废玻璃粉取代部分胶凝材料的混凝土基本性能研究

2021-11-27严桂凤魏振巍吴健雄张亿龙潘梓松

皮革制作与环保科技 2021年5期

严桂凤，魏振巍，吴健雄，张亿龙，潘梓松

（南通理工学院，江苏南通 226000）

随着城市建设的规模化发展，废弃建材尤其是建筑玻璃也随之不断增加，由于玻璃的主要成分是二氧化硅，化学性质稳定，很难分解等，一般采取掩埋的方式，占用场地且污染环境。废弃玻璃可二次用作生产玻璃的原料，但其回收成本高于原材料采购成本，因此成为废弃材料。废弃玻璃能否作为再生资源进行回收利用成了越来越受关注的热点问题。资料表明，国内外学者对废弃玻璃的再利用开展了大量的实验研究，并取得了一定成果。可将玻璃磨成一定细度的玻璃粉掺入混凝土中，制作混凝土构件等。当研磨的玻璃粉粒径在100μm以内时，可以有效防止碱硅酸反应膨胀带来的危害，俗称ASR风险。亦发现玻璃粉具有一定的火山灰活性，废玻璃粉的强度活性指数在28 d前小于粉煤灰，28 d以后接近甚至大于粉煤灰，有作为辅助胶凝材料的应用潜力[1-2]。

如前所述，用粒径尺寸为25μm-37μm的废玻璃粉，等质量取代水泥胶砂和混凝土中的胶凝材料，可以避免ASR风险。由于地方材料的差异性，具体的工程应用，尤其是与现行规范的相关标准进行比较，需要实验研究来加以确定。论文研究采用南通地区常用水泥等材料，通过正交实验，研究不同水灰比、不同废玻璃粉掺量对水泥胶砂、混凝土和易性的影响及对水泥胶砂抗压、抗折强度和混凝土抗压强度的影响。

1 实验设计

1.1 原料

①水泥，牌号为P·O42.5，密度为3.08 g/cm3，比表面积380 m2/kg，矿粉含量12%，石灰石含量6%；

②玻璃粉：选用粒径区间为13μm-25μm的废玻璃粉，细度（80μm筛余量）小于10%；比表面积365 m2/kg。

③标准砂：中国国际标准化组织（ISO）标准砂，SiO2含量不低于98%的天然的圆形硅质砂，颗粒级配为Ⅱ区，细度模数为3.0；

④石子：粒径区间在5 mm-40 mm的连续粒级碎石；

⑤水：自来水。

1.2 实验方案

1.2.1 废玻璃粉水泥胶砂抗压、抗折强度实验方案

通过测定废玻璃粉替代水泥比例分别为0%、10%、20%、30%、40%时砂浆的稠度和分层度，判断废玻璃粉水泥胶砂的工作性；采用40 mm×40 mm×160 mm尺寸的模具制备水泥胶砂试块，测定废玻璃粉水泥胶砂在3 d，7 d，14 d和28 d时间节点的抗压强度和抗折强度。

1.2.2 废玻璃粉混凝土抗压强度实验方案

分别采用三种不同尺寸的混凝土立方体试块100 mm×100 mm×100 mm，150 mm×150 mm×150 mm，200 mm×200 mm×200 mm，多角度分析废玻璃粉混凝土和易性，浇筑试块，24 h后拆模，放入混凝土标准养护箱养护，测定3 d，7 d，14 d和28 d抗压强度，与基准组进行对照分析。

2 和易性分析

2.1 废玻璃粉水泥胶砂和易性分析

根据GB/T 17671-1999中“水泥胶砂强度检验方法（ISO法）”的检验方法，分别从稠度和分层度两个指标检测废玻璃粉水泥胶砂的和易性，根据计算配合比制备砂浆，胶凝材料由水泥和废玻璃粉构成，其中废玻璃粉掺量从0%-60%取整进行实验。

