廢棄玻璃粉對水泥砂漿耐高溫性能的影響研究

袁 杏 湖南工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院講師

龍靈君 湖南工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院

李 穎 湖南工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院

胡朝霞 湖南工學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院助教

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，廢棄玻璃制品越來越多，隨便丟棄會污染環(huán)境[1]。而將廢棄玻璃磨碎后加入混凝土中，不僅可以有效減少固體垃圾的總量，還能帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。近年來，隨著高層建筑物不斷增多，建筑物發(fā)生火災(zāi)的頻率也越來越高，在發(fā)生火災(zāi)時，鋼材和傳統(tǒng)混凝土在高溫條件下的力學(xué)性能下降明顯[3]，而玻璃能在高溫下熔融、遷移并且填充混凝土的裂縫，能有效改善混凝土的高溫力學(xué)性能[4—5]。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

使用湖南衡南南方水泥有限公司生產(chǎn)的南方牌P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，細(xì)砂為衡陽市湘江的河砂，表觀密度2.628 g/m3，堆積密度1 699 g/m3，細(xì)度模數(shù)2.407，為中砂。選用砸碎綠色啤酒瓶后的玻璃粉，合金鋼粉碎機(jī)粉碎成粉末，通過60 目細(xì)篩篩分。

1.2 試樣制備

試驗變量為玻璃粉摻量、溫度和冷卻方式，玻璃粉摻量分別為0%、10%、20%、30%，溫度為20 ℃（常溫）、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃，每種情況分別進(jìn)行自然冷卻和澆水冷卻，共有40 組，每組制作3 個試樣，共120 個試樣。

用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 水泥砂漿試樣不摻玻璃粉水泥砂漿配合比為水泥∶河砂∶水=450 g ∶1350 g ∶225 g，水膠比為0.5，膠砂比為1 ∶3。試樣制作完成后，室內(nèi)靜置1 d 后脫模，放入HBY—40B 水泥砼恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d。

2 試驗方案

將養(yǎng)護(hù)好的水泥砂漿試樣放入100 ℃±5 ℃烘箱中烘干1 d 后稱量，再放入SX2—12—12 定時箱式電阻爐中加熱至設(shè)定溫度，升溫速率為6 ℃/min，達(dá)到預(yù)設(shè)定溫度后保持恒溫2 h，取出試樣，分別進(jìn)行自然冷卻和澆水冷卻（在取出試樣后立即澆水，澆水持續(xù)時間為5 min），記錄各組試件的外觀變化。室內(nèi)靜置1 d 后稱量質(zhì)量，采用WAW—600 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗，用位移控制加載方式，設(shè)置加載速率0.2 mm/min，利用試驗機(jī)加載觀測系統(tǒng)得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線。為避免出現(xiàn)誤差，相同溫度情況的各24 個試樣同時進(jìn)行高溫試驗，每組試樣測試完后取平均值進(jìn)行后續(xù)質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變等分析。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 外觀特征和質(zhì)量損失率

水泥砂漿試樣不同高溫后不同玻璃粉摻量的砂漿和普通砂漿的外觀特征基本相似。試樣經(jīng)過不同高溫，其顏色、表面裂紋和疏松狀態(tài)發(fā)生了不同程度的變化。

試驗得到自然冷卻后砂漿質(zhì)量損失率與溫度的關(guān)系。溫度為200 ℃時混凝土質(zhì)量損失率增加幅度較小，溫度為400 ℃時混凝土質(zhì)量損失率增加幅度較多，整體質(zhì)量損失率隨溫度近似呈正比關(guān)系，各不同摻量玻璃粉水泥砂漿經(jīng)800 ℃高溫作用后質(zhì)量損失率分別為5.29%、5.29%、4.49%和5.5%。試驗結(jié)果顯示，相同高溫條件玻璃粉摻量為20%時水泥砂漿質(zhì)量損失率最低，而各不同摻量玻璃粉水泥砂漿在相同高溫后質(zhì)量損失率相差不大。

3.2 抗壓強(qiáng)度分析

從圖1 可以看出，不同玻璃粉摻量試樣在200 ℃高溫作用后抗壓強(qiáng)度值均略有升高，在400 ℃高溫作用后相對常溫下的抗壓強(qiáng)度值略有降低，在高于400 ℃（包括600 ℃和800 ℃）后其抗壓強(qiáng)度值迅速降低，降低幅度非常大。由此表明，摻加60 目以下玻璃粉的水泥砂漿，在400 ℃以內(nèi)高溫作用后自然冷卻，其抗壓強(qiáng)度不會有明顯下降。

隨著玻璃粉的摻量不斷增加水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢，摻10%玻璃粉的抗壓強(qiáng)度降低幅度較小，摻20%玻璃粉時水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度降低較多，30%摻量與20%摻量的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度值降低幅度相似。在200 ℃和400 ℃高溫作用后自然冷卻砂漿試樣，隨著玻璃粉摻量不斷增加，其抗壓強(qiáng)度呈近似線性降低的趨勢；在600 ℃和800 ℃高溫作用后自然冷卻砂漿試樣，其抗壓強(qiáng)度在10%玻璃粉摻量時沒有明顯降低，在20%和30%玻璃粉摻量時近似呈線性下降關(guān)系。由此表明，摻加10%的60 目以下玻璃粉水泥砂漿，其耐高溫性能不會有明顯影響。

