用作混凝土骨料[2]。本实验以废玻璃代替部分天然细骨料，研究再生废玻璃混凝土的力学性能，旨在为实际工程提供理论基础。

1试验概况

1.1 试验材料

1)水泥：采用中材汉江水泥股份有限公司生产的P.O42.5级水泥。

2)粗骨料：采用天然碎石(粒径4.5 mm～20 mm)进行筛分，连续级配，其相关参数见表1。

表1 粗骨料的相关参数

3)天然细骨料：采用天然河砂，粒径为0.15 mm～4.75 mm,连续级配。

4)废玻璃粉：将回收的废玻璃瓶、有机玻璃等进行清洗后，采用人工、机械粉碎的方法将其粉碎至所需粒径，利用0.15 mm～4.75 mm筛网进行筛选，筛出所需粒径的废玻璃粉作为再生细骨料，玻璃粉再生细骨料的密度见表2，玻璃粉的含水率忽略。

表2 玻璃粉再生细骨料的密度 kg/m3

5)粉煤灰：在混凝土中掺加粉煤灰既可节约水泥，减少用水量及水化热，改善混凝土和易性等[3]，也可防止废玻璃混凝土的碱骨料反应。粉煤灰采用陕西略阳嘉陵发电有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，其技术参数见表3。

表3 Ⅱ级粉煤灰技术参数 %

6)水:采用普通自来水。

1.2 试验设计

本实验利用控制单一变量的方法进行研究，采用一定强度的混凝土进行强度设计基本配合比，在此基础上，利用提前粉碎好的废玻璃粉按不同取代率取代天然砂，此次试验共试配五种不同取代率下的废玻璃再生细骨料混凝土试件，研究其和易性、强度等性能。

本次试验配合比按照《混凝土结构设计原理》设计，其水灰比0.53、单位用水量195 kg/m3、砂率35%、坍落度35 mm～50 mm，粉煤灰按照等量取代，取用量为水泥的30%。

采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试模和100 mm×100 mm×300 mm棱柱体混凝土试模制作试块，试件的制作严格按照GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准进行，此次试验设计5组，每组100 mm×100 mm×100 mm试块12块、共计60块；每组100 mm×100 mm×300 mm试块3块，共计15块。试件养护按照标准养护，分别测试废玻璃再生细骨料混凝土3 d,7 d,28 d等龄期的立方体抗压强度和长方体抗压强度，其配合比设计见表4。

表4 废玻璃再生细骨料混凝土配合比设计

2 实验结果及分析

2.1 拌合物的和易性分析

废玻璃再生细骨料混凝土和易性测试采用坍落度法,其结果如表4所示,由表4可知,废玻璃再生细骨料混凝土工作性能满足要求，当粉煤灰掺量较少时，填充作用明显，掺量超过一定阈值时，表面能增加引起的亲水作用占主导，填充水需求量反而增大，导致流动性降低[4]；施工条件方面：试验时间在冬季，室内气温较低，对混凝土的流动性有一定影响。

2.2 强度分析

在混凝土试块标准养护3 d,7 d,28 d后，进行抗压强度实验，结果记录如表5所示。

表5 不同龄期下废玻璃再生细骨料混凝土的抗压强度

2.2.1废玻璃粉取代率

废玻璃粉取代率与抗压强度的关系曲线如图1，图2所示，从图1可以看出：废玻璃取代率对混凝土强度有较大影响，以未掺入废玻璃的普通混凝土为参照组进行对比，即0%因废玻璃的取代率的不同，掺入废玻璃混凝土的强度在普通混凝土的强度上下波动。取代率不超过30%，随着废玻璃取代率的增加，废玻璃混凝土强度逐渐增加，但是当废玻璃取代率超过30%时，其强度有所下降，从中反映出混凝土的强度并不是随取代率的增加而持续增加，有一个最适取代率。从折线图中可以得出取代率在30%时强度最高，取代率在20%和50%时混凝土强度有所提高，较普通混凝土强度高。

从图2可以看出：取代率在不超过30%时，废玻璃混凝土强度较普通混凝土强度有所增加，取代率超过30%以后，废玻璃混凝土强度有所下降。其龄期3 d，7 d的混凝土长方体抗压强度在取代率为20%较高；当龄期为28 d时，取代率为20%的混凝土长方体试块强度不及取代率30%时高。其原因分析:各龄期下废玻璃混凝土的轴心抗压强度与废玻璃代砂率具有相关性，且随着废玻璃代砂率的增加废玻璃混凝土的轴心抗压强度是减少的[6]。

2.2.2粉煤灰等量取代水泥

粉煤灰颗粒呈多孔结构，比表面积大，具有较高的吸附活性，颗粒范围为0.5 μm～300 μm孔隙率高达50%～80%，有很强的吸水性。粉煤灰在混凝土中的作用，主要有形态效应、火山灰效应、微集料效应。形态效应：粉煤灰的主要矿物组成是铝硅酸盐玻璃珠和海绵体(包括球状颗粒、不规则碎屑颗粒的黏连体)，球状玻璃体如同玻璃球一般，质地致密，表面光滑，粒度细内比表面积小，对水的吸附力小，因此我们可以把粉煤灰当作滚轴来考虑，它有效的减少了混凝土之间的内摩擦[7]。这些物理特性，不仅使水泥浆需水量减小，显著地改善了混凝土的工作性，流动性也会相对增加，填充作用使硬化混凝土的密实性得到改善；火山灰效应：粉煤灰中的SiO2和Al2O3等于石灰或水泥水化产物在有水存在的情况下发生化学反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等物质的能力。粉煤灰的火山灰反应滞后于水泥熟料的水化，上述这些反应的产物填充于水泥水化产物的孔隙中，大大降低混凝土内部的孔隙率，导致孔径细比。孔径细比和粒径细化均能改善孔结构，提高混凝土粘结作用。微集料效应：粉煤灰中的微细颗粒均匀分布于水泥浆的基相之中，阻止了水泥颗粒的相互粘聚，起到了分散和润滑作用，打破了水泥浆的絮状结构，有助于混凝土的改善，有利于混合物的水化反应，同时，粉煤灰还可以弥补混凝土中细粉料的增加，也使浆体体积增加，改善了混凝土的粘聚，抑制了混凝土离析泌水现象，粉煤灰颗粒形态和亲水性，球状玻璃体可以吸附一层水膜，即粉煤灰有良好的保水性，有利于混凝土需水量的减少，还有助于混凝土中空隙和毛细孔的填充和细化。

3 结语

通过研究废玻璃粉再生细骨料混凝土的和易性和强度，得出以下结论：1)通过废玻璃代替细骨料其混凝土强度可以满足建筑要求，废玻璃混凝土强度较普通混凝土强度高。2)本次实验研究可以得出掺入废玻璃的混凝土，在取代率不超过30%时，混凝土强度随取代率的增大而增加，当取代率超过30%时，混凝土强度随取代率的增大而降低。本次试验所取取代率间隔略大，可以得出最佳取代率在20%～30%之间。废玻璃混凝土的坍落度较普通混凝土坍落度略大。