废弃玻璃在混凝土中的应用研究及探讨

袁雪莲，胡杰

（1.河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243000；2.马鞍山中鑫工程质量检测咨询有限公司，安徽 马鞍山 243000）



废弃玻璃在混凝土中的应用研究及探讨

袁雪莲1，胡杰2

（1.河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243000；2.马鞍山中鑫工程质量检测咨询有限公司，安徽 马鞍山 243000）

文章综述了国内外废弃玻璃用于混凝土的研究及应用现状，指出目前研究的匮乏以及限制其应用的碱骨料反应问题，提出了可能的预防措施及今后的研究方向，认为废弃玻璃作为混凝土细骨料及掺合料均是可行的，碱骨料反应的发生与玻璃粒径有密切关系，磨细的玻璃粉能一定程度地抑制碱骨料反应，并探讨了废玻璃用于碱胶凝材料的可行性。

废弃玻璃；碱骨料反应；膨胀；混凝土

1　概述

在城市垃圾中，废弃玻璃占有很大比例。中国城市固体废料中有6%～11%为废玻璃[1]，全球固体废渣中有7%为废玻璃[2]。将大量的废玻璃弃之不用，既占用宝贵的土地，又污染环境。

在玻璃制造业，废玻璃的再利用可以降低生产能耗、减少原料消耗，但要求再利用之前按颜色分选，同时要去除玻璃上的粘胶、标签及容器内的残留物等杂质，因此废玻璃常因杂质、混色和成本等方面的原因，不能顺利地用于生产新玻璃，其再利用能力有限。

我国基础设施建设规模空前，天然集料日益短缺。玻璃的主要化学成分为SiO2、CaO、Na2O、Al2O3，与天然砂性质相似，经破碎后具有天然砂的物理性能。混凝土对玻璃颜色没有苛刻要求，允许杂质含量有一定的波动，玻璃的前期处理成本相对较低。另外，混凝土是大综土木工程材料，再利用量大，将废玻璃用于工程材料中是大量处理废玻璃的最佳途径。因此在废旧玻璃排放量日益增加的形势下，研究将废弃玻璃替代天然集料来配制混凝土的思想，符合可持续发展的宏观经济战略。

2　废玻璃在混凝土中的研究概况

2.1废玻璃用作混凝土骨料的研究

废玻璃用作骨料时，若粒径大于3mm，操作很困难，必须使用厚手套，且拌和时容易发生断裂；当粒径低于2.5mm，外观上已经看不出来是玻璃，而是有棱有角的不规则形状。因此，从混凝土的易操作性和工作性考虑，废玻璃适宜用作细骨料。

上世纪60年代西方发达国家开始了用废弃玻璃作混凝土骨料的研究，但混凝土均出现了碱骨料反应膨胀破坏，而当时对碱骨料反应的机理和抑制措施的研究还处于起步阶段，这导致废玻璃用于混凝土的研究几乎陷入停滞[3]。到了90年代，西方发达国家开展了新一轮将废玻璃用于混凝土的研究热潮，并取得了许多可用于实践的研究成果。美国哥伦比亚大学系统的开展了将废玻璃骨料应用于预制混凝土制品的专题研究，并批量生产了相应的抛光预制玻璃混凝土墙面砖[4]～[5]。美国巴尔的摩最先使用玻璃沥青混凝土作为路面材料，其优良性能和耐久性令设计者本身都感到惊讶。

然而，目前国内外还没有形成一套关于玻璃作为细骨料能满足混凝土基本性能的具体标准，究其原因，依旧是碱骨料反应这一难题。因此，如何更有效地控制碱骨料反应成为玻璃混凝土发展的关键技术。

2.2玻璃用于混凝土中的碱骨料反应问题

由于玻璃中含有大量活性的二氧化硅和碱，将废玻璃用于混凝土中可能会引起碱骨料反应导致膨胀破坏。然而，近年来的研究表明，废玻璃掺入混凝土中会否产生ASR膨胀破坏受诸多因素的影响，目前研究最多的是玻璃粒径大小和掺量的影响。Jin Weihua[6]等人在研究中指出，白玻璃和棕玻璃骨料均存在最差粒径，分别为1.19mm～2.38和2.38mm～4.76mm，绿色玻璃不存在最差粒径。当玻璃粒径逐渐减少靠近最差粒径时，膨胀值逐渐增大，当为最差粒径时，膨胀值达到最大值，当玻璃粒径再减少时，膨胀值又会继续减少。因此，若玻璃粒径足够小，碱骨料反应的程度会减小甚至不发生。

