廢棄CRT玻璃對(duì)混凝土強(qiáng)度與耐久性的影響

尤 憶

(臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，臺(tái)州 318000)

0 引 言

隨著土木與建筑工程建設(shè)量的快速增加，混凝土材料的需求量逐年提高[1]。由于天然骨料的缺乏和環(huán)境對(duì)建筑工業(yè)的限制，混凝土細(xì)骨料短缺的情況十分普遍，尋找天然砂的替代細(xì)骨料是混凝土研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[2-3]。與此同時(shí)，隨著城市工業(yè)化的快速發(fā)展和生活水平的提高，工業(yè)與生活垃圾也在迅速累積，使得廢棄物的處理成為一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，因此利用資源循環(huán)利用的思路對(duì)廢棄物進(jìn)行有效回收是一項(xiàng)重要研究課題[4]。

在資源短缺和工業(yè)化背景下，多種類(lèi)型的工業(yè)廢物已經(jīng)被用于生產(chǎn)環(huán)保材料[5-8]。近年來(lái)，利用工業(yè)廢棄材料替代現(xiàn)原料進(jìn)行混凝土制備的研究引起了廣泛關(guān)注[9]。陰極射線(xiàn)管(CRT)玻璃被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)領(lǐng)域，廢棄CRT玻璃經(jīng)常被非法傾倒或掩埋至垃圾填埋場(chǎng)，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，找到一種回收利用廢棄CRT玻璃的方法非常重要[10]。由于物理和化學(xué)性能較為穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，廢棄CRT玻璃作為混凝土細(xì)骨料的替代物在建筑工程材料中的應(yīng)用已經(jīng)取得顯著成效，目前已經(jīng)應(yīng)用于混凝土、磚塊和公路路基填料等領(lǐng)域[11-13]。根據(jù)射線(xiàn)的防護(hù)原理和屏蔽機(jī)制可知，重金屬元素對(duì)常見(jiàn)的射線(xiàn)有較好的屏蔽效果，將CRT玻璃用作細(xì)骨料制備成特殊的混凝土材料，不僅保護(hù)了環(huán)境，還可以為需要射線(xiàn)屏蔽的建筑物提供屏蔽材料[14]。

本研究用廢棄CRT玻璃顆粒替代天然砂進(jìn)行混凝土試樣的制備，對(duì)不同CRT玻璃替代率與水灰比下改性混凝土流動(dòng)性能、強(qiáng)度性能、抗凍融性能和抗氯離子滲透性等指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以量化CRT玻璃的替代率對(duì)混凝土改性效果的影響。研究結(jié)果對(duì)CRT玻璃改性混凝土工作性能的認(rèn)識(shí)具有重要參考價(jià)值。

1. 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

1.1.1 水泥

本試驗(yàn)配制混凝土試樣的凝膠材料采用普通硅酸鹽水泥(OPC)，來(lái)自堯柏特種水泥集團(tuán)有限公司，其化學(xué)成分如表1所示，物理性能指標(biāo)如表2所示。

表1 水泥的主要化學(xué)成分

表2 水泥的物理性能指標(biāo)Table 2 Physical index of cement

1.1.2 骨料

圖1 破碎篩分后的CRT玻璃Fig.1 CRT glass after breaking and sieving

采用天然碎石作為粗骨料，最大粒徑為20 mm，密度為2.68 g/cm3，吸水率為0.97%。采用天然河砂作為細(xì)骨料，最大粒徑為5 mm，密度為2.60 g/cm3，吸水率為1.01%。另外，本研究采用廢棄CRT玻璃作為混凝土的替代細(xì)骨料，CRT玻璃是在陰極射線(xiàn)管的廢料中收集的，收集到的廢玻璃用破碎機(jī)進(jìn)行粉碎，經(jīng)過(guò)篩分收集直徑2 mm以下的廢玻璃碎渣，干燥密度為3.0 g/cm3，破碎的CRT玻璃如圖1所示。不同粗、細(xì)骨料的物理化學(xué)性能指標(biāo)如表3所示，可以看出廢棄CRT玻璃的密度明顯高于天然砂和碎石骨料，細(xì)度模數(shù)明顯小于天然砂和碎石骨料，吸水率為0，表明CRT廢玻璃材料具有高密度，粒徑小和不透水的物理特性。

