浅谈废弃玻璃混凝土的研究与应用

周钰鑫，岳龙，蒋铭昊，符涛，王晟

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211100）

0 引言

废玻璃是指不再使用或已被丢弃的玻璃、玻璃制品和玻璃纤维等玻璃物料，其自然降解时间高达4 000年，这种不可降解的特性将导致严重的环境污染。玻璃的硬度与普通砂石接近，密度比砂石略低，从宏观的力学性能角度，玻璃替代部分混凝土中砂石是可行的。此外，玻璃的主要成分为SiO2，具有一定程度的火山灰活性，因此作为潜在的辅助胶凝材料加入到混凝土中可实现废弃玻璃的资源化利用，具有重大的环保意义。

1 废弃玻璃混凝土研究现状

1.1 废弃玻璃取代粗细骨料

国内外学者对废弃玻璃替代粗细骨料做了大量的试验研究。王风池[1]等人研究表明玻璃集料无论是取代砂还是石子，随着取代率增大，混凝土的坍落度增大，且玻璃取代石子时比取代砂时的坍落度大，当取代率为100%时，玻璃取代砂和玻璃取代石子混凝土的坍落度分别为普通混凝土的1.50倍和1.62倍。此外，废玻璃作为细骨料会降低混凝土的力学性能，抗压、抗弯强度随着废玻璃替代率的提高而逐渐降低。王志攀[2]等人将普通混凝土、废弃玻璃取代20%天然细集料的混凝土、废弃玻璃取代20%天然粗集料的混凝土放入同浓度的Na2SO4溶液和NaCl溶液中浸泡，发现废弃玻璃混凝土强度的下降率均低于普通混凝土，表明废弃玻璃取代粗细集料制成的玻璃混凝土抗腐蚀性增强。刘光焰等人[3]利用外加电场来检验混凝土的抗氯离子渗透能力，研究表明废弃玻璃替代粗骨料时，随着废弃玻璃骨料的增加，混凝土的抗氯离子渗透能力下降，废弃玻璃替代细骨料时，有利于提高混凝土的抗氯离子渗透能力。此外当玻璃取代细骨料小于20%时，玻璃混凝土的强度基本没有降低[4]。

1.2 废弃玻璃作为辅助胶凝材料

国内外学者对于废弃玻璃作为辅助胶凝材料做了大量的试验研究，发现玻璃粉不仅可以抑制ASR反应，而且在提升工作性能、力学性能、耐久性方面具有显著优势。苏柳月等人[4]将粉磨2 h的废玻璃粉作为辅助胶凝材料替代水泥的10%、20%、30%、40%，研究表明掺废玻璃粉的混凝土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不利影响减弱。柯国军等人[5]将球磨后的废玻璃粉取代水泥的10%、20%、30%，对于相同球磨时间和取代率的废玻璃粉，强度活性指数随着龄期的增加而增大，说明了随着龄期的增加，二次水化反应的进行，水化体系中的Ca(OH)2减少，pH值减小，废玻璃粉表面有C-S-H凝胶生成，并不断聚集、填充和结晶，使水化体系结构不断密实，有利于改善体系的孔隙构造和增大密实度。符骏等人[6]采用平均粒径为21.17μm的玻璃粉取代水泥的10%、20%、30%，研究表明玻璃粉掺量为10%时，有害孔隙率减小，改善了孔隙构造有利于混凝土抗冻，但随着玻璃粉掺量的增加，对混凝土早期抗冻性能无益。此外，ASR反应产生的膨胀随废玻璃粒径减小而减小，当粒径小于一定数值时，玻璃粉可以抑制ASR反应带来的膨胀危害。黄昌石等人[7]研究表明粒径在0～75μm的玻璃粉能够对ASR膨胀起到较好的抑制作用。

1.3 废弃玻璃激活研究

废弃玻璃具有一定的火山灰特性，能够作为水泥替代材料，改善混凝土的力学性能。但是，玻璃的硅氧四面体结构稳定，火山灰活性不易激发，因此需要寻找激活方法充分发挥其辅助胶凝作用。目前，物理、化学和水热活化是常见的三种活化方法。

