浅谈废弃玻璃混凝土的强度与ASR膨胀危害及其抑制

王楷焘　周钰鑫　王海洲　施佳汇　靳丁帅男

摘要：废弃玻璃骨料混凝土的研究在近几十年是废弃玻璃回收利用的热点之一，但玻璃骨料混凝土潜在的ASR膨胀风险对其发展有着极大的制约。玻璃骨料的粒径、替代率与ASR抑制剂的添加都会影响碱骨料反应。目前许多研究表明：当玻璃骨料粒径小于1.18mm，替代率为25%左右时，ASR膨胀危害小，混凝土强度最高;而玻璃粉对于ASR膨胀的抑制则是：玻璃粉越细，对ASR的抑制效果越好，若考虑研磨成本，则75μm粒径的玻璃粉最佳，添加量为20%时对ASR的抑制效果最好。

1.引言

随着玻璃的运用范围愈加广泛，使用量越来越大，废弃玻璃的产出量也在逐年递增。国内外学者在对混凝土的骨料替换研究中发现玻璃的硬度与普通混凝土中的砂石相近，且在宏观力学角度上存在着替换砂石的可能性，这种替换也有利于废弃玻璃的二次利用与混凝土制造成本的降低。

现在的玻璃骨料混凝土ASR膨胀抑制程度仍未达到理想状态，并且玻璃骨料混凝土所潜在的其它危害尚未探明。国内外对玻璃骨料混凝土的研究依旧在不断进行。

2.玻璃骨料替代率对玻璃骨料混凝土ASR膨胀及其强度的影响

2.1与普通混凝土对比

混凝土的服役时间在受到多重因素的影响下，不仅要满足荷载下的强度要求，还要满足对耐久性的要求，这样才能保证混凝土在设计使用年限间保持完整的外观和正常的使用功能。玻璃骨料混凝土耐久性优于普通混凝土。从可持续发展角度看，玻璃骨料混凝土比普通混凝土更有价值。但是在玻璃骨料混凝土中存在严重的ASR膨胀危害，该危害随着玻璃骨料替代率的升高而增加，会对混凝土的外观和使用寿命产生非常剧烈的影响。

2.2玻璃骨料粒径及替代率对ASR膨胀与混凝土强度的影响

ASR，全称为碱—硅酸反应（Alkali-Silica Reaction，ASR）。其反应机理为混凝土中的碱与混凝土中的无定型SiO發生反应，形成ASR凝胶（例如Na₂SiO·HO）。ASR凝胶具有吸水膨胀的特性，在潮湿环境下会吸水膨胀产生应力，当应力达到极限强度时会使混凝土产生微裂纹从而造成混凝土失去其原有的设计作用。

赵祖芳等人分别对粗玻璃骨料和细玻璃骨料最优替代率进行研究，他们将替代率分成0%、15%、25%、35%、50%五组进行试验，最终结果显示，无论是粗骨料还是细骨料，替代率在25%时均可使玻璃骨料混凝土的强度达到最大，且其强度明显高于基准配比混凝土。但当替代率大于25%时，混凝土强度随替代率的升高而降低。这些实验也证明了，将玻璃骨料运用到混凝土中是真实可行的。

3.玻璃粉添加比例对ASR膨胀程度的抑制

3.1 ASR危害抑制方法及其原理

玻璃骨料粒径影响着碱性OH离子与玻璃骨料的反应程度;玻璃骨料粒径的大小与玻璃的裂缝数量及宽度成正比，玻璃骨料粒径越大，OH离子越容易进入玻璃骨料内部发生反应从而加剧ASR反应;粒径越小进入骨料的OH离子越少从而抑制ASR反应的生成。

李福海等人发现矿物掺合料会与混凝土中的Ca（OH）以及高Ca/Si比的C-S-H凝胶发生二次火山灰反应生成具有强固碱能力的低Ca/Si比的C-S-H凝胶，并有效降低混凝土中的K、Na离子浓度从而抑制ASR反应的发生。

3.2玻璃粉添加量对ASR膨胀的抑制效果

黄昌石在此基础上对不同粒径的玻璃粉对ASR危害的抑制效果进行了研究，有三组对照，分别为0～13μm、13～38μm、38～75μm，其研究结果显示玻璃粉粒径越小对ASR的抑制效果越明显，但考虑到研磨成本，最佳的使用粒径为75μm。

4.结语

世界每年生产的200亿吨废弃垃圾中，有7%为废弃玻璃，但我国的废弃玻璃回收利用率仅为25%～30%。如果能够解决潜在的ASR反应风险和强度影响等问题，实现废弃玻璃骨料混凝土的运用，可以大大提高废弃玻璃的回收利用率，有利于我国的可持续性发展战略，对节约资源、环境保护、新型混凝土材料的研发具有重要意义。

参考文献

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基金项目：南京工程学院大学生科技创新基金项目（TB202109015&TB202109017）、江苏省大学生实践创新训练计划重点项目（202111276021Z）