废弃玻璃再生细骨料在混凝土中的应用研究

林添兴

（科之杰新材料集团有限公司，福建 厦门 361101）

0 前言

随着建筑业等行业的快速发展，建筑、汽车门窗玻璃、玻璃容器、电子类玻璃和玻璃瓶等各种玻璃大量使用，使得废弃玻璃大量增加。据国家统计局统计，2018年我国废玻璃产出量约1880万t。废弃玻璃大部分作为垃圾被丢弃，未能充分利用，利用率仅为13%～15%，不仅对城市环境造成巨大压力，而且还限制了城市的经济发展和可持续发展。在欧美发达国家，废弃玻璃占城市固体废弃物总量的4%～8%，回收率达到70%，回收的废弃玻璃被广泛用作轻集料或辅助胶凝材料。在国内，由于回收措施、行政立法、分选加工技术和设备都存在一些问题，目前废弃玻璃的回收利用率很低，大部分废弃玻璃被当作垃圾进行处理。

2017年9月10日起，厦门市实施《厦门经济特区生活垃圾分类管理办法》，在执行该管理办法以来，执行效果显著。该管理办法的第二章第10条规定“可回收物，是指废弃的纸张、塑料、金属、纺织物、电器电子产品、玻璃等可资源化利用的物质”，玻璃作为其中一种可回收物，在执行该管理办法以来，废弃玻璃的回收量大幅增加，处理难度也越来越大。如何利用这些回收的废弃玻璃，成为当下需要解决的实际课题。

国内外学者对废玻璃用于混凝土的拌合物性能、力学性能进行了研究。柯国军和王彦超[1]的研究表明：废玻璃取代天然砂后，混凝土的工作性能提高，随着废玻璃掺量的增加，其和易性变化很大，废玻璃可以配制流动性强的混凝土，可用于钢筋密集的构件。杨凤玲等[2]的研究表明：以废玻璃全部取代河砂制备的混凝土试件水泥石中的毛细孔隙被碱-硅反应生成的胶体填充得较密实，使得7 d抗压强度相对较高，但后期胶体会进一步膨胀导致水泥石开裂，使得7 d龄期后抗压强度会有所降低。当取代率在25%以下时，混凝土的性能与天然砂混凝土一致。赵祖芳等[3]的研究表明：掺入废弃玻璃使得混凝土的抗压强度有一定程度的降低，但工作性能明显提高；废弃玻璃再生粗骨料和再生细骨料的最优取代率为25%左右（单掺），且在此取代率下，混凝土的抗压强度与基准混凝土相当。梁炯丰等[4]的研究表明：随废弃玻璃细骨料的取代率增加，混凝土拌合物的流动性和坍落度增大，而立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度总体呈降低趋势，弹性模量先稍有提高后不断降低，但取代率在20%以内时，其强度与普通混凝土相差不大。王凤池等[5]利用废弃玻璃等质量取代粗、细集料，研究了取代率及取代形式对混凝土坍落度、抗压强度的影响，结果表明：废弃玻璃集料混凝土的抗压强度随龄期延长的增长幅度高于普通混凝土；废弃玻璃集料混凝土的抗压强度随粗骨料压碎指标的增大而提高。

另外一些学者对废玻璃用于混凝土的长期性能和耐久性能进行了研究。严建华等[6]的研究表明：玻璃的碱骨料反应效应随其颗粒细度减小而减小，颗粒细度减小到一定程度，玻璃颗粒会产生火山灰活性且在低龄期时较为明显。孟春阳等[7]的研究发现：废弃玻璃混凝土与基准混凝土的抗碳化性能相差不大，且具有较好的抗硫酸盐和氯盐侵蚀性能。王凤池等[8]的研究表明：利用废弃玻璃取代粗、细集料制成的玻璃混凝土，其内部孔隙率降低、混凝土结构密实，抗侵蚀性能增强。荀勇等[9]的研究发现：在使用废玻璃作为骨料的混凝土中，掺入适量的偏高岭土超细粉作为掺合料，可有效抑制碱-硅膨胀反应，保证混凝土后期强度显著增长。

本研究利用制砂机对回收的废弃玻璃进行破碎、分选，通过调整制砂机振动筛的筛孔尺寸和风机的功率，制得粒径、级配和微粉含量符合GB/T 25176—2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》要求的废弃玻璃再生细骨料，并对其碱集料反应进行了试验验证，同时将废弃玻璃再生细骨料以不同取代率取代机制砂，配制C20~C50混凝土，对混凝土的拌合物性能、力学性能、耐久性能进行研究。通过试验确定废弃玻璃再生细骨料适用的混凝土强度等级范围及最大取代率，研究结果可为制定福建省地方标准提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥（C）：闽福牌P·O42.5R水泥，其技术性能见表1。