推测其原因主要在于：通过破碎、研磨等方式使粒径小到一定程度会使玻璃产生一系列物理化学变化，如比表面积增大、无规则网络结构解体、化学键断裂等，从而玻璃自身含有的二氧化硅化学活性得到提高，在水泥水化产物Ca（OH）2的激发下，生成C-S-H凝胶，C-S-H凝胶不会吸水膨胀，可以提高强度和密实度，同时对碱有很强的吸收能力，使后续的碱骨料反应因缺少碱离子的参与而反应程度降低甚至无法进行。因此，在混凝土中使用粒径足够小的玻璃时，混凝土不会产生碱骨料破坏。这一发现为解决玻璃混凝土的碱骨料反应问题提供了一个很好的出路。

2.3废玻璃用作混凝土掺合料的研究

由于在混凝土中使用粒径足够小的玻璃时，混凝土不会产生碱骨料破坏，所以将磨细的玻璃粉用作混凝土掺合料是可行的。这方面的研究在国内开展较少，国外有不少学者对其进行过研究工作。

加拿大McGill大学的ShaoY[7]等人在研究中指出：把150～75μ m、75～38μ m、38μ m以下这3种粒径的玻璃微粉作为火山灰组分按30%掺量添加到混凝土中，结果显示：掺有38μ m以下玻璃微粉的试样抗压强度满足7d测试的最低要求，90d时已超过基准混凝土；150μ m的则远低于7d测试的最低要求，原因在于其粒径太大达不到火山灰材料的要求；75μ m的7d要求没有达标，但28d强度达到了测试要求。而与粉煤灰的对比中，掺有玻璃粉的试样早期强度和后期强度均比掺粉煤灰的高。Shi C[8]等人在2005年发表的研究成果也支持了这一说法，认为磨细到50μ m以下的玻璃粉添加到混凝土中会表现出一定的火山灰活性，其试样强度远超含有粉煤灰的，且强度发展趋势惊人。

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另外，上面曾提到过绿色玻璃没有最差粒径，而这一现象被认为与绿色玻璃中所含的使其呈现绿色的Cr2O3有关。研究发现，当把Cr2O3作为外加剂直接添加到混凝土中，会促进碱骨料反应的发生，导致膨胀的增加，而将Cr2O3作为化工原料加入玻璃中，却能起到抑制碱骨料反应的作用[9]。这一现象支持了Prezzi[10]等人的假设：由双电层排斥作用导致的膨胀压与离子化合价成反比，因此包含Cr3+的胶粒就表现出较小的膨胀性。可以预见，磨得很细的绿玻璃有可能成为一种廉价的碱集料反应抑制剂用于混凝土中，且抑制效果随其粒径的减小而增大。在我国废弃玻璃中绿色啤酒瓶占了相当大的比例，这一发现为绿色废弃玻璃的回收利用找到了一条新出路。

因此，为了扩大废玻璃的再利用率，我们可以尝试把玻璃用作细骨料与玻璃粉用作掺合料相结合应用于混凝土中，以微玻璃粉的火山灰效应来抑制玻璃的碱集料反应，即废弃玻璃可以以粗细相结合的形式用于混凝土中，但应该注意的是，作为细骨料的玻璃掺量不宜过大。

3　废玻璃用于碱激发胶凝材料中的探讨

碱激发胶凝材料是由具有火山灰活性或潜在水硬性的原料与碱性激发剂反应而成的一类绿色环保的新型胶凝材料。尽管碱胶凝材料与传统水泥相比具有快凝、高强和优良的耐热、耐冻、耐腐蚀性等性能，但其本身也存在许多问题，如收缩较大、易开裂、凝结时间不好控制等，且其耐久性以及抗变形能力较差。尽管这些问题可以通过一定的方式改善，但是难以达到两全其美的效果。

目前碱激发胶凝材料中潜在胶凝材料组分使用较为广泛的是粒化高炉矿渣及粉煤灰，与碱性激发剂组成碱矿渣水泥或碱矿渣粉煤灰水泥。然而碱矿渣水泥在相同环境条件下的干缩达到了普通硅酸盐水泥的1.2～1.9倍[11]，容易引起硬化体开裂，严重制约了其应用与推广。近年来，开始有学者把膨胀剂与碱矿渣水泥结合使用，但是膨胀剂的使用效果受到诸多因素的影响，质量难以得到保障，因此，一些早就开发出膨胀剂的国家，如日本、法国等都只在接缝处理、灌浆时才使用，而不允许用于结构混凝土中。

