废玻璃粉对混凝土力学性能的影响试验研究

苏柳月 陈怀 何其 黄曦 肖晓旭 方翠

摘  要：为提高玻璃废弃物的有效利用率，顺应可持续发展要求，将废玻璃粉作为辅助胶凝材料替代混凝土中的水泥，研究不同玻璃粉掺量下混凝土的力学性能，并探讨粉煤灰与玻璃粉复掺对废玻璃粉混凝土力学性能的影响.试验结果表明：废玻璃粉的掺入降低了混凝土的坍落度和抗压强度，但其后期火山灰活性效应增强，玻璃粉掺量为10%～20%的混凝土28 d抗压强度接近基准混凝土;随着粉煤灰在玻璃粉混凝土中掺量的增多，混凝土7 d、28 d的强度均呈减小趋势，掺量为20%～25%时可提高混凝土的和易性;废玻璃粉作为掺合料在混凝土中具有良好的应用前景.

关键词：废玻璃粉混凝土;力学性能;和易性;粉煤灰;火山灰活性

中图分类号：TU528.44            DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.004

0    引言

混凝土材料因其来源广、可塑性好、坚固耐用等优点被广泛应用于房屋、道路、桥梁等建设工程当中，混凝土结构也成为当今世界应用最为广泛的建筑结构形式.水泥作为制造混凝土不可或缺的重要原料，主要來源于矿山开采，而在其生产过程中会产生大量的噪声、水体、空气污染，同时过度的开采还容易破坏生态平衡，导致水土流失.因此，寻找混凝土原料的替代品具有十分重要的社会意义.

近年来，随着我国经济建设的快速发展，玻璃制品在人们的生活中得到了大规模的应用，但与此同时也导致了玻璃废弃物的数量逐年递增，而我国废弃玻璃的回收再利用由于技术、经济和制度问题一直未得到根本改善，大部分废玻璃被作为垃圾丢弃.不当的废弃玻璃处理方式不仅占用土地，还在一定程度上浪费能源，破坏生态环境.而随着人们环保意识的增强，国家政策要求不断提高[1-2]，可持续发展和绿色建筑越来越深入人心，废玻璃在混凝土中的应用研究开始受到广泛关注.玻璃含有大量无定型的SiO2，将其磨细成粉后具有潜在的火山灰活性，可作为辅助胶凝材料使用.饶美娟[3]在其硕士论文中对玻璃粉末在水泥基材料中的水化机理及性能影响进行了深入研究，结果表明玻璃粉的掺入加速了水泥早期水化速率，玻璃粉表现出了良好的火山灰活性.Karnali等[4]的研究则表明，相较于粉煤灰，玻璃粉对水泥早期水化有促进作用，具有火山灰特性，能改善水泥浆体的后期水化.Mirzahosseini等[5]探讨了63～75 μm、25～38 μm和0～25 μm三种不同粒径范围的磨细玻璃粉在混凝土中的火山灰行为，结果表明0～25 μm的玻璃粉体具有相当大的火山灰行为，同一条件下，粉体越细，活性越高.Liu等[6]的研究也认为粒径小于20 μm的颗粒对玻璃粉活性指数的贡献较大，3～10 μm颗粒对砂浆的后期强度影响最大.同时有研究发现，废玻璃混凝土碱硅酸反应膨胀破坏的危害随着玻璃粒径的减小而减弱，粒径小到一定程度时还能抑制碱硅酸反应的发生[7-8] .目前国内外的研究成果已经表明将玻璃废弃物应用于混凝土中具有很大的潜在效益，但对废玻璃粉作为矿物掺合料用于混凝土的研究并未形成统一结论，玻璃粉与其他掺合料复掺对混凝土体系的影响机制尚不明确，如何进行具体的应用还有待于深入研究.

为充分激发玻璃粉的潜在火山灰活性，本文将废弃玻璃回收研磨成粉，选取合适粒度的粉体部分替代水泥掺入混凝土中，研究废玻璃粉掺量及其与粉煤灰的交互作用对混凝土力学性能的影响，以期为废弃玻璃回收再利用提供新的途径，改善因废弃玻璃难处理导致的环境污染、能源浪费问题，同时为废玻璃粉混凝土应用于实际工程提供理论支撑.

1    试验

1.1   试验原材料

采用广西鱼峰水泥有限公司生产的 P.O 42.5普通硅酸盐水泥;天然河砂，中砂，表观密度 2 620 kg /m3;碎石，连续级配，最大粒径为25 mm;河南华电集团提供的Ⅰ级粉煤灰，烧失量4.8%，SO3含量1.0%;废玻璃为绿色废弃钢化玻璃;自来水.

1.2   试验方案与测定结果

1.2.1  废玻璃粉粒度测定

将废弃钢化玻璃清洗干燥后进行破碎，破碎后的玻璃颗粒粒径为1～2 cm，然后在球磨机中粉磨废弃玻璃颗粒，制备过程如图1所示.设计废弃玻璃粉的研磨时间分别为2 h、4 h、6 h，不同时间段的玻璃粉的粒度分布见图2.