杨晶[8]将废弃玻璃分别球磨至75μm以下、58μm以下以及38μm以下，使玻璃的颗粒细化，活性提高。宋百姓[9]对不同粒径的玻璃粉，测定其粒度分布、比表面积和胶砂试件的强度，发现废玻璃粉的活性指数没有随研磨时间呈线性增长，而是存在一个最佳研磨时间，从废玻璃粉的活性和经济性考虑，可以确定35 min是废玻璃粉最经济合理的研磨时间，且废玻璃粉用做矿物掺合料时存在一个最佳粒径范围，粒径在6.414～20.710μm的废玻璃粉活性最高。物理活化主要是通过机械力将废弃玻璃球磨至一定粒径范围，破环Si-O等化学键、降低玻璃体的聚合度、释放出活性物质，同时也增大了比表面积、促进了二次水化反应、提高了混凝土的抗压强度，但需注意控制研磨时间。

孔庆秋[10]采用废玻璃粉取代水泥的10%、20%、30%，加入0.7%NaOH（对于废玻璃粉而言）激发剂，研究表明10%废玻璃粉掺量激发效果最好且NaOH激发的效果在早期较明显，后期效果较弱。此外，有研究表明加入熟石灰激活废玻璃粉时，当熟石灰的掺量（对于水泥和废玻璃粉的总量而言）从3%增大到4%时，废玻璃粉的活性指数增大，当掺量从4%增大到5%时，废玻璃粉的活性指数减小。加入碱类激发剂，在OH-的作用下，废玻璃粉颗粒表面的Si-O键和Al-O键断裂，使Si-O-Al的网络聚合度降低，表面形成游离的不饱和活性键，容易与Ca(OH)2发生水化反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶体，但碱过量会造成ASR膨胀。

宋百姓采用无水硫酸钠激活废玻璃粉，当无水硫酸钠的掺量（对于水泥和废玻璃粉的总量而言）从3%增大到4%时，废玻璃粉的活性指数增大，当掺量从4%增大到5%时，废玻璃粉的活性指数减小。此外，有研究表明硫酸钠早期激发效果稍强，后期稍弱。加入硫酸钠，由于有SO42-的存在，水泥水化产生的Ca(OH)2释放出Ca2+，加上溶出液相的AlO2-，多种化合物在碱性环境下会生成钙矾石，细针状的钙矾石能够填充水泥石的空隙，使水泥石更致密，但过量的硫酸钠会造成钙矾石过量，导致结构疏松。

宋百姓称取适量的废玻璃粉在125℃、1.1 MPa条件下进行蒸压，废玻璃粉的活性指数随着处理时间的增长而提高。此外，水热激发废玻璃粉活性效果早期较弱，后期较好，且随激发温度压力升高而提高。

复合活化是指多种活化方式结合，综合了各种活化方式的优点，效果更好。宋百姓在研磨了35 min的废玻璃粉中加入Na2SO4和Ca（OH）2进行高温高压处理4 h，研究发现复合活化比物理活化、化学活化和水热活化的效果要好。

2 废弃玻璃混凝土存在的问题

2.1 ASR膨胀

ASR反应的存在是制约玻璃混凝土发展的主要因素，碱-二氧化硅反应产生的有害膨胀会给混凝土带来极大的损伤，所以降低ASR反应所带来的危害，将提高玻璃混凝土的耐久性。黄昌石等人研究表明掺入玻璃砂会增大ASR膨胀，但玻璃粉却能够抑制ASR膨胀，并且随着粒径减小抑制作用越大。刘伟等人研究表明煅烧温度为800℃的偏高岭土具有很好的抑制ASR效果。此外，ASR反应产生的膨胀随废玻璃粒径减小而减小，当粒径小于一定数值时，玻璃粉可以抑制ASR反应带来的膨胀危害。

2.2 降低力学性能

废玻璃作为细骨料，混凝土的抗压抗弯强度随着废玻璃替代率的提高而逐渐降低。

3 结语

废弃玻璃的掺量对混凝土的性能有重要的影响，需要进一步探究废弃玻璃经济又合理的掺量。ASR反应始终是潜在的危险，需要进一步探究其反应机制和如何抑制ASR反应带来的危害。化学活化的研究目前只局限于加氢氧化钠、氢氧化钙、硫酸钠等几种化学试剂，水热活化的研究目前局限于一定范围内的温度、压强和时间，需要进一步探究其他不同化学试剂单掺、复掺的影响和更大范围内的温度、压强和时间的影响。如果解决了这些问题，不仅能实现废弃玻璃的资源化利用、减轻环境的压力，还能产生经济效益，实现了可持续发展。