废玻璃替代骨料在混凝土中的抗冻性能研究

赫文秀

(辽宁生态工程职业学院,沈阳 110122)

0 引言

玻璃是现代生活中不可或缺的一种物质,但废弃玻璃产生的生活垃圾降解处理难度较大,给生态环境造成极大的负担。在双碳背景下,绿色制造是我国实现碳中和目标的关键一步。废玻璃经回收处理后可替代混凝土中的骨料,实现资源和环境的可持续发展。国内外针对废玻璃混凝土展开了大量研究[1-2]。张楚等[3]通过冻融和干湿循环试验发现,冻融循环作用会降低废玻璃混凝土的抗压强度,但强度降低不明显。罗辉等[4]通过冻融循环试验发现,经过冻融作用后,废玻璃混凝土的抗冻性优于普通混凝土,且随着冻融循环次数的增加废玻璃混凝土的抗冻性能越好。孟春阳等[5]通过冻融循环试验发现,在混凝土中掺入粉煤灰可显著提高其抗冻性能。本研究将废玻璃作为混凝土的粗骨料和细骨料,研究废玻璃混凝土抗冻性能的变化规律,为其在水利工程中的应用提供技术支撑。

1 试验

1.1 原材料

水泥:沈阳冀东水泥有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥。粗骨料:辽宁省营口市大石桥市生产的碎石,粒径5～20 mm,连续级配。细骨料:辽宁省锦州市黑山县友邻水库的河沙,经筛洗后备用,其最大粒径5 mm,连续级配,细度模数2.9,Ⅱ区中砂。废玻璃:回收废弃玻璃,经洗净碎后用方孔筛筛取试样。外加剂:盘锦旭瑞建材有限公司生产的引气减水剂,减水率19%,掺量2%。

1.2 试验制作

以C30F100混凝土为基础,按照0%、10%、20%、30%、40%的取代率分别取代碎石和天然砂,并按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011的规范要求进行配比设计,制作成100 mm×100 mm×400 mm棱柱体,经养护24 d后取出。

1.3 冻融循环试验

试验遵循《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009中快冻法。将养护24 d的试件取出后,置于(20±2) ℃水中浸泡4 d,然后将其放置在冻融循环试验箱中进行试验,冻融循环温度为-20 ℃～20 ℃。

2 结果与讨论

2.1 废玻璃混凝土损伤后的外观形貌

经冻融循环作用后,废玻璃取代细骨料混凝土外观形貌变化如图1所示。

图1 废玻璃取代细骨料混凝土冻融后的形貌特征Fig.1 Morphology of fine aggregate concrete after freezing and thawing replaced by waste glass

图1(a)为未冻融作用混凝土的形貌特征,其表面平整,结构完整,骨料未裸露。图1(b)为废玻璃取代10%细骨料混凝土冻融后的形貌特征,其表面平整,表面混凝土没有剥落,冻融后质量较好。图1(c)为废玻璃取代40%细骨料混凝土冻融后的形貌特征,表面混凝土剥落,质量损失明显。由图可知,随废玻璃取代砂子的增加,混凝土抗冻性逐渐下降。

经冻融循环作用后,废玻璃取代粗骨料混凝土外观形貌变化如图2所示。图2(a)为未冻融作用混凝土形貌特征,其表面平整,结构完整,骨料未裸露。图2(b)为废玻璃取代10%粗骨料混凝土冻融后的形貌特征,其局部混凝土表面剥落,石子裸露不明显。图2(c)为废玻璃取代40%粗骨料混凝土冻融后的形貌特征,混凝土表面出现明显的冻胀裂纹,破坏现象明显,混凝土失去强度。

图2 废玻璃取代粗骨料混凝土冻融后的形貌特征Fig.2 Morphology of coarse aggregate concrete after freezing and thawing replated by waste glass

由图1、图2比较可知,废玻璃作为细骨料对混凝土抗冻性的影响较小,而作为粗骨料对混凝土抗冻性的影响明显,取代率大于10%时,混凝土出现明显的冻胀裂纹,破坏现象明显。

2.2 冻融循环作用对废玻璃混凝土性能的影响

2.2.1 质量损失率变化规律

图3为废玻璃取代细骨料混凝土冻融后质量损失变化规律。由图可知,随废玻璃作为细骨料的取代率和混凝土冻融次数的增加,混凝土质量损失率明显上升。当取代率不超过20%时,混凝土经冻融后质量损失率为3.93%,未超过5%,质量损失满足要求。由此可见,最优取代率为20%。

图3 废玻璃取代细骨料混凝土冻融后质量损失变化规律Fig.3 Variation of quality loss after freezing and thawing of fine aggregate concrete replaced by waste glass

图4为废玻璃取代粗骨料混凝土冻融后的质量损失变化规律。由图可知,随废玻璃作为粗骨料的取代率和混凝土冻融次数的增加,混凝土质量损失率增加明显。当取代率未超过10%时,混凝土经冻融后质量损失率为4.36%,未超过5%,质量损失满足要求。由此可见,最优取代率为10%。

图4 废玻璃取代粗骨料混凝土冻融后质量损失变化规律Fig.4 Variation of quality loss after freezing and thawing of coarse aggregate concrete replaced by waste glass

2.2.2 相对动弹性模量变化规律

由图5可知,随废玻璃取代率和混凝土冻融次数的增加,混凝土的相对动弹性模量会逐渐下降。当废玻璃掺量20%时,经过冻融后的相对动弹性模量为63.5%,满足抗冻性的要求。当掺量超过20%时,废玻璃混凝土的抗冻性不满足要求。由图6可知,随着废玻璃取代粗骨料数量的逐渐增加,混凝土相对动弹性模量逐渐下降。当废玻璃掺量为10%时,经过冻融后相对动弹性模量为68.3%,满足抗冻性要求。

图5 废玻璃取代细骨料混凝土冻融后相对动弹性模量变化规律Fig.5 Change of relative dynamic elastic modulus after freezing and thawing of fine aggregate concrete replaced by waste glass

图6 废玻璃取代粗骨料混凝土冻融后相对动弹性模量变化规律Fig.6 Change of relative dynamic elastic modulus after freezingand thawing of coarse aggregate concrete replaced by waste glass

3 结论

以废玻璃为研究对象,通过试验可知,随冻融次数的增加,其抗冻性逐渐下降。废玻璃作为细骨料,当取代率为20%时,废玻璃混凝土的抗冻性能满足要求。废玻璃作为粗骨料,当取代率为10%时,废玻璃混凝土的抗冻性能满足要求。