废玻璃细骨料再生混凝土的性能研究

薛丽皎， 郭光玲， 林友军

(陕西理工大学 土木工程与建筑学院， 陕西 汉中 723000)

我国每年约产生700万吨的废玻璃，占固体废料总量的6%～11%，社会存量较大，直接废弃将给人类生存环境带来巨大压力。废玻璃是一种无定型的高二氧化硅(SiO2)材料，具有很强的潜在火山灰活性，可以作为建筑业的再生资源加以综合利用[1-2]。近年来，国内外许多学者对废玻璃取代天然粗骨料、天然细骨料或凝胶材料配制再生混凝土的配合比、最优取代率、力学性能、工作性能、碳化特征、废玻璃粉的活性等基础性能进行了较为全面的研究[1-7]，得到了一些有价值的结论，但是关于废玻璃再生混凝土无损检测的研究则鲜有报道。本文以粉煤灰质量分数30%等量取代水泥，以废玻璃取代天然细骨料配制再生混凝土，分别测试龄期为3、7、28、60、90 d再生混凝土的抗压强度及回弹值，应用SPSS软件建立再生混凝土养护龄期和抗压强度之间的关系及回弹值和抗压强度之间的关系，来评定废玻璃再生混凝土的性能[8]。

1 试验方案

1.1 原材料

(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：采用粒径为4.75～25.5 mm连续级配的天然碎石；

(3)细骨料：采用天然河砂，粒径为0.15～4.75 mm，连续级配；

(4)废玻璃：将废玻璃挑选并清洁晾干后，先利用人工初步粉碎，再采用球磨机将其磨细，制成0.15～4.75 mm连续级配的废旧玻璃再生细骨料，其性能指标如表1所示；

(5)粉煤灰：采用陕西省略阳县嘉陵发电有限公司生产的II级粉煤灰，质量分数30%等量取代水泥，其技术参数如表2所示。

表1 废玻璃性能指标

表2 粉煤灰的技术性能

1.2 试件制作

配合比设计严格按照《普通混凝土配合比设计规程(JGJ55—2011)》[9]，配合比：水胶比为0.53，砂率为33%，坍落度为30～50 mm。粉煤灰按质量分数30%等量取代水泥，废玻璃细骨料以质量分数0、10%、20%、30%、50%的取代率取代天然细骨料，配合比结果见表3。

表3 混凝土配合比设计方案

严格按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T50080—2016)》[10]测试5种配比的坍落度值并制成100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，24 h后脱模并进行标准养护。

1.3 试验设备及测试

(1)测试设备：压力试验机采用无锡建仪有限公司生产的YZ-2000型液压压力试验机；回弹仪采用山东乐陵回弹仪厂生产的ZC3-A型回弹仪。

(2)测试：按照《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2016)》[11]测试试件3、7、28、60、90 d龄期的抗压强度；按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程(JGJ/T23—2011)》[12]测试试件28、60、90 d龄期的回弹值。

2 试验结果及分析

试验结果见表3、表4。

表4 废玻璃再生混凝土测试结果 MPa

注：fcu表示再生混凝土抗压强度，Rm表示回弹值

图1 废玻璃取代率与坍落度的关系

2.1 废玻璃再生混凝土的工作性能

由表3可知：RGC0、RGC1、RGC2、RGC3和RGC4试块的坍落度符合配和比设计要求，说明将废玻璃再生细骨料部分取代天然细骨料制作的再生混凝土拌合物的和易性满足施工要求。废玻璃细骨料取代率与混凝土拌合物坍落度的关系曲线如图1所示，由表3和图1可知：随着废玻璃细骨料取代率的增加，废玻璃再生混凝土拌合物的坍落度逐渐增大，这是由于废玻璃细骨料具有比表面积小、密实性好和表面光滑的特性，随着废玻璃细骨料取代率的增加，在搅拌废玻璃再生混凝土拌合物时吸水率低，骨料之间的润滑作用好，使得新拌混凝土的流动性增大[7]；同时废玻璃再生混凝土中呈玻璃态空心微珠颗粒的粉煤灰能够增大混凝土的流动性、减少泌水、改善和易性、抑制碱骨料发生，也增加废玻璃再生混凝土拌合物的流动性；图1中在废玻璃取代率为20%～30%时，混凝土拌合物坍落度变化率较大，可以认为在这区段内废玻璃再生混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性达到统一，工作性能较好。

