廢玻璃粉取代部分膠凝材料的混凝土基本性能研究

嚴(yán)桂鳳，魏振巍，吳健雄，張億龍，潘梓松

（南通理工學(xué)院，江蘇 南通 226000）

隨著城市建設(shè)的規(guī)模化發(fā)展，廢棄建材尤其是建筑玻璃也隨之不斷增加，由于玻璃的主要成分是二氧化硅，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，很難分解等，一般采取掩埋的方式，占用場(chǎng)地且污染環(huán)境。廢棄玻璃可二次用作生產(chǎn)玻璃的原料，但其回收成本高于原材料采購成本，因此成為廢棄材料。廢棄玻璃能否作為再生資源進(jìn)行回收利用成了越來越受關(guān)注的熱點(diǎn)問題。資料表明，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)廢棄玻璃的再利用開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一定成果。可將玻璃磨成一定細(xì)度的玻璃粉摻入混凝土中，制作混凝土構(gòu)件等。當(dāng)研磨的玻璃粉粒徑在100μm以內(nèi)時(shí)，可以有效防止堿硅酸反應(yīng)膨脹帶來的危害，俗稱ASR風(fēng)險(xiǎn)。亦發(fā)現(xiàn)玻璃粉具有一定的火山灰活性，廢玻璃粉的強(qiáng)度活性指數(shù)在28 d前小于粉煤灰，28 d以后接近甚至大于粉煤灰，有作為輔助膠凝材料的應(yīng)用潛力[1-2]。

如前所述，用粒徑尺寸為25μm-37μm的廢玻璃粉，等質(zhì)量取代水泥膠砂和混凝土中的膠凝材料，可以避免ASR風(fēng)險(xiǎn)。由于地方材料的差異性，具體的工程應(yīng)用，尤其是與現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，需要實(shí)驗(yàn)研究來加以確定。論文研究采用南通地區(qū)常用水泥等材料，通過正交實(shí)驗(yàn)，研究不同水灰比、不同廢玻璃粉摻量對(duì)水泥膠砂、混凝土和易性的影響及對(duì)水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原料

①水泥，牌號(hào)為P·O42.5，密度為3.08 g/cm3，比表面積380 m2/kg，礦粉含量12%，石灰石含量6%；

②玻璃粉：選用粒徑區(qū)間為13μm-25μm的廢玻璃粉，細(xì)度（80μm篩余量）小于10%；比表面積365 m2/kg。

③標(biāo)準(zhǔn)砂：中國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）標(biāo)準(zhǔn)砂，SiO2含量不低于98%的天然的圓形硅質(zhì)砂，顆粒級(jí)配為Ⅱ區(qū)，細(xì)度模數(shù)為3.0；

④石子：粒徑區(qū)間在5 mm-40 mm的連續(xù)粒級(jí)碎石；

⑤水：自來水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 廢玻璃粉水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方案

通過測(cè)定廢玻璃粉替代水泥比例分別為0%、10%、20%、30%、40%時(shí)砂漿的稠度和分層度，判斷廢玻璃粉水泥膠砂的工作性；采用40 mm×40 mm×160 mm尺寸的模具制備水泥膠砂試塊，測(cè)定廢玻璃粉水泥膠砂在3 d，7 d，14 d和28 d時(shí)間節(jié)點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

1.2.2 廢玻璃粉混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方案

分別采用三種不同尺寸的混凝土立方體試塊100 mm×100 mm×100 mm，150 mm×150 mm×150 mm，200 mm×200 mm×200 mm，多角度分析廢玻璃粉混凝土和易性，澆筑試塊，24 h后拆模，放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，測(cè)定3 d，7 d，14 d和28 d抗壓強(qiáng)度，與基準(zhǔn)組進(jìn)行對(duì)照分析。

2 和易性分析

2.1 廢玻璃粉水泥膠砂和易性分析

根據(jù)GB/T 17671-1999中“水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）”的檢驗(yàn)方法，分別從稠度和分層度兩個(gè)指標(biāo)檢測(cè)廢玻璃粉水泥膠砂的和易性，根據(jù)計(jì)算配合比制備砂漿，膠凝材料由水泥和廢玻璃粉構(gòu)成，其中廢玻璃粉摻量從0%-60%取整進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由此可知，隨著廢玻璃粉摻量的不斷增加，廢玻璃水泥砂漿稠度不斷減小，當(dāng)玻璃粉摻量達(dá)到60%時(shí)，水泥膠砂稠度為64 mm，完全符合燒結(jié)多孔磚、空心磚砌體和混凝土小型空心砌塊等常用砌塊砌體對(duì)砂漿稠度的要求。與此同時(shí)，隨著廢玻璃粉摻量的增加，分層度雖有增加趨勢(shì)，但增值不大，其中10%摻量的分層度和0%摻量的對(duì)照組分層度完全一致，說明廢玻璃粉水泥膠砂不易產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象，符合保水性好的砂漿對(duì)分層度的要求。

