廢棄玻璃粉對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響

張 蘋(píng)，艾 昕，張 鵬，魏 國(guó)(.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島66033；.東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng)0004)

廢棄玻璃粉對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響

張 蘋(píng)1，艾 昕1，張 鵬1，魏 國(guó)2
(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島266033；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng)110004)

廢棄玻璃經(jīng)球磨機(jī)研磨成粉可作為水泥砂漿的原料.本文通過(guò)正交試驗(yàn)研究了廢棄玻璃粉摻量(0、10 %、20 %、30 %)、水膠比(0.35、0.4、0.5、0.6)、膠凝總量(420、450、480、500 kg/m3)和玻璃著色劑種類(lèi)等因素對(duì)水泥砂漿的力學(xué)性能影響規(guī)律.結(jié)果表明，隨著廢棄玻璃粉摻量的增加，砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度先增大后降低.最佳玻璃粉摻量為10 %，水膠比為0.4，膠凝總量為 450 kg/m3；對(duì)廢棄玻璃粉水泥砂漿強(qiáng)度影響最顯著的因素為玻璃粉摻量，其次為水膠比，而膠凝材料總量和著色劑對(duì)強(qiáng)度的影響很小.廢棄玻璃粉的火山灰活性效應(yīng)不明顯.利用廢棄玻璃粉作為摻合料生產(chǎn)水泥砂漿是可行的.

廢棄玻璃粉；水泥砂漿；正交試驗(yàn)；抗壓強(qiáng)度

隨著世界工業(yè)化的進(jìn)程，玻璃的產(chǎn)量和消耗量都在逐年增加，我國(guó)每年產(chǎn)生的廢棄玻璃約320萬(wàn)t，占到了城市生活垃圾的2%，對(duì)人類(lèi)的生活環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響.例如，2011年北京每天廢玻璃量達(dá)到 1 500 t，需環(huán)保部門(mén)耗費(fèi)約10萬(wàn)元 進(jìn)行處理[1-2].

廢棄玻璃粉應(yīng)用于混凝土中，或取代部分水泥[3-6]，或取代部分骨料[7-9]，而玻璃中最常見(jiàn)的是鈉鈣玻璃， 其中Na2O多在10%左右，不論哪種方式摻入都涉及到堿骨料反應(yīng)，但玻璃粉中的堿在多大程度上參與堿骨料反應(yīng)意見(jiàn)不一[10-13]，如何控制堿骨料反應(yīng)也還有待于深入.這在很大程度上限制了玻璃粉在混凝土中的應(yīng)用.因此將廢棄玻璃粉應(yīng)用于建筑砂漿，避開(kāi)ASR風(fēng)險(xiǎn)，在經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、技術(shù)上均具有可行性.

本研究嘗試將廢棄的玻璃回收研磨成粉，使其粒度接近于水泥.嘗試不同比例的玻璃粉替代部分水泥制成水泥砂漿，以玻璃粉摻量、水膠比、膠凝總量、玻璃著色劑作為影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)對(duì)其早期和長(zhǎng)期強(qiáng)度進(jìn)行分析，并分析反應(yīng)機(jī)理，為利用廢棄玻璃粉生產(chǎn)水泥砂漿提供依據(jù).

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料及試件制備

本試驗(yàn)中的玻璃粉水泥砂漿由玻璃粉、水、水泥、砂組成.原材料均來(lái)自本地，水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，砂為標(biāo)準(zhǔn)砂，玻璃粉為球磨機(jī)研磨，過(guò)70 μm篩；把玻璃粉經(jīng)烘干后進(jìn)行X熒光光譜分析，廢棄玻璃粉內(nèi)的氧化物組成如表1所示.試件規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體.廢棄玻璃粉取代部分水泥制作水泥砂漿，為消除因粒度而影響強(qiáng)度的測(cè)定，對(duì)玻璃粉和水泥分別進(jìn)行了粒度分析，粒度分布如圖1所示.從圖中可以看出，玻璃粉的粒徑接近于水泥的顆粒粒徑，可以取代部分水泥充當(dāng)膠凝材料.正交試驗(yàn)表及其配合比如表2所示.

