玻璃粉细骨料混凝土力学性能研究

黄炎林， 周 安

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

废弃玻璃因其回收再加工成本较高， 常被做为生活垃圾丢弃[1]。 中国每年废弃玻璃产量在1亿t左右， 综合利用率只有25%～30%， 远低于70%的国际水平[2-3]。 玻璃粉是由废弃玻璃研磨制成， 主要成分为SiO2， 具有较高的火山灰活性[4-6]。 为了提高废弃玻璃的利用率， 国内外学者对废玻璃细骨料混凝土做了一些研究。 例如， Lee等[7]研究指出20%的玻璃粉等质量替代水泥， 混凝土90 t的抗压强度有较大提高。 杨震等[8]研究表明30%的河沙被玻璃粉替代时， 混凝土的28 d抗压强度达到最大， 为28 MPa左右。 赫文秀和Wang等[9-10]研究发现当废玻璃替代20%的天然河沙， 废玻璃细骨料混凝土的流动性和抗压强度最佳。 Limbachiya等[11]的研究结果表明废玻璃替代0～20%的河沙时， 废玻璃细骨料混凝土的抗压强度未有明显变化， 当替代量超过20%时， 抗压强度呈下降趋势。 H.Ez-zaki 等[12]通过研究不同体积替代量的玻璃粉对砂浆耐久性的影响， 发现当40%的河沙被玻璃粉替代时， 砂浆的抗氯离子腐蚀性能较优异。

当前， 废玻璃细骨料混凝土的研究主要集中在混凝土流动性、 立方体抗压强度和混凝土抗氯离子性能等方面。 关于玻璃粉细骨料混凝土(Concrete of Glass Powder as Fine Aggregate 简称GFAC)细度模数、 本构方程和基于主成份分析法的混凝土性能评价等方面了研究较少。 考虑以上因素， 本论文用玻璃粉替代部分天然河沙， 分析了玻璃粉细骨料混凝土的轴心抗压应力-应变本构关系。 并采用主成份分析法， 研究了抗压强度和劈拉强度对混凝土性能了影响， 得出最佳玻璃粉替代率， 为促进玻璃粉在建筑领域的应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥采用华新生产了P.O42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用连续级配碎石， 粒径范围是5～25 mm；细骨料为天然河沙， 含水率为2.51%， 细度模数为2.92；搅拌和养护用水均是当地饮用水。 玻璃粉全部来源于中国灵寿县恒聚加工厂， 表观密度为2150 kg·m-3， 直径在0.15 mm以下。

1.2 试验试件和方法

试验以玻璃粉等体积替代率为自变量， 分别设计0、 10%、 20%、 30%、 40%和50%六个替代等级。 共制作了90个试件， 分为6组， 每组试件包括6个100×100×100立方体试件(3个做劈裂拉伸强度试验， 3个做立方体抗压试验)和9个100×100×300棱柱体试件(3个测量混凝土应力、 应变， 3个做轴心抗压试验， 3个做静压弹性模量试验)， 试件的详细配合比见表1。

表1 混凝土配合比

玻璃粉细骨料混凝土采用强制式搅拌机进行搅拌， 在振动台上震动2 min， 室温静置24 h后脱模， 标准养护28 d。 然后在微控电液伺服试验机上以0.01 mm/s的加载速度进行力学试验， 主要包括立方体抗压试验、 轴心抗压试验、 劈裂拉伸试验和静压弹性模量试验， 并用位移计采集混凝土的变形。

2 试验结果及分析

2.1 混凝土细骨料级配

在对不同玻璃粉替代率混凝土的细骨料级配进行测量分析时， 得出了混凝土细度模数随玻璃粉替代率增加的变化趋势图(图1)。

图 1 各组替代率下的细度模数

如图1所示， 细骨料的细度模数呈直线下降的趋势， 主要原因是玻璃粉为粉状物， 其直径在0.15 mm以下。 而天然河沙的直径， 约66.5%左右处于0.6～5.0 mm的范围内， 其细度模数是2.92。 因此， 当玻璃粉的替代量增加时， 0.15 mm以下了颗粒就会增多， GFAC的细度模数将会降低。

2.2 混凝土坍落度

通过对不同玻璃粉替代率混凝土的坍落度进行测量分析， 得出了混凝土坍落度随玻璃粉替代率增加的变化趋势图(图2)。

图 2 各组替代率下的坍落度

由图2可知， GFAC的坍落度呈下降趋势， 曲线斜率不断增大， 表明坍落度下降速度不断增加。 主要原因是玻璃粉为0.15 mm以下的粉末状颗粒， 与河沙同质量的玻璃粉具有更大的总表面积， 吸水量更多。 同时， 玻璃粉的含水率是0.32%， 约是河沙的1/3， 玻璃粉的吸水率是18.64%， 是河沙的2.46倍左右， 玻璃粉会将大量处于自由状态的水(简称：自由水)吸收到颗粒内部。 因此， 当玻璃粉替代率增加时， 细骨料的吸水量增加， 在总用水量不变的情况下， GFAC具有更少的自由水， 导致混凝土的水灰比减小， 流动性降低， 混凝土的坍落度呈减小趋势。

