废玻璃颗粒对再生骨料透水混凝土的改性作用

陈守开， 刘 洋， 赵云鹏， 赵梦蝶，*， 李炳林

（1.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046； 2.河南水谷创新科技研究院有限公司，河南 郑州 450046； 3.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098）

改革开放40多年来，中国的城镇化发展迅速，预计2025年城镇化率将达到65.5%左右［1］.混凝土不透水路面布满街道，给人们带来便利的同时还会导致城市下垫面发生巨大变化，原本的绿地河湖等天然透水区域显著减少，水循环系统发生巨大变化，带来了城市内涝等诸多水问题［2］.为应对和解决城市水问题，中国提出了海绵城市建设理念，而透水混凝土等透水铺装设施是海绵城市防涝体系建设中的源头控制措施［3］.城市建设过程中产生了大量的建筑垃圾.据统计，中国、美国和印度作为世界前三大建筑垃圾产量国，其年均总产量已接近80亿t［4］.建筑垃圾的填埋处理不仅造成了经济的巨大损失，同时也对空气、土地以及地下水等资源造成了直接或间接的污染.2018年中国正式启动无废城市建设［5］，部分学者采用废弃混凝土经破碎、筛分、清洗后获得的再生骨料来替代天然骨料，制备再生骨料透水混凝土（RAPC），这不仅可以为海绵城市防涝体系中的源头控制措施贡献力量，而且可以为建筑垃圾的处理提供有效途径，同时再生骨料用量的增加将有助于减少CO2的排放［6］.

Chen等［7］利用建筑垃圾制备再生骨料透水混凝土，透水系数最高可达5 mm/s，远远高于规范要求，并且再生骨料透水混凝土还具有降噪、防滑等优点.然而强度上的不足限制了再生骨料透水混凝土的推广应用.姚明来等［8］制备的再生骨料无砂透水混凝土最低抗压强度不足5.00 MPa.陈守开等［9］通过改善再生骨料的掺配比，使RAPC的抗压强度达到9.06 MPa，但距离规范对C20透水水泥混凝土面层的力学性能要求还有一段距离.考虑到RAPC渗透性能过剩和强度性能不足的特点，Bonicelli等［10］将细骨料按粗骨料重量的7%～10%掺入透水混凝土，发现可以显著提高其力学性能.吴东等［11］研究了不同砂率下透水混凝土的工作性能，当砂率为3.4%时透水混凝土抗压强度提升了32.6%；王庆利等［12］探究了RAPC的最优砂率，发现在7%砂率下，RAPC强度得到明显提高，且透水性能依然满足规范要求.然而近年来，天然河砂资源日益紧缺，过度开采天然河砂对生态环境造成了危害，限制了其在工程中的广泛应用.由于玻璃和砂子一样主要由二氧化硅（SiO2）组成，且玻璃砂具有一定的火山灰活性，把废弃玻璃回收利用来代替天然河砂是大量处理废弃玻璃的潜在选择.然而目前还没有足够的研究表明，废玻璃颗粒会给RAPC领域带来显著的变化.为此，本文从多尺度研究［13］出发，借助图像分析软件、扫描电镜及核磁共振等测试技术，研究废玻璃颗粒对RAPC的作用机理，以期为再生骨料透水混凝土性能优化提供途径，也为固体废弃物资源化利用提供解决方案.

1 试验方案

1.1 原材料

水泥选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为348.70 m2/kg，28 d立方体抗压强度为49.60 MPa，初凝时间为176.00 min，终凝时间为244.00 min.粗骨料由废弃混凝土路面（强度等级C30）经过破碎、清洗、筛分获得，其表观密度为2 637.54 kg/m3，堆积密度 为1 246.59 kg/m3，含 泥 量1）文中涉及的含泥量、吸水率等除特别说明外均为质量分数.为0.22%，吸 水 率 为5.18%，含水率为1.54%，压碎指标为16.81%，粒径范围为4.75～19.00 mm；细骨料为天然河砂和废玻璃颗粒，粒径范围均为0～4.75 mm，表观密度分别为2 620.09、2 497.92 kg/m3，细度模数均为2.6，两者微观形貌见图1.