由图2分析可知，废玻璃粉粉磨时间为2 h、4 h、6 h时，玻璃粉的粒径分布相差不大，玻璃粉最大粒径均小于85 μm，粉磨 2 h、4 h及6 h的玻璃粉平均粒径分别为9.299 μm、10.180 μm、9.467 μm，这说明机械粉磨时间在一定范围内对废玻璃粉细度的增加影响不大，无法通过进一步研磨来提高废玻璃粉的活性，甚至可能由于颗粒过细而产生团聚现象导致平均粒径增大.从节约成本的角度考虑，选用粉磨时间为2 h的玻璃粉作为试验用材.

1.2.2   废玻璃粉混凝土的制备与测试

按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011）[9]进行基准混凝土配合比设计，设计强度等级为C30，以废玻璃粉作为掺合料替代部分水泥掺入到混凝土中，替代量分别为胶凝材料质量的10%、20%、30%、40%.为了探究玻璃粉与粉煤灰复掺对混凝土性能的影响，在以上废玻璃粉掺入量为20%的混凝土中掺入粉煤灰，粉煤灰替代水泥用量分别为胶凝材料质量的10%、15%、20%、25%.试验用配合比见     表1，水胶比均为0.55.表1中编号方法如下：CC为基准混凝土;GC-a为用玻璃粉替代部分水泥的混凝土，其中a表示玻璃粉替代量为胶凝材料质量的a%;GFC-b为玻璃粉与粉煤灰复掺的混凝土，其中b表示粉煤灰替代水泥用量为胶凝材料总质量的b%.

参照文献[10]，测试新拌混凝土的坍落度，参照文献[11]，测试150 mm×150 mm×150 mm立方体混凝土试块的抗压强度，测试龄期为7 d、28 d，测试结果见表2.

2    結果分析与讨论

2.1   玻璃粉掺量对混凝土和易性的影响

根据表2混凝土坍落度的测定数据，在不同废玻璃粉掺量下，混凝土坍落度的变化见图3.由图3可知，随着废玻璃粉掺量的增加，混凝土的坍落度值呈减小的趋势，并逐渐趋于平缓，当废玻璃粉掺量达40%时，混凝土的坍落度值相较于废玻璃粉掺量为30%的混凝土还略有提升.玻璃粉对坍落度的影响可以从两个方面考虑：1）废玻璃粉表面光滑，吸水率低，以替代水泥的方式掺入混凝土后，可提高体系的有效水灰比，从而改善混凝土拌合物的流动性[12];2）废玻璃粉的微观形态呈不规则的棱角状、薄片状，长宽比大，颗粒之间易产生摩擦，对浆体的流动产生阻碍作用，从而降低混凝土的流动性[13].当玻璃粉掺量较低时，混凝土的流动性主要受不规则棱角状的玻璃颗粒形态影响，坍落度值降低;随着玻璃粉掺量的增加，体系有效水灰比增大，混凝土中的自由水增多，此时对拌合物流动性的促进作用逐渐占据一定的地位，使得混凝土的坍落度逐渐趋于平缓，降低幅度逐渐减小.但从本试验的总体结果上看，废玻璃粉的非吸水性表面还不足以弥补由于形状不规则而造成的混凝土坍落度损失，因此，废玻璃粉掺量范围在10%～40%时，混凝土的坍落度值仍低于基准混凝土.

2.2   玻璃粉掺量对混凝土抗压强度的影响

玻璃粉掺量与混凝土抗压强度的关系如图4所示.由图4分析可知，掺废玻璃粉混凝土的7 d、28 d的抗压强度均低于基准混凝土的抗压强度，但随着龄期的发展，玻璃粉掺量变化所带来的对混凝土抗压强度的不利影响减弱.当玻璃粉掺量为10%、20%、30%、40%时，混凝土7 d的抗压强度分别下降了7.68%、17.06%、26.94%、40.01%，混凝土28 d的抗压强度分别下降了4.49%、3.53%、8.20%、19.92%.这是由于玻璃粉的掺入使得体系中的水泥熟料减少，水泥水化速率降低，生成的水化产物数量较少，体系结构不密实，从而影响混凝土强度的发展.但随着龄期的增加，混凝土强度的下降趋势减缓，在28 d龄期时，玻璃粉掺量为20%的混凝土的抗压强度甚至高于玻璃粉掺量为10%的混凝土，因此，认为玻璃粉早期的火山灰活性并不强，不能有效参与水化反应，而在后期其活性逐渐发挥作用，玻璃粉中的活性组分与水化产物中的Ca（OH）2发生二次水化反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，越来越多的玻璃粉参与到水化反应中，改善了胶凝体系的孔结构，提高了混凝土内部的密实度，进而使混凝土的抗压强度得到弥补.然而，当废玻璃粉掺量过大达40%时，其对混凝土28 d龄期内的补强优势并不明显，玻璃粉大掺量下对混凝土长龄期强度的影响有待进一步研究.