2.3 混凝土抗压强度

通过在微控电液伺服试验机上以0.01 mm/s的加载速度进行抗压试验， 测出了玻璃粉细骨料混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度， 得到了玻璃粉细骨料混凝土抗压强度随玻璃粉替代率增加的变化趋势图(图3)。

图 3 各组替代率下的抗压强度

如图3所示，GFAC的立方体抗压强度和轴心抗压强度具有相同的趋势图，随玻璃粉替代率的增加呈先上升后下降再增加的趋势，且立方体抗压强度和轴心抗压强度均比普通混凝土高。当替代率由30%增加到40%时，GFAC的抗压强度发生降低，是因为玻璃粉颗粒微细，改变的细骨料的级配，砂浆内部的平均孔径增大[13]，减小了砂浆强度，砂浆与粗骨料间的连结力降低。替代率从40%增加到50%时，GFAC的抗压强度出现大幅增加现象，主要原因是玻璃粉的主要成分为SiO2，可以促进水泥的二次水化反映，产生的硅酸钙使混凝土内部更加密实。同时，玻璃粉的吸水率较大，当玻璃粉的替代量增加时，混凝土的水灰比将会减小，而适当减小水灰比可以提高混凝土的强度[14]。

2.4 混凝土劈裂拉伸强度

玻璃粉细骨料混凝土的劈裂拉伸强度随玻璃粉替代率增加的变化趋势图见图4。

图 4 各组替代率下的劈裂拉伸强度

由图4可知， GFAC的劈裂拉伸强度随玻璃粉替代率的增加呈先上升后下降再升高的趋势， 当玻璃粉替代率从0增加到50%时， GFAC的劈裂拉伸强度均比普通混凝土高。 当玻璃粉替代率从30%增加到40%时， GFAC抗拉强度减少, 主要原因和GFAC抗压强度类似。

2.5 混凝土相对弹性模量

在对玻璃粉细骨料混凝土弹性模量进行测量分析时， 以普通混凝土(玻璃粉替代率为0)弹性模量为基准， 将各组玻璃粉细骨料混凝土的弹性模量与其对比， 进行量纲统一化处理， 得到了玻璃粉细骨料混凝土相对弹性模量随玻璃粉替代率增加的变化趋势图(图5)。

图 5 各组替代率下的弹性模量相对值

如图5所示， 玻璃粉的替代率从10%提升到50%时， GFAC的弹性模量均比普通混凝土高。 主要原因是玻璃粉的主要成分为SiO2， 可以促进水泥的二次水化反映， 产生的硅酸钙使混凝土内部更加密实， 导致混凝土在受到等值的压力变化时， GFAC具有相对较小的变形。 而根据弹性模量计算公式(1)可知， 当(Fa-F0)的压力值不变时， △n越小， 弹性模量越大。

Ec=(Fa-F0)Ln/(A×Δn)

(1)

式中:Ec为混凝土弹性模量；Fa为应力为1/3 轴心抗压强度时的荷载；F0表示应力为0.5 MPa时的初始荷载；Ln为测量表距；A为试件承压面积；Δn为从F0加荷到Fa时试件的变形差。

3 本构方程

在对100×100×300的试件进行GFAC应力、 应变测量时， 主要分为三个步骤。 首先， 先测量混凝土压缩变量和相对压力值。 然后， 通过公式(2)计算混凝土的应力、 应变值。 最后， 通过σ/σC和ε/εC(σC和εC分别代表GFAC的峰值应力与峰值应变)对玻璃粉细骨料混凝土的应力、 应变进行无量纲处理[15]， 求出应力比和应变比， 处理结果见图6。

σ=F/A,ε=ΔL/L

(2)

式中:F为轴心抗压强度，A为混凝土受压面积，ΔL为混凝土压缩变量，L是试件高度。

如图6所示， 当玻璃粉替代率从10%提升到50%时， GFAC上升段的应力-应变曲线与普通混凝土较好贴合。 说明在弹性和弹塑性阶段， GFAC的变形机理与普通混凝土类似。 而下降段的曲线走势较分散， 主要原因是不同替代率的GFAC， 其抗压性能差距大， 裂缝发展的离散性较大。 当替代率为40%和50%时， 因GFAC的脆性较大， 裂缝发展速度快， 只能测到一部分的应力、 应变值。 替代率为10%和20%时， GFAC的曲线走势和普通混凝土基本重合， 抗压破坏形式和普通混凝土类似。

