淺談廢棄玻璃混凝土的強度與ASR膨脹危害及其抑制

王楷燾　周鈺鑫　王海洲　施佳匯　靳丁帥男

摘要：廢棄玻璃骨料混凝土的研究在近幾十年是廢棄玻璃回收利用的熱點之一，但玻璃骨料混凝土潛在的ASR膨脹風險對其發展有著極大的制約。玻璃骨料的粒徑、替代率與ASR抑制劑的添加都會影響堿骨料反應。目前許多研究表明：當玻璃骨料粒徑小于1.18mm，替代率為25%左右時，ASR膨脹危害小，混凝土強度最高;而玻璃粉對于ASR膨脹的抑制則是：玻璃粉越細，對ASR的抑制效果越好，若考慮研磨成本，則75μm粒徑的玻璃粉最佳，添加量為20%時對ASR的抑制效果最好。

1.引言

隨著玻璃的運用范圍愈加廣泛，使用量越來越大，廢棄玻璃的產出量也在逐年遞增。國內外學者在對混凝土的骨料替換研究中發現玻璃的硬度與普通混凝土中的砂石相近，且在宏觀力學角度上存在著替換砂石的可能性，這種替換也有利于廢棄玻璃的二次利用與混凝土制造成本的降低。

現在的玻璃骨料混凝土ASR膨脹抑制程度仍未達到理想狀態，并且玻璃骨料混凝土所潛在的其它危害尚未探明。國內外對玻璃骨料混凝土的研究依舊在不斷進行。

2.玻璃骨料替代率對玻璃骨料混凝土ASR膨脹及其強度的影響

2.1與普通混凝土對比

混凝土的服役時間在受到多重因素的影響下，不僅要滿足荷載下的強度要求，還要滿足對耐久性的要求，這樣才能保證混凝土在設計使用年限間保持完整的外觀和正常的使用功能。玻璃骨料混凝土耐久性優于普通混凝土。從可持續發展角度看，玻璃骨料混凝土比普通混凝土更有價值。但是在玻璃骨料混凝土中存在嚴重的ASR膨脹危害，該危害隨著玻璃骨料替代率的升高而增加，會對混凝土的外觀和使用壽命產生非常劇烈的影響。

2.2玻璃骨料粒徑及替代率對ASR膨脹與混凝土強度的影響

ASR，全稱為堿—硅酸反應（Alkali-Silica Reaction，ASR）。其反應機理為混凝土中的堿與混凝土中的無定型SiO發生反應，形成ASR凝膠（例如Na₂SiO·HO）。ASR凝膠具有吸水膨脹的特性，在潮濕環境下會吸水膨脹產生應力，當應力達到極限強度時會使混凝土產生微裂紋從而造成混凝土失去其原有的設計作用。

趙祖芳等人分別對粗玻璃骨料和細玻璃骨料最優替代率進行研究，他們將替代率分成0%、15%、25%、35%、50%五組進行試驗，最終結果顯示，無論是粗骨料還是細骨料，替代率在25%時均可使玻璃骨料混凝土的強度達到最大，且其強度明顯高于基準配比混凝土。但當替代率大于25%時，混凝土強度隨替代率的升高而降低。這些實驗也證明了，將玻璃骨料運用到混凝土中是真實可行的。

3.玻璃粉添加比例對ASR膨脹程度的抑制

3.1 ASR危害抑制方法及其原理

玻璃骨料粒徑影響著堿性OH離子與玻璃骨料的反應程度;玻璃骨料粒徑的大小與玻璃的裂縫數量及寬度成正比，玻璃骨料粒徑越大，OH離子越容易進入玻璃骨料內部發生反應從而加劇ASR反應;粒徑越小進入骨料的OH離子越少從而抑制ASR反應的生成。

李福海等人發現礦物摻合料會與混凝土中的Ca（OH）以及高Ca/Si比的C-S-H凝膠發生二次火山灰反應生成具有強固堿能力的低Ca/Si比的C-S-H凝膠，并有效降低混凝土中的K、Na離子濃度從而抑制ASR反應的發生。

3.2玻璃粉添加量對ASR膨脹的抑制效果

黃昌石在此基礎上對不同粒徑的玻璃粉對ASR危害的抑制效果進行了研究，有三組對照，分別為0～13μm、13～38μm、38～75μm，其研究結果顯示玻璃粉粒徑越小對ASR的抑制效果越明顯，但考慮到研磨成本，最佳的使用粒徑為75μm。

4.結語

世界每年生產的200億噸廢棄垃圾中，有7%為廢棄玻璃，但我國的廢棄玻璃回收利用率僅為25%～30%。如果能夠解決潛在的ASR反應風險和強度影響等問題，實現廢棄玻璃骨料混凝土的運用，可以大大提高廢棄玻璃的回收利用率，有利于我國的可持續性發展戰略，對節約資源、環境保護、新型混凝土材料的研發具有重要意義。

參考文獻

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基金項目：南京工程學院大學生科技創新基金項目（TB202109015&TB202109017）、江蘇省大學生實踐創新訓練計劃重點項目（202111276021Z）