廢玻璃顆粒對再生骨料透水混凝土的改性作用

陳守開， 劉 洋， 趙云鵬， 趙夢蝶，*， 李炳林

（1.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046； 2.河南水谷創新科技研究院有限公司，河南 鄭州 450046； 3.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098）

改革開放40多年來，中國的城鎮化發展迅速，預計2025年城鎮化率將達到65.5%左右［1］.混凝土不透水路面布滿街道，給人們帶來便利的同時還會導致城市下墊面發生巨大變化，原本的綠地河湖等天然透水區域顯著減少，水循環系統發生巨大變化，帶來了城市內澇等諸多水問題［2］.為應對和解決城市水問題，中國提出了海綿城市建設理念，而透水混凝土等透水鋪裝設施是海綿城市防澇體系建設中的源頭控制措施［3］.城市建設過程中產生了大量的建筑垃圾.據統計，中國、美國和印度作為世界前三大建筑垃圾產量國，其年均總產量已接近80億t［4］.建筑垃圾的填埋處理不僅造成了經濟的巨大損失，同時也對空氣、土地以及地下水等資源造成了直接或間接的污染.2018年中國正式啟動無廢城市建設［5］，部分學者采用廢棄混凝土經破碎、篩分、清洗后獲得的再生骨料來替代天然骨料，制備再生骨料透水混凝土（RAPC），這不僅可以為海綿城市防澇體系中的源頭控制措施貢獻力量，而且可以為建筑垃圾的處理提供有效途徑，同時再生骨料用量的增加將有助于減少CO2的排放［6］.

Chen等［7］利用建筑垃圾制備再生骨料透水混凝土，透水系數最高可達5 mm/s，遠遠高于規范要求，并且再生骨料透水混凝土還具有降噪、防滑等優點.然而強度上的不足限制了再生骨料透水混凝土的推廣應用.姚明來等［8］制備的再生骨料無砂透水混凝土最低抗壓強度不足5.00 MPa.陳守開等［9］通過改善再生骨料的摻配比，使RAPC的抗壓強度達到9.06 MPa，但距離規范對C20透水水泥混凝土面層的力學性能要求還有一段距離.考慮到RAPC滲透性能過剩和強度性能不足的特點，Bonicelli等［10］將細骨料按粗骨料重量的7%～10%摻入透水混凝土，發現可以顯著提高其力學性能.吳東等［11］研究了不同砂率下透水混凝土的工作性能，當砂率為3.4%時透水混凝土抗壓強度提升了32.6%；王慶利等［12］探究了RAPC的最優砂率，發現在7%砂率下，RAPC強度得到明顯提高，且透水性能依然滿足規范要求.然而近年來，天然河砂資源日益緊缺，過度開采天然河砂對生態環境造成了危害，限制了其在工程中的廣泛應用.由于玻璃和砂子一樣主要由二氧化硅（SiO2）組成，且玻璃砂具有一定的火山灰活性，把廢棄玻璃回收利用來代替天然河砂是大量處理廢棄玻璃的潛在選擇.然而目前還沒有足夠的研究表明，廢玻璃顆粒會給RAPC領域帶來顯著的變化.為此，本文從多尺度研究［13］出發，借助圖像分析軟件、掃描電鏡及核磁共振等測試技術，研究廢玻璃顆粒對RAPC的作用機理，以期為再生骨料透水混凝土性能優化提供途徑，也為固體廢棄物資源化利用提供解決方案.

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為348.70 m2/kg，28 d立方體抗壓強度為49.60 MPa，初凝時間為176.00 min，終凝時間為244.00 min.粗骨料由廢棄混凝土路面（強度等級C30）經過破碎、清洗、篩分獲得，其表觀密度為2 637.54 kg/m3，堆積密度 為1 246.59 kg/m3，含 泥 量1）文中涉及的含泥量、吸水率等除特別說明外均為質量分數.為0.22%，吸 水 率 為5.18%，含水率為1.54%，壓碎指標為16.81%，粒徑范圍為4.75～19.00 mm；細骨料為天然河砂和廢玻璃顆粒，粒徑范圍均為0～4.75 mm，表觀密度分別為2 620.09、2 497.92 kg/m3，細度模數均為2.6，兩者微觀形貌見圖1.