2.2 废玻璃细骨料取代率与废玻璃再生混凝土抗压强度的关系

2.2.1 废玻璃细骨料再生混凝土的最优取代率

图2 废玻璃取代率与抗压强度的关系

试块破坏后，用铁棒轻微敲击再生废玻璃细骨料混凝土碎块，会出现玻璃集料从中脱落，然后水泥和石子脱落，这是因为废玻璃细集料表面较为光滑，水泥石难以很牢固地包裹在废玻璃细集料表面，废玻璃再生混凝土在破坏时，首先是水泥石从玻璃细集料表面粘结脱落破坏，然后才是水泥石与粗骨料的界面过渡区破坏[5]，这点与普通混凝土的破坏机理不同。废玻璃细骨料取代率与再生混凝土抗压强度的关系曲线如图2所示。

由表4和图2可知，废玻璃细骨料取代率适量时可以提高再生混凝土的强度，随着废玻璃细骨料取代率的增加，再生混凝土抗压强度先减小再增加后降低，在取代率为10%～30%时曲线上升，在取代率为30%～50%时曲线下降，取代率30%为曲线的拐点，即废玻璃取代率大于30%时，废玻璃混凝土的抗压强度降低，点(30%，fcu，RGC3)为曲线的最大值点，即在取代率为30%时，有fcu，RGC1

2.2.2 废玻璃细骨料的作用机理

因水泥水化作用和废玻璃火山灰效应等的存在，在废玻璃细骨料取代率小于10%时，玻璃粉细骨料表观密度和吸水性比砂子小，废玻璃火山灰活性作用产生的C-S-H和C-Al-H凝胶少，废玻璃再生混凝土的强度降低；当废玻璃细骨料取代率在10%～30%时，随着废玻璃细骨料含量的增加，废玻璃火山灰活性作用产生的C-S-H和C-Al-H凝胶也增多，同时破碎后的废玻璃细骨料表面形成多棱角，多棱角玻璃与硬化水泥浆体结合粘结力较大，使得废玻璃再生混凝土的抗压强度提高[1]。但是当取代率大于30%时，拌制流动性符合要求的混凝土时，多棱角的废玻璃细骨料需要更多的水泥浆量，而废玻璃再生混凝土拌合物的粘聚性和保水性下降，再生混凝土易出现分层、流桨，影响混凝土组成的均匀性，从而导致再生混凝土的抗压强度降低。

2.3 废玻璃再生混凝土养护龄期与抗压强度的关系

废玻璃再生混凝土养护龄期与抗压强度的柱状图关系曲线如图3所示。从图中显示：在28～90 d龄期内，废玻璃细骨料再生混凝土的抗压强度随着养护时间的增长而增大，这与普通混凝土龄期与抗压强度的变化关系一致。但不同龄期增长率有差异，其龄期变化与再生混凝土抗压强度相对增长率Δfcu如表5所示。由表中的数据可知：7～28 d龄期内Δfcu增长最快，均大于60%，其中RGC1的Δfcu达到76.1%；60～90 d龄期内Δfcu增长最慢，其中RGC2的Δfcu仅为1.72%。

图3 龄期与再生混凝土抗压强度的关系

试件编号龄期变化3～7 d7～28 d28～60 d60～90 dRGC053.01%71.30%20.70%2.14%RGC157.33%76.10%32.63%4.92%RGC248.55%61.57%22.09%1.72%RGC340.73%64.34%16.84%3.17%RGC458.81%72.92%24.35%2.80%