图 6 玻璃粉细骨料混凝土应力-应变全曲线

由图6可知， GFAC的应力-应变全曲线趋势图与普通混凝土的类似， 都经历了弹性阶段、 弹塑性阶段和屈服破坏阶段[15-16]。 因此可通过origin的非线性拟合功能， 根据普通混凝土的应力-应变全曲线方程[16]， 建立GFAC的近似本构方程:

(3)

式中:α为GFAC应力-应变全曲线方程中上升段的参数，β是下降段的参数。 利用origin软件对试验数据进行拟合分析， 当α=1.579、β=6.978时， 得到了拟合曲线和GFAC试验数据基本吻合。 因此，α=1.579、β=6.978可作玻璃粉细骨料混凝土应力-应变本构方程的参数取值。 由此得到玻璃粉细骨料混凝土的应力-应变本构方程拟合曲线(图7)。

4 主成份分析法

主成份分析法是通过降维的方式将N个评价标准转换成几个不关联的综合评价标准。 并对原始数据进行无量纲化处理， 减少数据差异性， 分析每个单一指标间的相对关系， 得出综合评价标准， 进行评价对象的综合分析[17-19]。 主成份分析法的主要分析步骤见图8。

4.1 分析结果

评价指标的正确选择， 是决定综合评价结果正确性的主要影响要素[20]。 而抗压性能和抗劈拉性能是判断混凝土是否具有实用价值的主要参考要素。 因此， 本试验选取立方体抗压强度、 劈拉强度和轴心抗压强度做为评价玻璃粉细骨料混凝土实用性能的分析指标， 进行主成份分析。 分别得出3个分析指标的适用性验证结果(表2)、 相关系数矩阵(表3)、 主成份特征值及贡献率(表4)、 主成份矩阵(表5)和分析对象综合评价得分及排序(表6)。

KMO检测是判断评价指标是否适合主成份分析的一种统计学检测法， Sig是评估数据显著性的重要指标[21]。 如表2所示， KMO值大于0.6， sig值小于0.05， 表明选取的混凝土评价指标符合主成份分析准则， 试验数据是显著的。

表2 KMO和Bartlett检验

如表3所示， 评价指标间的相关系数最小值是0.772， 大于0.5， 证明评价指标变量之间具有中等相关性。

表3 评价指标相关系数矩阵

累积贡献率是指前几个主成份共同对原评价标准的解释能力， 累积贡献率值越大， 正确解释的概率越高[17]。 如表4所示， 主成份1和主成份2的累积贡献率在94%左右， 可以准确反应玻璃粉细骨料混凝土的综合性能。

表4 主成份特征值和累积贡献率

主成份矩阵可以反映主成份和评价标准之间的相关性。 相关系数绝对值的大小， 体现相关性的强弱， 系数的正负值分别代表正相关和负相关[17]。 由表5可知， 主成份1与原评价标准的相关系数值均大于0.9， 表明主成份1和评价标准具有较强的正相关性；主成份2与GFAC抗压评价标准具有负相关性， 和劈裂拉伸强度有正相关性， 因此， 主成份2主要反映混凝土的抗劈拉性能。

综合得分是体现GFAC抗压性能和抗劈拉性能的一个综合评估值， 数值越大， GFAC的抗压性能和抗劈拉性能越突出[17]。 如表6所示， 当玻璃粉替代为30%时， GFAC的综合得分最高， 具有较好了抗压性能和抗劈拉性能， 而且其坍落度为13.7 cm， 大于10 cm， 证明有一定的实际应用参考价值。

表6 分析对象综合得分及排序

5 结论

1)GFAC的细度模数和坍落度随玻璃粉替代率的增加而降低， 当玻璃粉的替代率为40%和50%时， GFAC的坍落度小于10 cm； 立方体抗压强度、 轴心抗压强度和立方体劈裂拉伸强度随玻璃粉替代率的增加呈先上升后下降再增加的趋势； 弹性模量随玻璃粉替代率的增加呈先上升后下降的趋势。

2)当α=1.579、β=6.978时， 根据普通混凝土应力-应变全曲线方程求得了拟合曲线和GFAC的试验数据基本吻合；α=1.579、β=6.978可作CFAC应力-应变本构方程的参数取值， 得到了GFAC的应力-应变本构方程和普通混凝土类似， 都经历了弹性、 弹塑性和屈服破坏阶段。

3)主成份分析法的研究结果表明， 当玻璃粉替代率为30%时， GFAC的综合得分最高， 具有较好的抗压性能和抗劈拉性能， 有一定的实际应用参考价值。