圖1 天然河砂和廢玻璃顆粒的微觀形貌Fig.1 Micro morphology of natural river sand and waste glass particles

1.2 配合比設計

RAPC和砂漿的砂率設為7%［12］，其余配合比如表1所示.表1中，G-i表示RAPC試件，M-i表示砂漿試件，i為廢玻璃顆粒替代率r×100，r取0%、20%、40%、60%、80%和100%，并設G-0、M-0為基準組.需要說明的是，由于再生粗骨料具有較高的吸水性［14］，因此綜合考慮其吸水率與含水率，增加RAPC試件的附加用水量（砂漿試件不需要考慮）.

表1 試件配合比Table 1 Mix proportions of specimens kg/m3

RAPC試件的制備流程參考文獻［7］，將制備好的試件在標準養護室下養護28 d后再進行試驗，砂漿試件的制作與養護參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》執行.

1.3 測試方法

參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，測試RAPC試件強度；參照CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》，測試試件連通孔隙率；采用筆者參照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技術規程》自制的透水裝置［15］，測試試件透水系數；參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，測試試件砂漿稠度和保水率.

采用紐邁科技公司的核磁共振（NMR）分析系統和CPMG脈沖序列，對試件進行NMR分析；采用德國D8型X射線衍射儀（XRD）進行相分析；采用美國FEI公司的QUANTA-650掃描電鏡和能譜分析儀（SEM-EDS），進行微觀分析；通過Matlab軟件對RAPC試件的截面圖像進行二值化處理，利用Image-Pro Plus軟件對圖像進行統計分析，圖像處理過程見圖2.

圖2 圖像處理過程Fig.2 Process of image treatment

2 結果與分析

2.1 砂漿工作性能

圖3給出了砂漿的稠度和保水率.由圖3可見：受廢玻璃顆粒替代率的影響，砂漿稠度和保水率的離散系數分別為10.52%、0.49%；摻加廢玻璃顆粒后，砂漿稠度顯著提高，基準組砂漿M-0的稠度為45.7 mm，而當廢玻璃顆粒替代率為20%、40%、60%、80%、100%時，砂漿稠度分別提高了5.08%、10.07%、19.80%、24.29%、32.17%.這是由于廢玻璃顆粒表面比天然河砂表面更平整光滑（見圖1），從而減少了漿體間的摩擦力；與天然河砂相比，廢玻璃顆粒吸水率較低（僅0.18%），隨著廢玻璃顆粒替代率的增大，漿體中自由水增多.由圖3還可見，隨廢玻璃顆粒替代率增大，砂漿的保水率略有降低，但影響不大.

圖3 砂漿的稠度和保水率Fig.3 Consistency and water retention rate of mortar

砂漿的核磁共振試驗結果與孔隙率見圖4.由圖4（a）可知：砂漿中的孔徑呈現“三峰”結構分布，第1峰孔徑范圍為0～0.1 μm（小孔），第2峰為0.1～10.0 μm（中孔），第3峰為10.0～100.0 μm（大孔）；隨廢玻璃顆粒替代率增大，砂漿孔隙率、小孔及5.0～10.0 μm孔的分布逐漸增大，第2峰和第3峰的邊界逐漸弱化，且中、大孔的級配更加連續，即摻入廢玻璃顆粒優化了砂漿的內部結構.