表3 不同類(lèi)型骨料的基本特性

1.1.3 外加劑

本研究使用的外加劑包括：引氣劑(AE)和減水劑(WRA)。其中：引氣劑采用烷基苯磺酸鹽類(lèi)，減水劑采用聚碳酸酯基型高效減水劑。

1.1.4 水灰比與養(yǎng)護(hù)條件

混凝土設(shè)計(jì)水灰比分別為0.35、0.45和0.55，廢棄CRT玻璃代替天然砂的取代率為0%、50%和100%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。混凝土的養(yǎng)護(hù)條件、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和混凝土相關(guān)配合比見(jiàn)表4。

表4 混凝土配制條件Table 4 Experimental conditions of concrete

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 試樣制備

根據(jù)耐久性試驗(yàn)要求，按規(guī)定尺寸制備混凝土試件。用于測(cè)試抗凍融性能、強(qiáng)度性能和抗氯離子滲透性能的試樣為100 mm×100 mm ×400 mm的長(zhǎng)方體試樣。

1.2.2 混凝土配合比

混凝土配合比如表5所示，基本材料包括粗骨料、細(xì)骨料、水泥、水、引氣劑和減水劑。制備3種水灰比和3種CRT玻璃取代率共9組混凝土。相同水灰比下混凝土試樣的水、水泥、碎石和外加劑的用量保持一致，天然砂與廢棄CRT玻璃的配比為變量。表5中的組別名稱(chēng)，如35-0是指水灰比為0.35，CRT玻璃取代率為0%的混凝土試樣。

表5 混凝土配合比Table 5 Mix proportion of concrete

1.2.3 混凝土性能測(cè)試

首先，對(duì)不同混凝土砂漿的坍落度與含氣量進(jìn)行了測(cè)定；然后將不同組別的混凝土在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7 d、28 d和91 d；再采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；同時(shí)對(duì)養(yǎng)護(hù)好的混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)處理，每經(jīng)過(guò)30次凍融循環(huán)測(cè)1次試樣質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量；最后測(cè)試混凝土的抗氯離子滲透性能以評(píng)估試樣的耐久性。

2 結(jié)果與討論

2.1 坍落度和含氣量

圖2為不同水灰比和廢棄CRT玻璃替代率下的混凝土坍落度變化結(jié)果。可以看出混凝土的坍落度隨廢棄CRT玻璃替代率增大而上升，而與水灰比無(wú)明顯的關(guān)系，但坍落度的變化率隨水灰比增大而明顯減小。如圖2所示，在廢棄CRT玻璃取代率為100%，水灰比為0.35的情況下，混凝土試樣的坍落度變化率為185%，而水灰比為0.55時(shí)，相應(yīng)坍落度變化率為46%。因此，采用廢棄CRT玻璃取代天然砂作為細(xì)骨料能夠顯著提高漿料的坍落度，而水灰比越低，砂漿坍落度的提升效果越明顯。

值得注意的是，Kou和Poon[9]用低密度廢棄玻璃替代細(xì)集料配制混凝土?xí)r，發(fā)現(xiàn)砂漿的坍落度隨著廢棄玻璃替代率的增加而降低。這種現(xiàn)象可能主要與廢玻璃的密度有關(guān)。前人研究中采用的廢棄玻璃渣密度比天然河砂更低，而本研究中使用的CRT玻璃的密度為3.0 g/cm3左右，明顯高于天然河砂密度。因此，高密度的CRT玻璃渣對(duì)砂漿坍落度具有正向改良作用；同時(shí)，CRT玻璃渣表面光滑、吸水率低的物理特性也可能影響混凝土砂漿的坍落度。此外，由于本研究在普通混凝土和含廢棄CRT玻璃的混凝土中均添加了等量的外加劑，在制備CRT玻璃改性混凝土?xí)r，適量降低外加劑摻量即可獲得要求的坍落度，這樣能夠節(jié)約外加劑的用量，有利于工程的經(jīng)濟(jì)性。