表1 水泥的技术性能

（2）粉煤灰（FA）：福建漳州后石电厂收尘系统排放的Ⅱ级粉煤灰，其技术性能见表2。

表2 粉煤灰的技术性能

（3）矿粉（K）：福建三钢S95级矿粉，其技术性能见表3。

表3 矿粉的技术性能

（4）细骨料（S1）：福建南安产机制砂，其技术性能见表4。

表4 S1机制砂的技术性能

（5）粗骨料（G）：福建南安产5～20 mm连续级配碎石，其技术性能见表5。

表5 碎石的的技术性能

（6）废弃玻璃再生细骨料（S2）：利用回收的废弃玻璃瓶，采用自有的制砂机进行破碎制得，其技术性能见表6，外观形貌见图1。对其中的玻璃再生微粉进行成分分析、粒度分析和微观结构分析，结果分别见表7、表8和图2。分析可知：回收的废弃玻璃化学成分以SiO2为主，破碎生成的玻璃微粉比表面积为443 m2/kg，与常用S95级矿粉的比表面积相当；玻璃微粉D50=14.36 μm，粒径分布以3～32 μm区间为主，占比47.589%，这个粒径占比相比大部分水泥都要小很多；32～65 μm颗粒占比17.792%，大于80 μm的颗粒占比5.133%。大于32 μm以上的颗粒占比与大部分水泥相比要更高；玻璃微粉形貌多为不规则颗粒形状，球形颗粒较少，且粗颗粒占比较高。

表6 废弃玻璃再生细骨料的技术性能

表7 玻璃微粉的主要化学成分 %

表8 玻璃微粉的粒度分布

（7）外加剂：Point-200S聚羧酸高效减水剂（A1）和Point-S聚羧酸高性能减水剂（A2），其技术性能见表9。

表9 聚羧酸减水剂的技术性能

（8）拌合用水（W）：自来水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的要求。

1.2 试验配合比

试验研究了废弃玻璃再生细骨料取代率对C20~C50普通泵送混凝土拌合物性能、力学性能和耐久性能的影响。C20~C50混凝土基准配合比见表10，其中C20~C40混凝土使用Point-200S聚羧酸低浓度高效减水剂（A1），C50混凝土使用Point-S聚羧酸高性能减水剂（A2）。试验过程中单方用水量保持不变，通过调整外加剂掺量控制受检混凝土初始扩展度与基准混凝土扩展度相差在±20 mm范围内。

表10 C20~C50基准混凝土配合比

1.3 测试方法

（1）废弃玻璃再生细骨料的碱集料反应：按GB/T 14684—2011《建设用砂》进行测试，包含快速碱-硅酸反应及碱-硅酸反应。

（2）混凝土拌合物性能：按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

（3）混凝土力学性能：按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。

（4）混凝土耐久性能：按GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 废弃玻璃再生细骨料的碱集料反应

将2批次废弃玻璃再生细骨料进行快速碱-硅酸反应试验，结果见表11。

表11 废弃玻璃再生细骨料的快速碱-硅酸反应试验结果

将水泥碱含量分别调整至1.2%、1.8%、2.4%、3.0%，按照GB/T 14684—2011进行碱-硅酸反应试验，结果见表12。

表12 废弃玻璃再生细骨料的碱-硅酸反应试验结果

快速碱-硅酸反应结果显示，废弃玻璃再生细骨料无潜在碱-硅酸反应危害；碱-硅酸反应结果显示，60 d龄期时，水泥碱含量1.8%的试验组出现了胶体外溢现象，判定有潜在碱-硅酸反应危害，水泥碱含量1.2%的试验组在90 d龄期以后试件收缩率已经稳定在0.02%，180 d龄期时仍未出现胶体外溢的现象，判定为无潜在碱-硅酸反应危害。

2.2 废弃玻璃再生细骨料混凝土的常规性能

将废弃玻璃再生细骨料分别以10%、20%、30%、40%等质量取代机制砂，配制C20~C50混凝土，废弃玻璃再生细骨料取代率对混凝土工作性能和力学性能的影响分别见表13~表16。

