钢化玻璃骨料透光混凝土帆布研究综述*

牛孟锴

（长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710064）

随着我国城市化的快速发展，随之带来的还有大量的废弃玻璃，目前对其的主要处理方式是填埋，但这种方式会造成严重的环境污染。国内外许多学者对此做了许多研究，研究其宏观力学性能和微观结构的变化[1-4]。然而钢化玻璃处理成钢化颗粒时，颗粒为表面较光滑的钝角碎小颗粒，用其代替混凝土中的粗骨料可能会造成因钢化玻璃颗粒与水泥砂浆粘结性较差而导致混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度等力学性能降低。

聚乙烯（PE）纤维可以有效阻碍混凝土的裂缝产生和发展，混凝土中掺入纤维可以提高其劈裂抗拉强度、抗折强度、抗冲击性能，对混凝土抗冻性、抗渗性等也有不同程度的改善。为了解决钢化玻璃骨料混凝土的缺陷，文章提出在钢化玻璃骨料混凝土中掺入聚乙烯纤维来改善力学性能。但经过前期的试验研究发现，聚乙烯纤维玻璃骨料混凝土中的水泥浆会将玻璃骨料完全包裹，从而不能达到透光的试验目的，为此急需一种材料作为钢化玻璃渣的基材来制备透光混凝土。

混凝土帆布（Concrete Canvas,以下简称CC）作为一种织物增强水泥基复合材料，最早由两位英国学生提出，其与普通混凝土相比，省去了搅拌和养护的过程，能够较快地用于工程中。因其具有方便储存、运输、施工方便、节省时间的优点，而被广泛应用于帐篷制备、外滩衬里、沟渠衬砌、边坡防护、混凝土修复等方面。

1 研究现状

1.1 CC国外研究现状

CC在国外研究较为成熟，已经开始应用于实际工程中。2010年2月3日英国南威尔士教堂村公路，经过环境署批准，公路旁的排水沟采用CC衬里。其优势是施工速度快、成本低、经久耐用、与环境相容。2010年8月19日南非海德堡南非高登到卡祖鲁纳塔尔的燃油管道，由于管沟多石块，现场焊缝用混CC快速保护，防止下沟回填时损伤。CC性质柔软，适合弯头等形状特殊的部位防护。管道穿越湿地时，CC起到负浮力加重层作用，防止聚氯乙烯管道漂浮。

1.2 CC国内研究现状

刘放[5]和杨先碧[6]介绍了国外使用CC制作帐篷的过程及优势，指出CC作为固定性的结构可以在任何地方架设建造，两个人工作1h就可完工，凝结则需要1d的时间。曹鹏[7]研究了CC帐篷的组成、构造和性能，对帆布内水泥基材料的配合比进行了优化，并对CC的抗冲击性、耐磨性、防火性进行测定，利用有限元分析了帐篷的结构特性。

2 研究目的

目前混凝土已不再局限于满足单纯的建筑材料的基本功能需要，而对其环保节能、艺术美学提出了更高层次的要求。本研究拟采用废旧钢化玻璃珠填充入混凝土帆布，制成透光混凝土帆布，赋予混凝土帆布透光的新定义，并能实现建筑材料的可持续发展。

3 制备工艺

3.1 3D网布

选用SF0520型3D网布，网布规格尺寸如图1所示。

图1 3D网布规格尺寸

3.2 水泥

硫铝酸盐水泥具有快硬性质，标准养护1d的强度可达3d强度的70%～85%[8]。故试验选用425硫铝酸盐水泥，水泥的性能指标如表1所示。

4 试件制作

将大卷3D网布裁成500mm×650mm的矩形，3D网布厚度为15mm。将钢化玻璃敲碎成粒径为5～10mm的玻璃珠。根据网布大小打印相应的字体，将字体剪下并在网布上描出其轮廓，剪去字体上层面布及内部纤维丝，剪完后如图2所示。接着灌入水泥粉，将快硬水泥粉拍入3D网布中，并用混凝土振动器捣实，以待使用。在灌好水泥粉的帆布上洒水，直到帆布背面浸湿，且没有多余的水分流出为止，使3D网布中的水泥粉充分水化，然后放入自然环境中养护。待混凝土帆布硬化后放入钢化玻璃珠，平整后用502胶水封装，如图3所示。

表1 水泥性能指标

图2 字体刻绘后的3D网布

图3 玻璃珠封装后的混凝土帆布

5 试验研究

5.1 透光实验

固定光源与试件的距离一定，对每个字体进行了透光测试。经过施加光源，每个字体正面和其他角度的透光性均良好，透光效果如图4所示，进一步说明透光混凝土帆布可以降低在透过可见光方面对光能需求带来的能源损耗。