含氣量是指混凝土單位體積中的空氣體積分?jǐn)?shù)。混凝土中的粗集料粒徑對(duì)空氣含量幾乎無(wú)影響，而引進(jìn)的氣泡分布于砂漿中，通過(guò)改變砂漿性能進(jìn)而影響整體性能。采用混凝土含氣量測(cè)定儀進(jìn)行含氣量測(cè)試，不同廢棄CRT玻璃取代率和水灰比下混凝土試樣的含氣量結(jié)果如圖3所示。隨著廢棄CRT玻璃取代率的增加，含氣量增加，但增加幅度不大，不同組別試樣的含氣量范圍為5.1%～5.6%，說(shuō)明水灰比與CRT玻璃取代率對(duì)混凝土的含氣量影響均不顯著。

圖2 混凝土試樣的坍落度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Slump test results of concrete samples

圖3 混凝土試樣的含氣量測(cè)試結(jié)果Fig.3 Air content test results of concrete samples

2.2 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

對(duì)含廢棄CRT玻璃的混凝土進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，可以看出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度不斷增大，且在養(yǎng)護(hù)7～28 d時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)度發(fā)展較快，養(yǎng)護(hù)28～91 d的強(qiáng)度發(fā)展逐漸緩慢。水灰比對(duì)混凝土強(qiáng)度特征有明顯影響，水灰比越低，強(qiáng)度越高。而在水灰比相同的條件下，隨著廢棄CRT玻璃取代率增加，混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度均逐漸增加，當(dāng)細(xì)骨料被廢棄CRT玻璃100%替代時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的平均增長(zhǎng)率分別為20%和15%。另外，CRT玻璃取代率在50%～100%區(qū)間內(nèi)的強(qiáng)度提升幅度較0%～50%區(qū)間內(nèi)的強(qiáng)度提升幅度明顯降低。這主要是因?yàn)橄鄬?duì)于天然砂，廢棄CRT玻璃料的表面光滑且顆粒尺寸更小，在摻量較低時(shí)，廢棄CRT玻璃填充孔隙而提升混凝土的密實(shí)度。而當(dāng)摻量較高時(shí)，CRT玻璃的光滑表面會(huì)阻礙水泥漿料的附著，進(jìn)而降低骨料之間的黏結(jié)強(qiáng)度。該現(xiàn)象與Lee等[3]的研究結(jié)果具有相似之處。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖5所示，可以看出兩者之間呈明顯的線(xiàn)性關(guān)系。該現(xiàn)象說(shuō)明用CRT玻璃取代細(xì)集料對(duì)混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度的改進(jìn)是同步的。

2.3 抗凍融性能

采用質(zhì)量變化率評(píng)價(jià)混凝土受凍融循環(huán)影響的結(jié)構(gòu)完整性，質(zhì)量變化率越大，混凝土抗凍融性越差。每經(jīng)過(guò)30次凍融循環(huán)的混凝土質(zhì)量變化率如圖6所示，在不同水灰比和廢棄CRT玻璃取代率的條件下，混凝土在凍融循環(huán)后均無(wú)較大幅度的質(zhì)量變化，即結(jié)構(gòu)完整性受到凍融循環(huán)次數(shù)的影響較小。

凍融過(guò)程中混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化反映了材料力學(xué)性能受凍融循環(huán)的影響規(guī)律。經(jīng)過(guò)0～300次凍融循環(huán)的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量如圖7所示，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后，不同組別混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融次數(shù)增加均呈下降趨勢(shì)，即凍融循環(huán)對(duì)混凝土力學(xué)性能有顯著的減弱效應(yīng)。當(dāng)水灰比相同時(shí)，CRT玻璃渣含量越高，混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量越高。例如：對(duì)于水灰比為0.35的混凝土而言，CRT玻璃渣含量為0%時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈性模量為初始狀態(tài)的91%；而CRT玻璃渣含量為50%和100%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為初始狀態(tài)的96%和99%。因此，采用廢棄CRT玻璃改性的混凝土具有相對(duì)較好的抗凍融性。