基于玻璃混凝土以及碱矿渣水泥的特性，可以尝试把废弃玻璃用于碱矿渣水泥基材料中。碱骨料的早期膨胀值不大，可以使混凝土结构更加致密，14d以后，反应继续进行，生成的ASR胶体进一步膨胀，且膨胀上升幅度逐渐增大，而碱矿渣水泥应用的主要问题是后期收缩较为严重，若把二者结合起来使用，以玻璃的碱骨料膨胀来减少或补偿碱矿渣水泥所引起的收缩，则有可能既减轻后期的碱骨料膨胀，又能解决碱矿渣水泥的收缩问题，使得后期强度得到保证。目前国内外关于这方面的研究极少，尚有待进行深入的研究。

4　结论与展望

废玻璃作为一种资源，将其用于建筑材料中是大量处理废玻璃的最佳途径。通过以上分析可以得出以下结论。

①废玻璃用作混凝土的细骨料以及矿物掺合料均是可行的。

②玻璃粒径大小对混凝土碱骨料反应的影响十分显著，如能将玻璃磨细至50μ m以下，碱骨料反应引起的破坏通常可以避免。

③可以尝试粗细结合的形式把玻璃用作细骨料与玻璃粉用作掺合料相结合用于混凝土中，以玻璃粉的火山灰效应来抑制玻璃的碱骨料反应。

④磨得很细的绿玻璃有可能成为一种廉价的碱骨料反应抑制剂，且抑制效果随其粒径的减小而增大。

⑤废弃玻璃用于碱激发胶凝材料具有一定的可行性，可以尝试以玻璃的碱骨料膨胀来减少或补偿一般碱胶凝材料所存在的收缩问题。

在当前倡导科学发展观、加快建设节约型社会和鼓励发展循环经济的背景下，我国应充分吸取发达国家的成功经验，加快研究步伐。今后在废玻璃混凝土的研究中，应对以下方面作进一步探讨：

①废玻璃混凝土其它性能的研究，特别是微观结构、应力－应变关系、耐久性等的研究；

②惟有较好地解决碱集料反应这一问题，玻璃混凝土才有可能更广泛应用，应努力寻找多元化的途径进一步解决该问题；

③确定适用于玻璃混凝土的新的评价方法和评价指标。

[1]刘连新.利用废玻璃研制轻粗骨料及轻混凝土[J].新型建筑材料，2002 （2）：16-17.

[2]Topc Ì B， Canbaz M.Properties of concrete containing waste glass[J].CementandConcreteResearch，2004，34（2）：267-274.

[3]Shi C，ZhengK.Areviewontheuseof wasteglassesintheproductionof cementandconcrete[J].Resources，ConservationandRecycling，2007，52（2）：234-247.

[4]MeyerC，BaxterS.UseofRecycledGlassforConcreteMasonry andBlocks Columbia University Final Report toNewYork State Energy Research and DevelopmentAuthority，Nov.1997.

[5]Meyer C.Development of Glass ConcreteProducts，ColumbiaUniversity Final ReporttoNewYork EmpireStateDevelopment，March.1999.

[6]JinW，MeyerC，BaxterS.“Glasscrete”-ConcretewithGlassAggregate. ACI MaterialsJournal，2000.

[7]ShaoY，Lefort T，Moras S，et al.Studies onconcrete containing ground wasteglasses.CementConcreteResearch，2000（1）：91-100.

[8]Shi C，WuY，RieflerC，et al.Characteristic andpozzolanic reactivity of glasspowers.CementConcreteResearch，2005（9）：87-93.

[9]Baxter S.Z.，Meyer C，andJinW.“Useof Waster Glass inConcrete”[P].U.S.PatentNo5，810，921，U.S.PatentOffice，Washington，D.C. Sep.22，1998.

[10]Prezzi M，MonteiroP.J.M，SpositoG.” TheAlkali-SilicaReaction，Part I： Use of Double-Layer Theoryto Explain Behavior of Reaction-ProductGels”.ACI MaterialsJournal，1997（1）：10-17.

[11]廖佳庆.碱矿渣水泥与混凝土化学减缩和干缩行为研究[D].重庆：重庆大学，2007.

TU528.59

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10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.089

袁雪莲（1987-），女，广东云浮人，毕业于河海大学，硕士；助教，主要从事土木工程方面的教学工作。