废玻璃粉掺量对混凝土力学性能影响的研究

李静

（中铁建城建交通发展有限公司，江苏苏州215151）

1 引言

混凝土是全球应用最广泛的材料之一， 它由水泥、 细骨料、粗骨料、水和添加剂按比例混合制成。 然而，混凝土行业面临严峻的环境问题， 尤其是水泥生产的高能耗和严重污染问题[1]。每生产1 t 水泥就会释放大量的二氧化碳，其碳排放已经占据全球总排放量的5%～8%。 因此，回收混凝土废料成为降低混凝土生产对环境影响的有效途径。 与此同时，玻璃作为可重复利用的原材料，可以被再次使用而没有任何价值损失，其回收利用可以节省垃圾填埋场， 减少建筑业对水泥的需求[2]。废玻璃粉与硅灰、粉煤灰等工业生产过程中产生的废料类似，其无须额外加工即可作为水泥替代品使用， 减少了能源和原材料消耗以及二氧化碳的排放。

早期研究表明， 在混凝土生产中使用废玻璃粉会导致新老混凝土性能差异较大[3]，但后续的研究证实了将废玻璃粉作为补充胶凝材料是有效的。 其中，使用10%～20%的废玻璃粉替代水泥使用能够改善混凝土的力学性能。 因此，本文通过实验探究不同替代比例下废玻璃粉对普通混凝土、 硅灰及粉煤灰混凝土性能的影响， 并对采用废玻璃粉替代水泥的新拌混凝土的物理性能及力学性能进行测试。

2 原材料及试验方案

2.1 原材料

试验中采用了P·O42.5R 水泥，其密度为3.08 g/cm3，比表面积为380 m2/kg。粉煤灰采用Ⅱ级别粉煤灰，硅灰的SiO2含量大于93%，烧失量为2.50%。 试验所用的废玻璃粉来自玻璃厂的废料，在实验室中通过研磨设备粉碎，再研磨制成。 玻璃粉的粒径小于0.075 mm。 硅灰、粉煤灰及废玻璃粉的化学特性见表1。 砂子为天然河砂，细度模数为2.9。 粗骨料粒径为5～25 mm。

表1 硅灰、粉煤灰及废玻璃粉化学成分比较%

2.2 试验方案

如表2 所示，试验共测试了15 种混凝土配合比，所有配合比的砂石比例均为1∶2。 所研究的混凝土分为3 组，根据废玻璃粉对水泥的5 种替代比例0%、5%、10%、15%和20%，每组由5 种不同的配合比组成。 每组的第一种拌和物的废玻璃粉含量为0%，作为对照组。 第一组的水泥含量为400 kg/m3，水胶比（W/B）为0.5，没有硅灰和粉煤灰，第二组的水泥含量为500 kg/m3，W/B=0.4，硅灰的添加比例为黏合剂含量的10%。第三组的水泥含量为500 kg/m3，W/B=0.4，但粉煤灰的添加比例为黏合剂含量的20%。

表2 混凝土配合比

2.3 试件测试

根据GB/T 50080—2016 《普通混凝拌合物性能试验方法标准》对新拌混凝土进行坍落度、密度及吸水率测试，以确定混凝土的工作性。 此外，按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试每种混合料立方体抗压强度，并列出平均值。

3 结果和讨论

3.1 坍落度测试

本研究采用坍落度试验来评估所有混凝土配合比组的可操作性。 表3 展示了不同含量（0%，5%，10%，15%和20%）废玻璃粉混凝土试样的坍落度值。 试验结果表明，随着废玻璃粉含量的增加，所有混凝土配合比的坍落度均有所增加。 这可能是由于废玻璃粉具有光滑的表面和较低的吸水性， 从而增加了拌合物的流动性；或者是由于相对于水泥，废玻璃粉颗粒更为粗糙。 此外，废玻璃粉粒径小于75 um，因此，可以更好地填充粗骨料的孔隙。 所有拌合物的坍落度均大于或等于65 mm，并且没有分离现象。 这表明拌合物达到了足够的水泥浆体黏度，从而能够保持粗骨料良好的悬浮状态，减少颗粒之间的接触和摩擦，增强混凝土和易性。 此外，增加黏度还可以提高砂浆与粗骨料之间的黏结力， 从而降低离析风险。 值得注意的是，虽然粉煤灰混凝土的减水剂含量低于硅灰混凝土，但粉煤灰混凝土的坍落度却高于硅灰混凝土。 因此，添加粉煤灰有助于提高废玻璃粉混凝土的和易性。

表3 不同组别混凝土坍落度结果

3.2 密度

密度值主要取决于骨料的质量。 因此，即使部分水泥被废玻璃粉替代，水泥的密度不会明显改变混凝土的单位重量。 如表4 所示，第1、第2 和第3 组样品分别由5%、10%、15%和20%的废玻璃粉组成， 它们的湿密度递减比率与对照组相比为1.3%～3.3%、1.4%～3.1%以及2.03%～3.37%。 如图1 所示，废玻璃粉混凝土拌合物湿密度值的降低可能与废玻璃粉在拌合物中的比重小于水泥有关。 尽管废玻璃粉混凝土拌合物的湿密度值有所降低，但它们仍然更接近于参考拌合物。 如图2 所示，第1、 第2 和第3 组试样的干密度递减率与对照组相比为1.3%～3.3%、1%～2.8%以及1.3%～2.4%。 含有废玻璃粉的混凝土单位重量比不含废玻璃粉的混凝土单位重量要小。 尽管废玻璃粉混凝土拌合物的干密度率有所下降，但其数值仍与对照组的数值相近。 因此，可以得出结论，即混凝土中存在硅灰和粉煤灰并不影响废玻璃粉作为普通混凝土密度减少因素的效果。

