废玻璃再生混凝土基本力学性能试验研究

张净霞

(福建船政交通职业学院，福州 350000)

0 引言

过去几十年中，我国城镇的快速发展带来了巨大经济效益的同时也对生态环境产生了极大的影响。据统计，我国在现每年产生的建筑垃圾废弃物超过17亿t，其中废弃混凝土超过2亿t[1]。我国每年产生的废弃玻璃总量占城市废弃垃圾总量的5%，达1 040万t[2-3]。目前大部分的建筑垃圾废弃物无法得到有效的回收利用，这对城市及其周边的生态环境造成了很大的破坏。本研究将废弃混凝土和废弃玻璃同时进行资源化的回收并利用于混凝土中，希望能促进建筑废弃物回收利用的发展，减轻建筑对环境的影响，推动我国绿色建筑的发展。

1 试验所用原材料情况

石子采用5～25 mm普通级配碎石。砂为普通河砂，其细度模数经检测为2.8，含泥量<3.0%。本试验水泥为金牛水泥，等级为42.5级。减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA-I系列聚羧酸高性能减水剂。废弃玻璃采用1～3 mm玻璃砂，表观密度为2 500 kg/m3，吸水率为0.31%，其原材料为厂家收集的建筑废弃玻璃，并通过冲洗、破碎、筛分之后制造而成。再生骨料来源于实验室混凝土废弃试块，经破碎、筛分制成的5～25 mm骨料。

图1 玻璃砂

2 配合比设计及强度结果

试验的混凝土配合比设计参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》和DG/T J08—2018—2007《再生混凝土应用技术规程》进行。砂率为0.29，水胶比基准组为0.50。按照坍落度≥150 mm、强度等级达C35的目标先进行了混凝土的试配，确保混凝土的工作性能和强度达到预期。最终本试验所采用的再生混凝土配合如见表1。

3 再生混凝土力学性能试验和试验结果分析

3.1 再生粗骨料取代率对废玻璃再生混凝土基本力学性能的影响

粗骨料取代率对废玻璃再生混凝土基本力学性能的影响如图2～5所示。从图中可见废玻璃再生混凝土的基本力学性能随再生粗骨料取代率的增加而降低，其中抗压强度和劈裂抗拉强度降幅较高。50%和100%再生粗骨料取代率的废玻璃再生混凝土较未掺入再生粗骨料组相比，立方体抗压强度分别下降了10.3%和17.1%，轴心抗压强度分别下降了8.3%和12.8%，劈裂抗拉强度分别下降了11.8%和15.7%，弹性模量则分别下降了2.5%和6.2%。

仅有弹性模量随再生粗骨料取代率的增加而下降的幅度较小，原因在于弹性模量测试并非破坏性测试，加载过程中废玻璃再生混凝土并未到达极限状态，此时再生粗骨料和水泥基之间的界面过渡区离临界状态还有较大距离。对比相关再生混凝土研究发现，粗骨料取代率对于废玻璃再生混凝土的基本力学性能影响基本与普通的再生混凝土类似[4-6]。这主要是因为废玻璃的成分与砂相近，其较高的机械强度和黏结性能均优于再生粗骨料，所以掺入废玻璃不影响再生粗骨料对于混凝土的影响趋势。

表1 混凝土配合比和强度

图2 粗骨料取代率对立方体抗压强度的影响

图3 粗骨料取代率对轴心抗压强度的影响

3.2 废玻璃取代率对废玻璃再生混凝土基本力学性能的影响

图6～9显示了废玻璃取代率对废玻璃再生混凝土基本力学性能的影响。A4组未使用废玻璃，A2组废玻璃取代了25%的天然砂，A5组则使用废玻璃取代了50%的天然砂。整体规律上可见随着废玻璃使用比例的增加，废玻璃再生混凝土的基本力学性能均有不同程度的降低。25%和50%废玻璃取代率的废玻璃再生混凝土与未使用废玻璃组相比，立方体抗压强度分别降低了5.8%和16.4%，轴心抗压强度分别降低了2.9%和18.5%，劈裂抗拉强度分别降低了5.7%和24.8%，弹性模量则分别降低了1.9%和3.7%。