表1 試驗(yàn)用廢棄玻璃粉的氧化物組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 試驗(yàn)用水泥及廢棄玻璃粉粒度分布圖Fig.1 Particle size distributions of the cement and the waste glass powder

表2 廢棄玻璃粉水泥砂漿正交試驗(yàn)配合比

1.2 試驗(yàn)方法

按照《GB17671-1999》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn).把試件放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(溫度20±1 ℃，濕度RH ≥ 95 %).試驗(yàn)研究玻璃粉摻量，水膠比，膠凝總量，著色劑對(duì)玻璃粉水泥砂漿強(qiáng)度的影響.把試塊從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室拿出之后分別測(cè)其3、 7、 28、 60 d 的強(qiáng)度，測(cè)定值取所測(cè)試塊的平均值，再與基準(zhǔn)水泥砂漿試塊的強(qiáng)度進(jìn)行比較.通過(guò)直觀分析和方差分析確定玻璃粉水泥砂漿的最佳配合比.

2 結(jié)果分析與討論

不同齡期的廢棄玻璃粉水泥砂漿試件的抗壓強(qiáng)度如表3所示.通過(guò)極差分析得到廢棄玻璃粉砂漿試件3 d抗壓強(qiáng)度關(guān)于摻量、水膠比、膠凝總量、顏色的極差為：10.465、 9.403、 1.647、 3.723； 7 d 抗壓強(qiáng)度值的極差為：15.21、 10.358、 2.032、 5.201；28 d時(shí)的極差為：15.84、 8.778、 0.933、 4.299；即四因素影響抗壓強(qiáng)度主次順序?yàn)椋翰ＡХ蹞搅?水膠比>著色劑和膠凝總量.由正交分析可知，在試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，前28 d廢棄玻璃粉砂漿試件各因素最佳水平組合為A2B2C2，即廢棄玻璃粉摻量為10 %，水膠比為0.4，膠凝總量為450 kg/m3.

為避免誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行了方差分析，如表4所示.由結(jié)果可知：玻璃粉摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響非常顯著，水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響顯著，著色劑種類(lèi)與膠凝總量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不顯著.這與極差分析的結(jié)果一致.但當(dāng)玻璃粉水泥砂漿試件養(yǎng)護(hù)到60 d的時(shí)候，其強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，并且低于基準(zhǔn)水泥砂漿試件的抗壓強(qiáng)度，這與期望的玻璃粉增強(qiáng)后期強(qiáng)度的效果相反，分析可能與玻璃粉結(jié)構(gòu)組成有關(guān)，還需要進(jìn)一步試驗(yàn)測(cè)定.

表3 摻廢棄玻璃粉水泥砂漿抗壓強(qiáng)度不同齡期正交試驗(yàn)結(jié)果(單位：MPa)

表4 抗壓強(qiáng)度方差分析表

玻璃粉摻量、水膠比和膠凝總量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系分別如圖2至圖4所示.由結(jié)果可見(jiàn)，廢棄玻璃粉水泥砂漿試件在 28 d 齡期內(nèi)的抗壓強(qiáng)度隨著玻璃粉摻量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，玻璃粉摻量在10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度值最大，繼續(xù)增加玻璃粉摻量，抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降.因此認(rèn)為，雖然廢棄玻璃粉的顆粒粒度與所用的水泥粒度比較接近，少量摻加時(shí)起到有限的改善微結(jié)構(gòu)的效果，但可能由于所用玻璃粉的活度有限，摻量增加后凝膠產(chǎn)物量降低，使得強(qiáng)度有所降低.抗壓強(qiáng)度隨水膠比的變化趨勢(shì)類(lèi)似， 28 d 齡期內(nèi)廢棄玻璃粉砂漿的抗壓強(qiáng)度在水膠比為0.4時(shí)最大，然后隨水膠比增大而降低.比較圖4中抗壓強(qiáng)度隨膠凝材料總量的變化可以發(fā)現(xiàn)，膠凝材料總量為 450 kg/m3時(shí)的強(qiáng)度最高，但整體對(duì)強(qiáng)度的影響不明顯.

圖2 抗壓強(qiáng)度隨玻璃粉摻量變化關(guān)系Fig.2 Relationship between compressive strength and added amount of glass powder