由表13~表16可知，在废弃玻璃再生细骨料取代0~40%机制砂范围内：

（1）C20~C50受检混凝土的初始坍落度和扩展度与基准混凝土相当时，1 h经时坍落度比基准混凝土增大5~30 mm，1 h经时扩展度比基准混凝土增大20 mm以上，其中废弃玻璃再生细骨料取代率为40%时，C30混凝土的扩展度比基准混凝土扩展度增大150 mm，表明废弃玻璃再生细骨料取代一定比例的机制砂对混凝土的保坍性能有利。

表13 废弃玻璃再生细骨料取代率对C20混凝土性能的影响

表14 废弃玻璃再生细骨料取代率对C30混凝土性能的影响

表15 废弃玻璃再生细骨料取代率对C40混凝土性能的影响

表16 废弃玻璃再生细骨料取代率对C50混凝土性能的影响

（2）当混凝土强度等级为C20、C30时，与基准混凝土相比，受检混凝土的含气量会随着废弃玻璃再生细骨料取代率的增加而增大，当混凝土强度等级为C40、C50时，受检混凝土含气量比基准混凝土略高，最大含气量相差0.5~0.8个百分点。

（3）C20~C50受检混凝土的泌水率与基准混凝土相当。其中，C40、C50受检混凝土与基准混凝土的泌水率均为0。

（4）C20~C50受检混凝土的7、28、60、90 d抗压强度与基准混凝土相当，各龄期抗压强度相差最大为1.1 MPa，表明废弃玻璃再生细骨料对混凝土的抗压强度没有不利影响。

2.3 废弃玻璃再生细骨料混凝土的耐久性能

选取代表性C30、C50混凝土对收缩值、抗压强度耐蚀系数、抗氯离子渗透系数、碳化深度和动弹性模量进行测试，结果分别见图3～图6。

由图3～图6可知：

（1）废弃玻璃再生细骨料取代率≤30%时，C30受检混凝土各龄期收缩值与基准混凝土相当，二者相差最大不超过50×10-6；取代率超过30%时，45 d、60 d等长龄期的混凝土收缩值明显大于基准混凝土；再生细骨料混凝土取代率≤20%时，C50受检混凝土各龄期收缩值与基准混凝土相当，二者相差最大不超过40×10-6。

（2）C30和C50废弃玻璃再生细骨料混凝土，在废弃玻璃再生细骨料取代率≤40%时，与基准混凝土相比，抗压强度耐蚀系数最大相差4.5个百分点，碳化深度最大相差不超过0.6 mm，动弹性模量最大相差5.3%，均在试验误差范围内。

（3）废弃玻璃再生细骨料取代率≤40%时，掺入废弃玻璃再生细骨料的C30混凝土抗氯离子渗透系数均大于基准混凝土，其中，取代率为20%时，受检混凝土的抗氯离子渗透系数最大为5.8×10-12m2/s，而基准混凝土为4.9×10-12m2/s，比基准混凝土增大了18.4%，表明掺入废弃玻璃再生细骨料的C30混凝土，其抗氯离子渗透性能变差。

（4）废弃玻璃再生细骨料取代率为20%时，C50混凝土的抗氯离子渗透系数为4.3×10-12m2/s，比C50基准混凝土的4.1×10-12m2/s高4.9%；当废弃玻璃再生细骨料取代率为40%时，C50混凝土抗氯离子渗透系数为3.5×10-12m2/s，比基准混凝土减小了14.6%，表明掺入废弃玻璃再生细骨料的C50混凝土，其抗氯离子渗透性能变好。

3 结论

（1）废弃玻璃再生细骨料在常规水泥低碱含量下，不会发生碱集料反应，无潜在的碱-硅酸反应危害。

（2）在取代率≤40%范围内，废弃玻璃再生细骨料配制的C20~C50混凝土各龄期抗压强度、抗压强度耐蚀系数、抗碳化性能、动弹性模量与基准混凝土相当，而保坍性能总体优于基准混凝土。

（3）在取代率≤40%范围内，掺入废弃玻璃再生细骨料的C30混凝土，其抗氯离子渗透性能比基准混凝土差，而掺入废弃玻璃再生细骨料的C50混凝土其抗氯离子渗透性能比基准混凝土好。

（4）C30废弃玻璃再生细骨料混凝土在取代率≤30%时，混凝土各龄期的收缩值与基准混凝土相当；C50废弃玻璃再生细骨料混凝土在取代率≤20%时，各龄期混凝土收缩值与基准混凝土相当。超过上述取代率范围，28 d龄期以后的混凝土收缩值明显大于基准混凝土。