2.2 廢玻璃粉混凝土和易性分析

對(duì)不同廢玻璃粉摻量（0%、20%、30%和40%）和不同水膠比（0.4、0.5和0.6）的新拌玻璃混凝土進(jìn)行坍落度測(cè)試，判斷不同廢玻璃粉取代率下廢玻璃混凝土的和易性。隨著水膠比的增大，廢玻璃粉混凝土的坍落度也逐漸增大，且廢玻璃粉混凝土拌合物坍落度均高于普通混凝土拌合物，意味著，隨著廢玻璃粉摻和量的增大，廢玻璃粉混凝土流動(dòng)性隨之增大，主要是由于玻璃粉的低吸水率和其表面較高的光滑度以及由于水泥被玻璃粉部分取代使水泥砂漿被稀釋，導(dǎo)致水泥初凝水化產(chǎn)物減少，相應(yīng)的顆粒之間的粘結(jié)度下降，從而流動(dòng)性增大。但是，玻璃混凝土在攪拌過程中泌水現(xiàn)象較少，直至坍落度筒提起，基本未發(fā)生分層離析現(xiàn)象，且具有較好粘聚性，當(dāng)坍落度筒提起后，輕輕敲打已坍落的廢玻璃粉混凝土，未發(fā)生明顯坍落現(xiàn)象，所制備的廢玻璃混凝土和易性均滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的要求。這種流動(dòng)性好、粘聚性和保水性穩(wěn)定的廢玻璃粉混凝土可適用于高層泵送混凝土。

3 強(qiáng)度分析

3.1 廢玻璃粉水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度分析

本次實(shí)驗(yàn)采用多層建筑物墻體最常選擇的M7.5砌筑砂漿作為配置砂漿，測(cè)定其3 d、7 d、14 d和28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，評(píng)判水泥膠砂強(qiáng)度等級(jí)[3]。

3.1.1 廢玻璃粉水泥膠砂抗壓強(qiáng)度分析

隨著廢玻璃粉摻量的不斷增大，廢玻璃粉水泥膠砂強(qiáng)度雖有降低趨勢(shì)，但在摻和量30%內(nèi)，下降程度較小；廢玻璃粉水泥砂漿早期強(qiáng)度較高，7 d抗壓強(qiáng)度值將近是28 d抗壓強(qiáng)度值的一半，其中摻和量為20%的7 d抗壓強(qiáng)度值是28 d抗壓強(qiáng)度值的52.54%。可以認(rèn)為，廢玻璃粉摻和量在30%以內(nèi)均符合M7.5的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度要求。

3.1.2 廢玻璃粉水泥膠砂抗折強(qiáng)度分析

隨著廢玻璃粉摻和量的不斷增大，廢玻璃粉水泥膠砂抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；每個(gè)時(shí)間段的抗折強(qiáng)度都在40%摻和量節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且基本符合摻和量40%之前小于摻和量40%之后的下降趨勢(shì)；30%摻和量28 d抗折強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的0.398。可以認(rèn)為，廢玻璃粉摻和量在30%以內(nèi)均符合M7.5的水泥膠砂抗折強(qiáng)度要求。

3.2 廢玻璃粉混凝土抗壓強(qiáng)度分析

在保證砂率不變的前提下，對(duì)廢玻璃粉混凝土進(jìn)行水膠比、模具尺寸和廢玻璃粉摻和量三因素分析，形成L93（3）正交實(shí)驗(yàn)[4-5]。

以C30混凝土為研究對(duì)象，通過對(duì)養(yǎng)護(hù)3天、7天、14天和28天的各試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，將所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：試塊強(qiáng)度隨玻璃粉替代量的增加而下降，但玻璃粉替代率在30%內(nèi)時(shí)下降幅度較小；實(shí)驗(yàn)初期，廢玻璃粉混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，同水平下基本大于普通混凝土抗壓強(qiáng)度的20～30%；實(shí)驗(yàn)后期，廢玻璃粉混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較慢，摻和量30%以內(nèi)最終數(shù)值是普通混凝土抗壓強(qiáng)度的85%～95%，在判斷混凝土強(qiáng)度等級(jí)的容許范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）隨著廢玻璃粉摻量的不斷增加，在一定范圍內(nèi)，對(duì)廢玻璃水泥砂漿和廢玻璃粉混凝土流動(dòng)性影響不大，不易產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象，粘聚性和保水性較為穩(wěn)定；

（2）廢玻璃粉摻和量在30%以內(nèi)均符合M7.5的水泥膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度要求；

（3）本實(shí)驗(yàn)尚不能驗(yàn)證玻璃粉的活性表現(xiàn)存在替代膠凝材料的作用，雖然實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，但得到的結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)具有相似性，因此具有一定的合理性和工程指導(dǎo)意義。