對(duì)第1組(無(wú)玻璃粉)和第14組(摻30%玻璃粉)水泥砂漿3 d和28 d的試件熱重分析結(jié)果分別如圖5至圖8所示.可以看出，試樣主要在120～150 ℃，440～460 ℃，700～730 ℃三個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)有明顯的質(zhì)量損失.試樣在130 ℃左右時(shí)，失去自由水；升溫至450 ℃左右時(shí)，氫氧化鈣分解；升溫至710 ℃左右時(shí)，碳酸鈣分解.無(wú)玻璃粉試件3 d時(shí)氫氧化鈣損失為1.179%，28 d時(shí)氫氧化鈣損失增大為1.808%，這是由于氫氧化鈣是水泥水化產(chǎn)物之一，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，其在砂漿中的量增大.而第14組即摻加30%玻璃粉試件3 d時(shí)氫氧化鈣損失為1.517%，28 d時(shí)質(zhì)量損失則有所降低，為1.330%.與無(wú)玻璃粉試件相比，3 d的氫氧化鈣質(zhì)量損失增加了0.238%.這與圖2中玻璃粉摻量在10%時(shí)，3 d和7 d強(qiáng)度均比純水泥略微增加是相對(duì)應(yīng)的.這說(shuō)明玻璃粉粒度與水泥相當(dāng)時(shí)，其無(wú)定形二氧化硅具有一定的早期水化活性.水化初期，玻璃粉中的無(wú)定形二氧化硅與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣進(jìn)行二次水化反應(yīng)，Ca2+離子逐漸將[SiO4]4-四面體鏈打斷瓦解并逐步融入到C—S—H結(jié)構(gòu)中，變成了連接[SiO4]4-四面體鏈與鏈之間的“—O—Ca—O—”鍵，生成水化硅酸鈣(C—S—H凝膠)，充填砂漿試件孔隙，有利于早期強(qiáng)度的提高.而28 d時(shí)氫氧化鈣損失有所降低，說(shuō)明玻璃粉中二氧化硅的活性比較有限，不能大量地取代水泥，粉磨粒度控制在水泥相當(dāng)即可，摻量宜控制在10%以下.

圖3 抗壓強(qiáng)度隨水膠比變化關(guān)系Fig.3 Relationship between compressive strength and water/cement ratio

圖4 抗壓強(qiáng)度隨膠凝總量變化關(guān)系 Fig.4 Relationship between compressive strength and total amount of binding material

圖5 第1組砂漿試件(無(wú)玻璃粉)3 d時(shí)的熱重分析結(jié)果 Fig.5 TGA results of the first group of mortar samples (without glass powder) in age of 3 days

圖6 第1組砂漿試件(無(wú)玻璃粉)28d時(shí)的熱重分析Fig.6 TGA results of the first group of mortar samples (without glass powder) after 28 days aging

圖7 第14組砂漿試件(摻30%玻璃粉)3 d時(shí)的熱重分析結(jié)果Fig.7 TGA results of the 14 th group of mortar samples (with 30% of glass powder) in age of 3 days

圖8 第14組砂漿試件(摻30%玻璃粉)28 d時(shí)的熱重分析結(jié)果 Fig.8 TGA results of the 14th group of mortar samples (with 30% of glass powder) after 28 days aging

3 結(jié) 論

(1)在各因素水平范圍內(nèi)，隨著玻璃粉摻量的增加，廢棄玻璃粉水泥砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度先增大后降低.最佳的玻璃粉摻量為10 %，水膠比為0.4，膠凝總量為450 kg/m3.極差分析顯示，對(duì)廢棄玻璃粉水泥砂漿試塊抗壓強(qiáng)度影響最為顯著的是玻璃粉摻量，其次是水膠比，而膠凝總量和著色劑種類(lèi)對(duì)強(qiáng)度的影響不大.

(2)廢棄玻璃粉的火山灰效應(yīng)不明顯，生產(chǎn)的砂漿試塊有早期強(qiáng)度(28 d以前)提高的特點(diǎn).

(3)利用廢棄玻璃粉作為摻合料生產(chǎn)水泥砂漿是可行的，即解決了廢棄玻璃的處置問(wèn)題，減少環(huán)境污染，又節(jié)省水泥膠凝材料.

[1]王海娟, 張義順, 趙繼芬, 等. 利用廢舊玻璃粉細(xì)摻料制備混凝土實(shí)驗(yàn)研究[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào): (自然科學(xué)版), 2012, 31(1): 608-612. (Wang Haijuan, Zhang Yishun, Zhao Jifen,etal. Research on using waste glass powder as pulverized admixture for concrete[J]. Journal of Henan Polytechnic University: (Natural Science), 2012, 31(1): 608-612.)

[2]徐美君. 國(guó)際國(guó)內(nèi)廢玻璃的回收和利用[J]. 建材發(fā)展導(dǎo)向, 2007(3): 55-59. (Xu Meijun. International and domestic recycling and utilization of waste glass[J]. Building Materials Development Direction, 2007(3): 55-59.)