由此可知，随着废玻璃粉掺量的不断增加，废玻璃水泥砂浆稠度不断减小，当玻璃粉掺量达到60%时，水泥胶砂稠度为64 mm，完全符合烧结多孔砖、空心砖砌体和混凝土小型空心砌块等常用砌块砌体对砂浆稠度的要求。与此同时，随着废玻璃粉掺量的增加，分层度虽有增加趋势，但增值不大，其中10%掺量的分层度和0%掺量的对照组分层度完全一致，说明废玻璃粉水泥胶砂不易产生分层离析现象，符合保水性好的砂浆对分层度的要求。

2.2 废玻璃粉混凝土和易性分析

对不同废玻璃粉掺量（0%、20%、30%和40%）和不同水胶比（0.4、0.5和0.6）的新拌玻璃混凝土进行坍落度测试，判断不同废玻璃粉取代率下废玻璃混凝土的和易性。随着水胶比的增大，废玻璃粉混凝土的坍落度也逐渐增大，且废玻璃粉混凝土拌合物坍落度均高于普通混凝土拌合物，意味着，随着废玻璃粉掺和量的增大，废玻璃粉混凝土流动性随之增大，主要是由于玻璃粉的低吸水率和其表面较高的光滑度以及由于水泥被玻璃粉部分取代使水泥砂浆被稀释，导致水泥初凝水化产物减少，相应的颗粒之间的粘结度下降，从而流动性增大。但是，玻璃混凝土在搅拌过程中泌水现象较少，直至坍落度筒提起，基本未发生分层离析现象，且具有较好粘聚性，当坍落度筒提起后，轻轻敲打已坍落的废玻璃粉混凝土，未发生明显坍落现象，所制备的废玻璃混凝土和易性均满足现行有关规范的要求。这种流动性好、粘聚性和保水性稳定的废玻璃粉混凝土可适用于高层泵送混凝土。

3 强度分析

3.1 废玻璃粉水泥胶砂抗压、抗折强度分析

本次实验采用多层建筑物墙体最常选择的M7.5砌筑砂浆作为配置砂浆，测定其3 d、7 d、14 d和28 d抗压强度和抗折强度，评判水泥胶砂强度等级[3]。

3.1.1 废玻璃粉水泥胶砂抗压强度分析

随着废玻璃粉掺量的不断增大，废玻璃粉水泥胶砂强度虽有降低趋势，但在掺和量30%内，下降程度较小；废玻璃粉水泥砂浆早期强度较高，7 d抗压强度值将近是28 d抗压强度值的一半，其中掺和量为20%的7 d抗压强度值是28 d抗压强度值的52.54%。可以认为，废玻璃粉掺和量在30%以内均符合M7.5的水泥胶砂抗压强度要求。

3.1.2 废玻璃粉水泥胶砂抗折强度分析

随着废玻璃粉掺和量的不断增大，废玻璃粉水泥胶砂抗折强度呈现降低趋势；每个时间段的抗折强度都在40%掺和量节点处出现转折点，且基本符合掺和量40%之前小于掺和量40%之后的下降趋势；30%掺和量28 d抗折强度是抗压强度的0.398。可以认为，废玻璃粉掺和量在30%以内均符合M7.5的水泥胶砂抗折强度要求。

3.2 废玻璃粉混凝土抗压强度分析

在保证砂率不变的前提下，对废玻璃粉混凝土进行水胶比、模具尺寸和废玻璃粉掺和量三因素分析，形成L93（3）正交实验[4-5]。

以C30混凝土为研究对象，通过对养护3天、7天、14天和28天的各试块进行抗压强度实验，将所得的实验结果进行对比分析，实验数据表明：试块强度随玻璃粉替代量的增加而下降，但玻璃粉替代率在30%内时下降幅度较小；实验初期，废玻璃粉混凝土强度增长速度较快，同水平下基本大于普通混凝土抗压强度的20～30%；实验后期，废玻璃粉混凝土强度增长速度较慢，掺和量30%以内最终数值是普通混凝土抗压强度的85%～95%，在判断混凝土强度等级的容许范围内。