废弃玻璃粉对水泥砂浆耐高温性能的影响研究

袁 杏 湖南工学院土木与建筑工程学院讲师

龙灵君 湖南工学院土木与建筑工程学院

李 颖 湖南工学院土木与建筑工程学院

胡朝霞 湖南工学院土木与建筑工程学院助教

随着经济的快速发展，废弃玻璃制品越来越多，随便丢弃会污染环境[1]。而将废弃玻璃磨碎后加入混凝土中，不仅可以有效减少固体垃圾的总量，还能带来巨大的社会效益和经济效益[2]。近年来，随着高层建筑物不断增多，建筑物发生火灾的频率也越来越高，在发生火灾时，钢材和传统混凝土在高温条件下的力学性能下降明显[3]，而玻璃能在高温下熔融、迁移并且填充混凝土的裂缝，能有效改善混凝土的高温力学性能[4—5]。

1 试验概况

1.1 试验原材料

使用湖南衡南南方水泥有限公司生产的南方牌P·O42.5 普通硅酸盐水泥，细砂为衡阳市湘江的河砂，表观密度2.628 g/m3，堆积密度1 699 g/m3，细度模数2.407，为中砂。选用砸碎绿色啤酒瓶后的玻璃粉，合金钢粉碎机粉碎成粉末，通过60 目细筛筛分。

1.2 试样制备

试验变量为玻璃粉掺量、温度和冷却方式，玻璃粉掺量分别为0%、10%、20%、30%，温度为20 ℃（常温）、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃，每种情况分别进行自然冷却和浇水冷却，共有40 组，每组制作3 个试样，共120 个试样。

用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 水泥砂浆试样不掺玻璃粉水泥砂浆配合比为水泥∶河砂∶水=450 g ∶1350 g ∶225 g，水胶比为0.5，胶砂比为1 ∶3。试样制作完成后，室内静置1 d 后脱模，放入HBY—40B 水泥砼恒温恒湿养护箱养护28 d。

2 试验方案

将养护好的水泥砂浆试样放入100 ℃±5 ℃烘箱中烘干1 d 后称量，再放入SX2—12—12 定时箱式电阻炉中加热至设定温度，升温速率为6 ℃/min，达到预设定温度后保持恒温2 h，取出试样，分别进行自然冷却和浇水冷却（在取出试样后立即浇水，浇水持续时间为5 min），记录各组试件的外观变化。室内静置1 d 后称量质量，采用WAW—600 微机控制电液伺服万能试验机进行单轴抗压强度试验，用位移控制加载方式，设置加载速率0.2 mm/min，利用试验机加载观测系统得到应力—应变曲线。为避免出现误差，相同温度情况的各24 个试样同时进行高温试验，每组试样测试完后取平均值进行后续质量损失率、抗压强度、弹性模量、应力应变等分析。

3 试验结果与讨论

3.1 外观特征和质量损失率

水泥砂浆试样不同高温后不同玻璃粉掺量的砂浆和普通砂浆的外观特征基本相似。试样经过不同高温，其颜色、表面裂纹和疏松状态发生了不同程度的变化。

试验得到自然冷却后砂浆质量损失率与温度的关系。温度为200 ℃时混凝土质量损失率增加幅度较小，温度为400 ℃时混凝土质量损失率增加幅度较多，整体质量损失率随温度近似呈正比关系，各不同掺量玻璃粉水泥砂浆经800 ℃高温作用后质量损失率分别为5.29%、5.29%、4.49%和5.5%。试验结果显示，相同高温条件玻璃粉掺量为20%时水泥砂浆质量损失率最低，而各不同掺量玻璃粉水泥砂浆在相同高温后质量损失率相差不大。

3.2 抗压强度分析

从图1 可以看出，不同玻璃粉掺量试样在200 ℃高温作用后抗压强度值均略有升高，在400 ℃高温作用后相对常温下的抗压强度值略有降低，在高于400 ℃（包括600 ℃和800 ℃）后其抗压强度值迅速降低，降低幅度非常大。由此表明，掺加60 目以下玻璃粉的水泥砂浆，在400 ℃以内高温作用后自然冷却，其抗压强度不会有明显下降。