[3]李鴻芳, 劉曉紅, 陳建雄. 石灰石粉復(fù)合渣高強(qiáng)高性能混凝土工作性研究[J]. 山西建筑, 2007, 33(2): 177-192. (Li Hongfang, Liu Xiaohong, Chen Jianxiong. Working performance search on high-intensity and high performance complex slag concrete with mountain meal [J]. Shanxi Architecture, 2007, 33(2): 177-192.

[4]崔洪濤. 超磨細(xì)石灰石粉摻合料混凝土性能的研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2004. (Cui Hongtao. Research of concrete mixed super fine limestone powder[D].Chongqing: Chongqing University, 2004.)

[5]柯國(guó)軍, 柏紀(jì)平, 譚大維. 廢玻璃用于水泥混凝土的研究進(jìn)展[J]. 南華大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 2010, 24(3): 96-102. (Ke Guojun, Bai Jiping, Tan Dawei. A review on the reuse of waste glass in the cement concrete [J]. Journal of University of South China (Science and Technology), 2010, 24(3): 96-102.)

[6]楊晶. 廢棄玻璃粉在再生混凝土中的輔助膠凝作用研究[D].昆明: 昆明理工大學(xué), 2010. (Yang Jing. Research on auxiliary gelling effect of using waste glass power in recycled concrete[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2010.)

[7]劉光焰, 秦榮, 王曉峰. 廢棄玻璃作為混凝土骨料的研究與應(yīng)用[J]. 混凝土, 2010(8): 65-67. (Liu Guangyan, Qin Rong, Wang Xiaofeng. Research and application on waste glass as concrete aggregate[J]. Concrete, 2010(8): 65-67.)

[8]王鳳池, 王振偉, 張霓, 等. 廢玻璃集料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響[J].新型建筑材料, 2011, 38(11): 12-18. (Wang Fengchi, Wang Zhenwei, Zhang Ni,etal. Effect of waste glass aggregate on concrete strength [J]. New Building Materials, 2011, 38(11): 12-18.)

[9]劉光焰, 秦榮, 王曉峰. 廢玻璃粗骨料混凝土的施工性能和強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 混凝土, 2011(3): 121-124. (Liu Guangyan, Qinrong, Wang Xiaofeng. Experimental investigation on the strength and construction property of the waste glasses coarse aggregate concrefe [J]. Concrete, 2011(3): 121-124.)

[10]Lam C S, Poon C S, CHan D. Enhancing the performance of pre-cast concrete blocks by Incorporating wasteglass-ASR consideration[J]. Cement & Concrete Composites, 2007(29): 616-625.

[11]Taha B, Nounu G. Properties of concrete contains mixed colour waste recycled glass as sand and cement replacement [J]. Construction and Building Materials, 2008(22): 713-720.

[12]Federico L M, Chidiac S E. Waste glass as a supplementary cementitious material in concrete-critical review of treatment methods [J]. Cement and Concrete Composites, 2009, 31(8): 606-610.

[13]Shi Caijun, ZHeng Keren. A review on the use of waste gases in the production of cement and concrete [J]. Resources, Conservation and Recycling, 2005, 2(2): 234-240.

Influence of waste glass powder on the mechanical property of cement mortar

Zhang Ping1, Ai Xin1, Zhang Peng1, Wei Guo2

(1. School of Civil Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao. 266033;2. School of Metallurgy， Northeastern University, Shenyang 110004, China)

The waste glass grinded by ball milling into fine powder can be taken as a material of the cement mortar. The compressive strength of cement mortar was investigated by means of orthogonal test, taken content of waste glass powder added (0, 10%, 20% and 30% ), water/cement ratio (0.35, 0.4, 0.5 and 0.6), total amount of binding materials (420, 450, 480 and 500 kg/m3) and the colorant as the factors. The results indicated that with increase of the waste glass powders, the compressive strength of the mortar increases at first and then decreases. The optimum composition obtained from the orthogonal tests is as follows: the glass powder is 10%, water-cement ratio is 0.4 and total amount of binding materials is 450 kg/m3. The most remarkable factor influencing the compressive strength of the glass powder cement mortar is the glass powder, followed by the water-cement ratio. While total amount of binding material and the colorant just show a little impact. Effect of the pozzolanic activity for the glass powder is not evident. It is believed the waste glass powder is feasible to add into a cement mortar.

waste glass powders; cement mortar; orthogonal test; compressive strength

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.014

TB 321

A

1671-6620(2017)01-0073-06