不同冷卻方式的抗壓強(qiáng)度不同。不同摻量的玻璃粉水泥砂漿在20 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃高溫作用后，進(jìn)行澆水冷卻的抗壓強(qiáng)度值隨溫度升高而呈近似線性降低，600 ℃和800 ℃時不同摻量玻璃粉砂漿的抗壓強(qiáng)度值相差不大。玻璃粉摻量增加，不同高溫后澆水冷卻砂漿的抗壓強(qiáng)度值均有明顯降低，200 ℃和400 ℃高溫作用后隨著玻璃粉摻量增加其抗壓強(qiáng)度值近似呈線性下降趨勢，600 ℃和800 ℃高溫作用后隨著玻璃粉摻量增加其抗壓強(qiáng)度下降幅度越來越小（見圖1）。由此表明，相對于自然冷卻，澆水冷卻后水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度下降明顯，隨著摻量的增加下降幅度越來越小。

圖1 極限抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

3.3 應(yīng)力應(yīng)變分析

3.3.1 自冷不同溫度條件砂漿應(yīng)力應(yīng)變

由圖2 可知，經(jīng)過200 ℃高溫后不同玻璃粉摻量的應(yīng)變值均較小，均小于4×10—3，不同摻量玻璃粉試樣相比于未摻加試樣的應(yīng)變值均較小，且其應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)尖角狀；在經(jīng)過400 ℃高溫后，其應(yīng)變值有所增大，摻加玻璃粉試樣越多其應(yīng)變越大，應(yīng)力應(yīng)變曲線的尖角不太明顯；經(jīng)過600 ℃和800 ℃高溫后，其應(yīng)變值呈增大趨勢，應(yīng)力應(yīng)變曲線也趨于平緩，不同摻量應(yīng)力應(yīng)變曲線相差不大。由此表明，隨著溫度不斷升高砂漿試樣的應(yīng)變值增大，由脆性破壞變成塑性破壞，且溫度越高不同摻量玻璃粉砂漿的應(yīng)變值相差越小。

3.3.2 自冷不同玻璃粉摻量應(yīng)力應(yīng)變

由圖2 可知，隨著溫度的逐漸升高，不同摻量玻璃粉水泥砂漿的應(yīng)變值均呈增大趨勢，曲線呈現(xiàn)越來越緩和的趨勢；在相同溫度條件下，各種不同摻量玻璃粉砂漿的應(yīng)變值相差不大。由此表明，玻璃粉摻量對水泥砂漿的應(yīng)變值影響較小，水泥砂漿的應(yīng)變值受溫度的影響較大。

圖2 不同摻量應(yīng)力應(yīng)變曲線（400 ℃）

3.3.3 不同冷卻方式應(yīng)力應(yīng)變

圖3 為摻加30%玻璃粉水泥砂漿后不同冷卻方式的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，無高溫作用（20 ℃）的砂漿試樣應(yīng)變值較小，400 ℃高溫作用后水泥砂漿自然冷卻比澆水冷卻的應(yīng)力峰值要大得多，但應(yīng)力峰值時的應(yīng)變值相差不大；在800 ℃高溫作用后水泥砂漿自然冷卻與澆水冷卻的應(yīng)力峰值相差不大，但應(yīng)力峰值時的應(yīng)變值要小很多。由此表明，澆水冷卻對水泥砂漿試樣軟化作用明顯。

圖3 不同冷卻方式應(yīng)力應(yīng)變曲線

4 結(jié)語

本文得出以下結(jié)論。

第一，隨著溫度不斷升高，試樣表面逐漸呈灰白泛黃，表面裂紋越來越多且增寬，試樣變得越來越疏松。對于不同摻量的廢棄玻璃粉，其表面特征沒有明顯的差異。對于不同摻量的玻璃粉砂漿，其質(zhì)量損失率隨溫度升高呈增大趨勢，在溫度相同時玻璃粉摻量為20%時其質(zhì)量損失率最小。

第二，摻加不同比例60 目以下玻璃粉的水泥砂漿，在400 ℃以內(nèi)高溫作用后自然冷卻，其抗壓強(qiáng)度不會有明顯下降。摻加60 目以下10%左右玻璃粉的水泥砂漿，高溫后其抗壓強(qiáng)度下降不明顯。與自然冷卻相比，澆水冷卻后水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度下降明顯，隨著摻量的增加下降幅度越來越小。

第三，隨著溫度升高，砂漿試樣應(yīng)變值增大，由脆性破壞變成塑性破壞，且溫度越高不同摻量的玻璃粉砂漿應(yīng)變值相差越小。玻璃粉摻量對水泥砂漿的應(yīng)變值影響較小，水泥砂漿的應(yīng)變值受溫度的影響較大。澆水冷卻對水泥砂漿試樣的軟化作用明顯。