2.3   复掺粉煤灰对废玻璃混凝土和易性的影响

粉煤灰作为固体废弃物的一种，在水泥基材料中常被用作矿物掺合料使用以改善混凝土的性能[14-15].图5显示了粉煤灰掺量对玻璃粉混凝土流动性的影响.由图5分析可知，对于掺玻璃粉的混凝土，当粉煤灰掺量在15%以内时，混凝土的坍落度变化不大，仅略有降低，掺量为10%、15%时坍落度分别降低了2.63%和10.53%;当粉煤灰掺量为20%～25%时，玻璃粉混凝土的坍落度增长幅度较大，和易性得到明显改善，掺量为20%、25%时坍落度分别提高了60.53%和73.68%.这是由于粉煤灰中含有大量的球状玻璃体，表面光滑，具有良好的形态效应，在混凝土的拌合物中可以起到润滑作用，从而在一定程度上改善混凝土的和易性.在废玻璃混凝土中，当粉煤灰掺量较低时，由于玻璃粉棱角多，表面粗糙，粉煤灰对减小颗粒间内摩阻力的作用不明显;而当粉煤灰掺量较多时，其形态效应发挥优势，减小了颗粒间的摩擦，起到了滚珠润滑作用，而且粉煤灰颗粒与水泥颗粒、玻璃粉颗粒形成较好的微级配关系，降低了孔隙填充水的需求，置换出了更多的自由水，同时由于粉煤灰密度低于水泥密度，同等质量替代水泥的情况下，粉煤灰体积大于水泥体积，当粉煤灰掺量高于15%时，促使体系中胶凝材料浆体增多，从而显著提高废玻璃粉混凝土的流动性.因此，在一定掺量范围内，粉煤灰与玻璃粉复掺对混凝土的工作性具有极大的改善作用，从而弥补由于废玻璃粉单掺对混凝土拌合物流动性的不利影响.

2.4   复掺粉煤灰对废玻璃混凝土抗压强度的影响

粉煤灰的化学组分和玻璃粉十分相似，作为矿物掺合料同样具有潜在的火山灰活性[16-17]，同时具备良好的微集料效应.粉煤灰掺量对废玻璃粉混凝土抗压强度的影响关系如图6所示.从图6可以看出，随着粉煤灰掺量的增多，废玻璃粉混凝土7 d、28 d的抗压强度均呈下降趋势.当粉煤灰掺量为10%、15%、20%、25%时，玻璃粉混凝土7 d的抗压强度分别下降了18.41%、28.50%、32.63%、36.29%，28 d的抗压强度分别下降了14.52%、24.31%、27.13%、29.50%.从试验结果上看，粉煤灰的活性效应和微集料效应并不明显，其掺入对玻璃粉混凝土的抗压强度产生了不利影响，但随着龄期的增长，这种不利影响有减弱趋势.分析其原因，主要是由于粉煤灰的掺入进一步减少了水泥的用量，使得生成的水化产物量降低，对混凝土的密实度造成了不利影响，导致混凝土强度降低.而由于粉煤灰二次水化作用的龄期效应，使得在后期废玻璃粉混凝土的强度下降幅度有所减弱.总体而言，该试验结果表明在一定龄期内，粉煤灰与玻璃粉的复掺不足以改善混凝土的力学性能，相对于玻璃粉单掺体系，复掺体系的水化活性相对较弱，影响复掺体系强度的因素较多，粉煤灰与玻璃粉两者的交互影响作用还有待进一步研究探索.

3    结论

1）废玻璃粉替代水泥掺量在40%以内时，无法有效改善新拌混凝土的和易性，随着玻璃粉掺量的增加，混凝土的坍落度值逐渐减小并趋于平缓.

2）掺玻璃粉混凝土的7 d、28 d抗压强度均低于基准混凝土，玻璃粉早期活性效应不明显，但随着龄期的增加，火山灰活性逐渐被激发，促进胶凝体系发生二次水化反应，对混凝土抗压强度的负面影响逐渐减弱.废玻璃粉掺量在10%～20%时混凝土的28 d抗压强度与基准混凝土相差不大，废玻璃粉在混凝土中的掺量建议为10%～20%.

3）当粉煤灰掺量在20%～25%时，废玻璃粉混凝土的和易性得到明显改善.

4）粉煤灰掺量越多，废玻璃粉混凝土的7 d、28 d抗压强度下降幅度越大，说明粉煤灰与玻璃粉的复掺对混凝土强度的不利影响较为明显.

5）利用废玻璃粉取代水泥作为混凝土的掺合料可行，废玻璃粉混凝土早期水化较慢，在大体积混凝土中具有良好的应用前景.

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