圖4 混凝土試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Fig.4 Compressive and flexural strength test results of concrete samples

圖5 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between compressive strength and flexural strength

圖6 不同凍融次數(shù)下的質(zhì)量變化率Fig.6 Weight change ratio under different freeze-thaw cycles

基于上述結(jié)果，當(dāng)采用高水灰比的漿料進(jìn)行混凝土試樣制備時(shí)，摻入適量的廢棄CRT玻璃能夠顯著提高混凝土的耐久性。究其原因，由于廢棄CRT玻璃的透水性比天然砂更差，孔隙更少，當(dāng)采用CRT玻璃取代天然砂進(jìn)行試樣制備時(shí)，其微結(jié)構(gòu)受凍結(jié)融解過(guò)程的損傷效應(yīng)相對(duì)較小，故表現(xiàn)出較好的抗凍融性。

2.4 抗氯離子滲透性能

不同水灰比和CRT玻璃取代率的混凝土抗氯離子滲透性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示。可以看出隨著廢棄CRT玻璃取代率的增加，不同水灰比條件下的氯離子滲透深度均有所下降。在較高的水灰比下，廢玻璃進(jìn)一步提高了混凝土抗氯離子滲透的性能。在CRT玻璃取代率為50%的情況下，混凝土在養(yǎng)護(hù)91 d后的氯離子平均滲透深度降低了20%；而在廢玻璃替代率為100%的情況下，混凝土的氯離子平均滲透深度降低了36%。由此可見(jiàn)，用廢棄CRT玻璃代替天然砂用作混凝土的細(xì)骨料可以顯著提高混凝土的抗氯離子滲透性能[15]。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)特征

基于掃描電子顯微鏡(SEM)結(jié)果對(duì)普通混凝土和CRT玻璃改性混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果如圖9所示。可以看出普通混凝土內(nèi)部存在較多微觀缺陷，粗骨料之間存在微裂隙，而廢棄CRT玻璃替代天然砂使得改性混凝土內(nèi)部裂隙明顯減少。另外，由于廢棄CRT玻璃具有不透水性，且粒徑小于天然砂顆粒，使混凝土內(nèi)部水泥硬化物結(jié)構(gòu)更加致密。因此，將其替代混凝土砂漿的細(xì)集料可以顯著提高混凝土的密實(shí)度，進(jìn)而影響強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗氯離子滲透系數(shù)。

圖7 混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.7 Relative dynamic elastic modulus of concrete

圖8 混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Fig.8 Chloride diffusion coefficient of concrete

圖9 混凝土的微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 Microstructure of concrete

3 結(jié) 論

(1)混凝土砂漿的坍落度隨廢棄CRT玻璃取代率增加明顯提高，隨水灰比的增大而減小，含氣量受水灰比和廢玻璃取代率的影響不顯著。

(2)混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度隨CRT玻璃取代率增加均有所提高，隨水灰比增加而下降，混凝土的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度間存在較好的線(xiàn)性相關(guān)性。

(3)不同組別的混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融次數(shù)增加呈下降趨勢(shì)，當(dāng)水灰比相同時(shí)，CRT玻璃含量越高，相對(duì)動(dòng)彈性模量的凍融循環(huán)損傷效應(yīng)越小，CRT玻璃的摻入提高了混凝土的抗凍融性。

(4)隨著CRT玻璃取代率的增加，氯離子滲透深度均有所下降，其原因主要是廢棄CRT玻璃顆粒具有不透水性，且粒徑相對(duì)較小，使混凝土內(nèi)部砂漿硬化體結(jié)構(gòu)更加致密。