由图1、2可知，废玻璃细骨料取代率为30%时，废玻璃再生混凝土的工作性能最佳，抗压强度最大，采用SPSS数据分析软件对取代率最优的RGC3进行试验数据回归分析，t表示龄期，fcu表示再生混凝土的抗压强度，则RGC3试件的t-fcu预测公式如下：

fcu=8.920×10-5t3-0.018t2+1.159t+10.752(R2=0.997)。

(1)

将RGC3试件龄期与废玻璃再生混凝土抗压强度预测公式(1)与试验结果进行对比如表6所示，可知，90 d抗压强度预测公式计算值与试验实测值误差大于5%，其他龄期的误差均小于5%，试块的平均误差和标准差均小于5%，t-fcu的相关性系数R2=0.997≈1，这说明RGC3试件t-fcu预测公式(1)的相关性很好，具有较好的适应性。

表6 RGC3试件龄期与抗压强度计算值与试验值

注：平均误差为4.60%，标准差为1.49%

2.4 回弹值与再生混凝土抗压强度的关系

图4 回弹值与抗压强度的关系曲线

由图4可知：

(1)废玻璃再生混凝土的抗压强度随着回弹值的增大而增加，这种变化关系与普通混凝土的变化规律相近。

(2)当强度相同时，废玻璃再生混凝土的回弹值低于普通混凝土，说明废玻璃再生混凝土的表面硬度低于普通混凝土，这一方面是因废玻璃中活性SiO2与水泥中的碱发生反应生成碱-硅酸凝胶(Alkali-Silica Reaction，ASR)，ASR不断吸水，体积相应不断膨胀而使水泥石孔隙率增大，导致再生混凝土的回弹值降低[15]；同时因废玻璃表面较光滑，再生混凝土在硬化过程中，水泥石难以很牢固地包裹在玻璃表面，与硬化后的水泥石粘结强度较小，再生混凝土结构的致密性较普通混凝土差，导致再生混凝土的回弹值降低[5]。

(3)废玻璃细骨料再生混凝土的回弹值与抗压强度之间也存在着一定的相关关系，因此实际工程中也可采用回弹法检测废玻璃细骨料再生混凝土的抗压强度。

(4)结合本试验最优配合比(RGC3试件)试验结果，应用SPSS软件建立再生混凝土回弹值和抗压强度之间的关系，则：

(2)

(2)式中的相关系数R2=0.875 9，平均相对误差δ=2.61%≤12%，相对标准差er=3.0%≤14%，满足文献[12]对专用测强曲线的精度要求。

采用普通混凝土全国测强曲线公式[12]：

则计算的平均相对误差δ=54.4%>13.89%，相对标准差er=58.7%>17.24%，不满足《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程(JGJ/T23—2011)》规范中的精度要求；采用普通混凝土陕西省测强曲线公式：

则计算的平均相对误差δ=50.17%>5.1%，相对标准差er=54.14%>10.2%，不符合文献[15]的精度要求，这说明普通混凝土统一测强曲线，不适用于废玻璃细骨料再生混凝土。

3 结 论

通过对废玻璃细骨料再生混凝土的性能研究，得到以下结论：

(1)随着废玻璃取代率的增加，再生混凝土拌合物的坍落度也增大，当废玻璃取代率为20%～30%时，再生混凝土拌合物的流动性、保水性和粘聚性基本达到统一，工作性能好；

(2)随着废玻璃细骨料取代率的增加，废玻璃细骨料的取代率与再生混凝土抗压强度的关系曲线先减小后增加再减小，当废玻璃取代率为30%时，再生混凝土的抗压强度最大，本试验废玻璃细骨料的最优取代率为30%；

(3)随着龄期的增长，水泥的水化作用和废玻璃的火山灰活性作用增强，再生混凝土的抗压强度增大，用SPSS软件对本试验最优配合比RGC3试件分析得到的龄期与强度拟合公式，可以给工程实践提供一定参考；