圖4 砂漿的核磁共振試驗結果和孔隙率Fig.4 NMR test results and porosity of mortar

2.2 RAPC力學性能與透水性能

圖5給出了RAPC力學性能試驗結果.由圖5可知：基準組試件G-0的抗壓強度和劈拉強度分別為14.53、2.52 MPa，高于砂率為0%的試件［12］；與基準組相比，以廢玻璃顆粒替代天然河砂可提高RAPC的力學性能，且隨廢玻璃顆粒替代率增加，RAPC強度增大，當廢玻璃顆粒替代率為20%～100%時，RAPC抗壓強度依次提高了5.57%、31.18%、41.50%、51.96%、66.48%，當r=100%時其抗壓強度和劈拉強度最大，分別為24.19、3.16 MPa；受廢玻璃顆粒替代率的影響，RAPC抗壓強度和劈拉強度的離散系數分別為19.63%、8.16%.

圖5 RAPC力學性能試驗結果Fig.5 Mechanical property test results of RAPC

不同廢玻璃顆粒替代率下，RAPC的相對應力-應變曲線見圖6，其中σ、frc分別為應力和峰值應力，分別為應變和峰值應變為相對應力為相對應變.由圖6可知：試件G-0～G-80的彈性階段和屈服階段特性相似，達到破壞荷載后，曲線的趨勢呈現交錯變化，存在較大差異，其主要原因是再生粗骨料存在原始缺陷，導致混凝土出現裂縫快速發展的不穩定狀態；試件G-100的彈性階段較長且屈服階段不明顯，在彈性階段末期應力突增至峰值，這是因為當細骨料全部為廢玻璃顆粒時，RAPC韌性大大降低，表現出硬而強的特點，這與李愛飛等［16］的觀點相似，即玻璃骨料會使混凝土脆性增加.

圖6 RAPC的相對應力-應變曲線Fig.6 Relative stress-strain curves of RAPC

圖7為RAPC透水系數與孔隙率隨廢玻璃顆粒替代率的變化.由圖7可見：基準組試件G-0的透水系數和孔隙率分別為1.47 mm/s、12.86%；以廢玻璃顆粒替代天然河砂后，隨廢玻璃顆粒替代率增加，透水系數呈指數型降低，當廢玻璃顆粒替代率為20%～100%時，透水系數較試件G-0依次下降了23.81%、42.86%、50.34%、55.78%和57.14%，當r=100%時，透水系數和孔隙率最低值分別為0.63 mm/s、8.99%；隨廢玻璃顆粒替代率增加，孔隙率線性減小；透水系數和孔隙率的擬合相關系數分別為0.994、0.941；RAPC透水系數與孔隙率之間表現出正相關性.

圖7 RAPC透水系數與孔隙率隨廢棄玻璃顆粒替代率的變化Fig.7 Variation of RAPC water permeability and porosity with replacement rate of waste glass particles

圖8給出了細骨料表觀密度與砂漿密度的關系.由圖8可知，隨著廢玻璃顆粒替代率的增加，細骨料表觀密度與砂漿密度均逐漸降低，且兩者之間近似呈線性變化的趨勢，與RAPC的強度變化趨勢（見圖5）正好相反.

圖8 細骨料表觀密度與砂漿密度的關系Fig.8 Relationship between apparent density of fine aggregate and mortar density

2.3 RAPC平面孔結構分析

基于Image圖像法，提取得到截面孔隙分布特征見表2，平面孔隙貢獻分布見圖9.由表2可知：RAPC內部孔隙結構（包括平面孔隙率、孔隙個數、等效孔徑等指標）隨廢玻璃顆粒替代率增加而變化；隨著廢玻璃顆粒替代率的增加，RAPC內部平面孔隙面積和 平 面 孔 隙 率 逐 漸 減 小，分 別 從2 596.848 mm2、18.03%（試件G-0）降至1 974.414 mm2、13.71%（試件G-100），這與孔隙率和透水系數變化規律一致.由圖9可見：廢玻璃顆粒改變了RAPC平面孔隙的孔徑分布，消除了孔徑10.0～15.0 mm的孔隙，使5.0～10.0 mm的孔隙減少、1.0～5.0 mm的孔隙增多；如試件G-0中孔徑5.0～10.0 mm的孔隙占33.74%，而試件G-100中孔徑5.0～10.0 mm的孔隙 僅17.45%、1.0～5.0 mm的孔隙則達73.34%.由此可知，摻入廢玻璃顆粒減少了RAPC內部平面孔隙面積，改善了其孔徑分布，使RAPC孔結構得到優化.