图4 粗骨料取代率对劈裂抗拉强度的影响

图5 粗骨料取代率对弹性模量的影响

废玻璃砂的使用会降低混凝土的基本力学性能的原因在于废玻璃砂的表面较为光滑，其与凝结硬化之后的水泥石之间的黏结强度较为有限。在受力时容易首先产生微裂纹，形成应力集中，进一步加速混凝土的破坏。同时，使用取代率为25%的废玻璃取代天然砂对废玻璃再生混凝土的基本力学性能影响较为有限，而当该取代比率增加至50%时，废玻璃再生混凝土的基本力学性能降幅明显。

图6 废玻璃取代率对立方体抗压强度的影响

图7 废玻璃取代率对轴心抗压强度的影响

图8 废玻璃取代率对劈裂抗拉强度的影响

3.3 水胶比对废玻璃再生混凝土基本力学性能的影响

图10～13可见水胶比对废玻璃再生混凝土基本力学性能的影响。A1、A6和A7的水胶比分别为0.5、0.4和0.3。可见与普通混凝土的趋势相同，随水胶比的减小，废玻璃再生混凝土的基本力学性能增加。水胶比为0.3和0.4组的废玻璃再生混凝土立方体抗压强度较0.5组分别增加了9.3%和15.6%，轴心抗压强度分别增加了10.4%和16.6%，劈裂抗拉强度分别增加了17.0%和20.9%，弹性模量分别增加了3.4%和9.2%。

图9 废玻璃取代率对弹性模量的影响

与普通再生混凝土相比，随水胶比的减小，废玻璃再生混凝土的基本力学性能增加的幅度较小[7]。这是因为废玻璃再生混凝土中的薄弱环节在于废玻璃砂与水泥石之间的界面，虽然降低水胶比能有效提升水泥石的强度，但对于废玻璃与水泥石之间的界面黏结强度的提升效果有限。所以在受压时，依然容易先破坏水泥石和玻璃砂之间的界面过渡区，因此利用降低水胶比来提升强度的效果不如普通混凝土。

图10 水胶比对立方体抗压强度的影响

图11 水胶比对轴心抗压强度的影响

图12 水胶比对劈裂抗拉强度的影响

图13 水胶比对弹性模量的影响

4 结论

1)废玻璃再生混凝土的基本力学性能随着再生粗骨料取代率的增加而降低。50%和100%再生粗骨料取代率的废玻璃再生混凝土较未掺入再生粗骨料组的立方体抗压强度分别下降了10.3%和17.1%，轴心抗压强度分别下降了8.3%和12.8%，劈裂抗拉强度分别下降了11.8%和15.7%，弹性模量则分别下降了2.5%和6.2%。

2)随着废玻璃使用比例的增加，废玻璃再生混凝土的基本力学性能均有不同程度的降低。25%和50%废玻璃取代率的废玻璃再生混凝土与未使用废玻璃组的立方体抗压强度分别降低了5.8%和16.4%，轴心抗压强度分别降低了2.9%和18.5%，劈裂抗拉强度分别降低了5.7%和24.8%，弹性模量则分别降低了1.9%和3.7%。使用25%废玻璃取代天然砂对废玻璃再生混凝土的基本力学性能影响较为有限，而当该取代比率增加至50%时，废玻璃再生混凝土的基本力学性能降幅明显。

3)废玻璃再生混凝土的基本力学性能随水胶比的减小而增加。水胶比为0.3和0.4组废玻璃再生混凝土立方体抗压强度较0.5组分别增加了9.3%和15.6%，轴心抗压强度分别增加了10.4%和16.6%，劈裂抗拉强度分别增加了17.0%和20.9%，弹性模量分别增加了3.4%和9.2%。与普通再生混凝土相比，随水胶比的减小，废玻璃再生混凝土的基本力学性能增加的幅度较小。