随着玻璃粉的掺量不断增加水泥砂浆的抗压强度呈降低趋势，掺10%玻璃粉的抗压强度降低幅度较小，掺20%玻璃粉时水泥砂浆的抗压强度降低较多，30%掺量与20%掺量的水泥砂浆抗压强度值降低幅度相似。在200 ℃和400 ℃高温作用后自然冷却砂浆试样，随着玻璃粉掺量不断增加，其抗压强度呈近似线性降低的趋势；在600 ℃和800 ℃高温作用后自然冷却砂浆试样，其抗压强度在10%玻璃粉掺量时没有明显降低，在20%和30%玻璃粉掺量时近似呈线性下降关系。由此表明，掺加10%的60 目以下玻璃粉水泥砂浆，其耐高温性能不会有明显影响。

不同冷却方式的抗压强度不同。不同掺量的玻璃粉水泥砂浆在20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃高温作用后，进行浇水冷却的抗压强度值随温度升高而呈近似线性降低，600 ℃和800 ℃时不同掺量玻璃粉砂浆的抗压强度值相差不大。玻璃粉掺量增加，不同高温后浇水冷却砂浆的抗压强度值均有明显降低，200 ℃和400 ℃高温作用后随着玻璃粉掺量增加其抗压强度值近似呈线性下降趋势，600 ℃和800 ℃高温作用后随着玻璃粉掺量增加其抗压强度下降幅度越来越小（见图1）。由此表明，相对于自然冷却，浇水冷却后水泥砂浆的抗压强度下降明显，随着掺量的增加下降幅度越来越小。

图1 极限抗压强度与温度的关系

3.3 应力应变分析

3.3.1 自冷不同温度条件砂浆应力应变

由图2 可知，经过200 ℃高温后不同玻璃粉掺量的应变值均较小，均小于4×10—3，不同掺量玻璃粉试样相比于未掺加试样的应变值均较小，且其应力应变曲线呈现尖角状；在经过400 ℃高温后，其应变值有所增大，掺加玻璃粉试样越多其应变越大，应力应变曲线的尖角不太明显；经过600 ℃和800 ℃高温后，其应变值呈增大趋势，应力应变曲线也趋于平缓，不同掺量应力应变曲线相差不大。由此表明，随着温度不断升高砂浆试样的应变值增大，由脆性破坏变成塑性破坏，且温度越高不同掺量玻璃粉砂浆的应变值相差越小。

3.3.2 自冷不同玻璃粉掺量应力应变

由图2 可知，随着温度的逐渐升高，不同掺量玻璃粉水泥砂浆的应变值均呈增大趋势，曲线呈现越来越缓和的趋势；在相同温度条件下，各种不同掺量玻璃粉砂浆的应变值相差不大。由此表明，玻璃粉掺量对水泥砂浆的应变值影响较小，水泥砂浆的应变值受温度的影响较大。

图2 不同掺量应力应变曲线（400 ℃）

3.3.3 不同冷却方式应力应变

图3 为掺加30%玻璃粉水泥砂浆后不同冷却方式的应力应变关系曲线，无高温作用（20 ℃）的砂浆试样应变值较小，400 ℃高温作用后水泥砂浆自然冷却比浇水冷却的应力峰值要大得多，但应力峰值时的应变值相差不大；在800 ℃高温作用后水泥砂浆自然冷却与浇水冷却的应力峰值相差不大，但应力峰值时的应变值要小很多。由此表明，浇水冷却对水泥砂浆试样软化作用明显。

图3 不同冷却方式应力应变曲线

4 结语

本文得出以下结论。

第一，随着温度不断升高，试样表面逐渐呈灰白泛黄，表面裂纹越来越多且增宽，试样变得越来越疏松。对于不同掺量的废弃玻璃粉，其表面特征没有明显的差异。对于不同掺量的玻璃粉砂浆，其质量损失率随温度升高呈增大趋势，在温度相同时玻璃粉掺量为20%时其质量损失率最小。

第二，掺加不同比例60 目以下玻璃粉的水泥砂浆，在400 ℃以内高温作用后自然冷却，其抗压强度不会有明显下降。掺加60 目以下10%左右玻璃粉的水泥砂浆，高温后其抗压强度下降不明显。与自然冷却相比，浇水冷却后水泥砂浆的抗压强度下降明显，随着掺量的增加下降幅度越来越小。

第三，随着温度升高，砂浆试样应变值增大，由脆性破坏变成塑性破坏，且温度越高不同掺量的玻璃粉砂浆应变值相差越小。玻璃粉掺量对水泥砂浆的应变值影响较小，水泥砂浆的应变值受温度的影响较大。浇水冷却对水泥砂浆试样的软化作用明显。