图1 混凝土湿密度及递减比率

图2 混凝土干密度及递减比率

表4 不同组别混凝土干湿密度结果

3.3 吸水率

吸水率是混凝土耐久性的重要指标之一， 减少吸水率可显著改善混凝土在侵蚀性环境下的长期性能。 吸水率可作为预测混凝土在冻融循环和碳化作用下退化的主要因素之一。如图3 所示， 所有组别的吸水率随废玻璃粉含量的增加而下降。 废玻璃粉混凝土的吸水率比对照组的吸水率低，并且随着废玻璃粉含量的增加有递减的趋势。 与对照组混凝土相比，由5%、10%、15%和20%的废玻璃粉制成的第1、第2 和第3 组试件的吸水率下降比例分别为5.56%、11.11%、20.37%和27.78%、3.28%、8.20%、11.48%和14.75%以及6.25%、12.5%、16.67%和18.75%。此外，微小的废玻璃粉颗粒的填充效应提高了颗粒间的堆积密度，使得微观结构更为致密，减少了混凝土中的空隙体积。 因此，随着废玻璃粉比例的增加，混凝土的吸水率进一步下降。

3.4 抗压强度

压缩试验是评估混凝土性能的全面方法， 因为强度直接与水化水泥浆的形成相关。 在确定混凝土样品强度提升方面，压缩试验是一项非常重要的试验方法。 统计混合料和废玻璃粉混凝土拌合物28 d 的抗压强度值， 每个值都是进行3 次测量后得出的平均值。 对于普通混凝土，从图4 中可以清晰地看出，在利用废玻璃粉替代水泥的情况下，混凝土的抗压强度随着废玻璃粉比例的增加而先增加后降低。 增加值分别为7.51%、3.48%、6.98%和21.65%，减少值为5%。此外，与对照组相比， 使用回收的废玻璃粉作为水泥替代品会降低硅灰和粉煤灰混凝土拌合物的抗压强度， 其28 d 抗压强度分别下降了2.25%～13.25%和5.03%～14.07%。 值得注意的是，废玻璃粉的表面高光滑度会导致混凝土产生裂缝， 并使得废玻璃粉与水泥浆之间的黏结力下降。

图4 混凝土抗压强度

3.5 劈裂抗拉强度

在28 d 后观察到的劈裂抗拉强度数据如图5 所示， 每个值都是3 次测量的平均值。 结果表明，在混凝土拌合物中使用再生废玻璃粉替代水泥的情况下，当其比例为5%时，劈裂抗拉强度呈现出增加的趋势，之后则开始下降。 在5%的替代比例下，抗压强度增加值为13.15%，在10%、15%和20%的比例下，分别减少了7.67%、10.41%和16.99%。 在5%的废玻璃粉比率下，拉伸强度会增加，之后开始下降。 从图5 可以看出，与对照组相比， 使用回收的废玻璃粉作为水泥替代物会降低硅灰和粉煤灰混凝土拌合物的劈裂抗拉强度， 替代率为10%以上时，两种混凝土的劈裂抗拉强度分别均显著降低7%以上。

图5 混凝土劈裂抗拉强度

4 结论

本研究旨在对不同百分比替代率的废玻璃粉混凝土进行物理性能及力学性能测试，其主要结论如下。

1）随着废玻璃粉比例的增加，混凝土配合比的坍落度有所增加， 而密度值和劈裂抗拉强度则呈现出先上升后下降的趋势。

2）将水泥以5%的比例替代为废玻璃粉不会降低普通混凝土的抗压和抗拉强度。 然而，废玻璃粉比例上升至10%～20%时，混凝土的抗压和抗拉强度会下降。 是由于再生废玻璃粉具有高光滑度而导致了混凝土产生裂缝， 使得再生废玻璃粉与水泥浆之间的黏结力不足。

3）在普通混凝土中，5%的废玻璃粉替代物能够显著增加混凝土的抗压和抗拉强度约8%和13%。 然而，废玻璃粉的添加对于硅灰和粉煤灰混凝土的抗压和抗拉强度均产生负面影响，且随着废玻璃粉比例的增加，强度下降更为明显。

4）废玻璃粉的添加可降低混凝土的吸水率。 随着废玻璃粉比例的增大，降低的幅度也越大。 同时，废玻璃粉的添加还能增加混凝土拌合物的和易性。

综上所述，废玻璃粉作为一种环保的水泥替代材料，未来可进一步探究废玻璃粉对混凝土耐久性和长期性能的影响，优化废玻璃粉的使用方法和比例， 并尝试引入其他材料与废玻璃粉协同使用以提高混凝土性能。