表2 截面孔隙分布特征Table 2 Pore distribution characteristics of section

圖9 平面孔隙貢獻分布Fig.9 Pore contribution rate of section

2.4 RAPC微觀結構分析

水化硅酸鈣（C-S-H）是水泥基材料強度的主要來源［17］.圖10為試件G-0和G-80水化產物的XRD圖譜.由圖10可知：水泥原料硅酸三鈣（C3S）和硅酸二鈣（C2S）的特征峰出現在31.25°、34.00°處，結晶態C-S-H凝膠的特征峰出現在29.60°處；摻入廢玻璃顆粒后，結晶態C-S-H凝膠的特征峰強度明顯上升，C2S和C3S的特征峰強度相對減弱，說明主要水化產物C-S-H凝膠的相對含量增加，而未水化水泥顆粒中C2S和C3S的相對含量減少.這是由于摻入廢玻璃顆粒后，初期因廢玻璃顆粒吸水率較低，使混凝土中自由水比基準組要多，水化反應程度得到加強，且后期在堿性環境下（初期水化反應產生大量Ca（OH）2），廢玻璃顆粒的火山灰作用逐漸顯現，內部大量的SiO2與Ca（OH）2發生反應，生成C-S-H，提高了漿體的密實度，改善了RAPC的微觀形貌［18］.

圖10 試件G-0和G-80水化產物的XRD圖譜Fig.10 XRD patterns of hydration products of specimen G-0 and G-80

圖11為 試 件G-0和G-80的SEM-EDS分 析.由圖11可見，試件G-80中C-S-H凝膠為細茸狀且交叉形成較為緊密的結構，部分孔隙被水化產物填充，中大孔占比減少，說明廢玻璃顆粒的摻加使RAPC內部結構更加致密.與天然河砂制備的基準組透水混凝土相比，廢玻璃顆粒的活性在堿性環境中被激發并發生二次反應（廢玻璃顆粒火山灰活性可持續0～90 d），生成大量的C-S-H凝膠填充孔隙［19-21］，使混凝土內部結構更加密實，這與2.1中砂漿核磁共振試驗結果和2.3中平面孔結構分析結果一致.這一點也可以從圖11（c）的EDS能譜看出，RAPC水化產物元素組成主要是O、Ca、Si，試件G-0和G-80中測得的鈣硅摩爾比分別為2.89、2.09，說明試件G-80的水化產物結構更加穩定，從而其力學性能更優［22］.

圖11 試件G-0和G-80的SEM-EDS分析Fig.11 SEM-EDS analysis of specimen G-0 and G-80

3 結論

（1）采用廢玻璃顆粒替代天然河砂后，砂漿的工作性能得到明顯改善.隨廢玻璃顆粒替代率增加，再生骨料透水混凝土RAPC的強度增大、透水系數和孔隙率則降低.當廢玻璃顆粒替代率達到100%時，RAPC的抗壓強度、劈拉強度達到最大值，分別為24.19、3.16 MPa，此時其透水系數、孔隙率分別為0.63 mm/s、8.99%.

（2）摻入廢玻璃顆粒可以減小RAPC平面孔隙面積和平面孔隙率，同時改善其孔徑分布結構，使小孔徑孔隙占比提高.當廢玻璃顆粒替代率達到100%時，1.0～5.0 mm孔隙占比達73.34%，有助于提高RAPC的力學性能.

（3）廢玻璃顆粒能促進RAPC水泥水化反應，使C-S-H凝膠相對含量增加，C2S和C3S相對含量減少，且鈣硅摩爾比降低，孔結構得到優化（中、大孔占比下降），內部結構更加致密.