图4 透光混凝土帆布效果图

5.2 力学性能及耐久性

通过试验结果可以看出，CC在1d龄期时的抗压强度较高，能够达到3d龄期的60%以上；3d龄期时抗压强度有大幅度增长，基本达到28d龄期的80%左右；到达28d龄期，抗压强度增长变缓。

抗折强度试验参照《建筑砂浆试验》（JCJ/T 70—2009）中有关抗折强度试验方法进行试验，抗折强度计算公式如下：

式中：fb为CC抗折强度，MPa；P为破坏荷载，N；L为两个支点的间距，mm；b为棱柱体截面的宽度，mm；h为棱柱体截面的高度，mm。

从破坏现象可以看出纤维的存在使得试块虽出现较大的裂缝，部分纤维外露，但并未出现断裂，这说明纤维在CC试块中起到了很好的搭接作用。从试验结果可以看出，3d抗折强度能达到28d抗折强度的95%以上，7d和28d抗折强度变化不大。

由于CC之间的纤维是竖向分布的，与抗折强度试验的方向一致，在试验过程中，纤维受到压力，出现弯曲变形，会破坏纤维—浆体界面。同时，CC厚度仅为20mm，只有标准水泥净浆试块厚度（100mm）的1/5，这些因素都会造成CC试块的抗折强度偏低。

快速硫化试验中的SO2类似于CO2，其研究具有相通之处[9]。参照文献[10]，该试验硫化浓度确定为1‰。有关研究表明，试验温度控制在20～30℃是比较理想的情况，同时有文献指出，腐蚀环境的湿度对混凝土硫化的影响近似服从正态分布，当湿度达到80%时，硫化最快，最有利于SO2对混凝土的腐蚀[11]。故该试验选取温度为（25±1）℃，湿度为（80±1）%的条件进行硫化试验。

CC在各龄期时的平均硫化深度计算按如下公式计算，计算精度精确至0.01mm。

式中：dt为CC硫化td后的平均硫化深度，mm；di为各测点的硫化深度，mm；n为测点总数。计算结果如表2所示。

表2 硫化深度试验结果

5.3 微观性能

此部分采用扫描电镜（SEM）重点观察水泥在各龄期水化产物变化情况和纤维-浆体界面过渡区的形貌和微观结构特征，在微观层面上阐述水泥及3D网布中竖向纤维对混凝土帆布的性能影响。CC在3d、7d、28d龄期时的形貌特征如图5所示。

由图5可知，CC在3d龄期时，通过SEM电镜扫描可以发现试样中微小的裂纹比较多，这是因为硫铝酸盐水泥在水化反应前期，生成产物以钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）为主，钙矾石具有一定的膨胀性，造成水泥浆体出现裂纹。CC在到达7d龄期，钙矾石大量生成，同时，由于铝胶（Al2O3·3H2O）和水化硅酸钙凝胶（C-S-H凝胶）的生成，在水泥浆体中均匀分布，对不断发展着的水泥石结构起着极为重要的胶凝和塑性衬垫作用，能够不断填充由钙矾石膨胀产生的裂纹，从而保证了水泥石在不断发展的结构强度下具有较大的变形能力[12]。CC在28d龄期时，水化氧化铝凝胶和C-S-H凝胶为主要生成物，呈现颗粒状和皱箔状。CC在28d龄期时的纤维-浆体界面微观形貌如图6所示。

图5 CC在3d、7d、28d龄期时的形貌特征

由图6可以看出，CC养护到28d龄期后，纤维与浆体均能够很好地黏结在一起，使得水泥浆体与纤维能够构成稳固的空间结构，也使得混凝土帆布具有一定的韧性，提高了混凝土帆布的基本力学强度。

6 结束语

通过力学性能试验、硫化试验及微观分析后发现CC抗硫化侵蚀效果良好，CC反应后期浆体界面和纤维-浆体界面结合较为密实。目前研究人员对于该类基于钢化玻璃骨料透光混凝土帆布的制备工艺、力学性能及微观机理等进行了初步研究，并取得了一定进展。但对如何高效批量生产，如何进一步提高该混凝土的强度耐久性、玻璃用量以及玻璃强度对混凝土帆布的性能有何影响等问题还需要进一步探索。透光混凝土帆布作为一种对混凝土帆布的新型扩展，结合了混凝土帆布和玻璃的优点，不仅可以应用于装饰背景墙，还可以拓展应用于路面材料、商店门垫等。它不仅是对建筑材料的扩充，更是对可持续发展的最好诠释。

图6 CC在28d龄期时的纤维-浆体界面微观形貌