图1 天然河砂和废玻璃颗粒的微观形貌Fig.1 Micro morphology of natural river sand and waste glass particles

1.2 配合比设计

RAPC和砂浆的砂率设为7%［12］，其余配合比如表1所示.表1中，G-i表示RAPC试件，M-i表示砂浆试件，i为废玻璃颗粒替代率r×100，r取0%、20%、40%、60%、80%和100%，并设G-0、M-0为基准组.需要说明的是，由于再生粗骨料具有较高的吸水性［14］，因此综合考虑其吸水率与含水率，增加RAPC试件的附加用水量（砂浆试件不需要考虑）.

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

RAPC试件的制备流程参考文献［7］，将制备好的试件在标准养护室下养护28 d后再进行试验，砂浆试件的制作与养护参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》执行.

1.3 测试方法

参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，测试RAPC试件强度；参照CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》，测试试件连通孔隙率；采用笔者参照CJJ/T 135—2009《透水水泥混凝土路面技术规程》自制的透水装置［15］，测试试件透水系数；参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，测试试件砂浆稠度和保水率.

采用纽迈科技公司的核磁共振（NMR）分析系统和CPMG脉冲序列，对试件进行NMR分析；采用德国D8型X射线衍射仪（XRD）进行相分析；采用美国FEI公司的QUANTA-650扫描电镜和能谱分析仪（SEM-EDS），进行微观分析；通过Matlab软件对RAPC试件的截面图像进行二值化处理，利用Image-Pro Plus软件对图像进行统计分析，图像处理过程见图2.

图2 图像处理过程Fig.2 Process of image treatment

2 结果与分析

2.1 砂浆工作性能

图3给出了砂浆的稠度和保水率.由图3可见：受废玻璃颗粒替代率的影响，砂浆稠度和保水率的离散系数分别为10.52%、0.49%；掺加废玻璃颗粒后，砂浆稠度显著提高，基准组砂浆M-0的稠度为45.7 mm，而当废玻璃颗粒替代率为20%、40%、60%、80%、100%时，砂浆稠度分别提高了5.08%、10.07%、19.80%、24.29%、32.17%.这是由于废玻璃颗粒表面比天然河砂表面更平整光滑（见图1），从而减少了浆体间的摩擦力；与天然河砂相比，废玻璃颗粒吸水率较低（仅0.18%），随着废玻璃颗粒替代率的增大，浆体中自由水增多.由图3还可见，随废玻璃颗粒替代率增大，砂浆的保水率略有降低，但影响不大.

图3 砂浆的稠度和保水率Fig.3 Consistency and water retention rate of mortar

砂浆的核磁共振试验结果与孔隙率见图4.由图4（a）可知：砂浆中的孔径呈现“三峰”结构分布，第1峰孔径范围为0～0.1 μm（小孔），第2峰为0.1～10.0 μm（中孔），第3峰为10.0～100.0 μm（大孔）；随废玻璃颗粒替代率增大，砂浆孔隙率、小孔及5.0～10.0 μm孔的分布逐渐增大，第2峰和第3峰的边界逐渐弱化，且中、大孔的级配更加连续，即掺入废玻璃颗粒优化了砂浆的内部结构.

图4 砂浆的核磁共振试验结果和孔隙率Fig.4 NMR test results and porosity of mortar

2.2 RAPC力学性能与透水性能

图5给出了RAPC力学性能试验结果.由图5可知：基准组试件G-0的抗压强度和劈拉强度分别为14.53、2.52 MPa，高于砂率为0%的试件［12］；与基准组相比，以废玻璃颗粒替代天然河砂可提高RAPC的力学性能，且随废玻璃颗粒替代率增加，RAPC强度增大，当废玻璃颗粒替代率为20%～100%时，RAPC抗压强度依次提高了5.57%、31.18%、41.50%、51.96%、66.48%，当r=100%时其抗压强度和劈拉强度最大，分别为24.19、3.16 MPa；受废玻璃颗粒替代率的影响，RAPC抗压强度和劈拉强度的离散系数分别为19.63%、8.16%.

图5 RAPC力学性能试验结果Fig.5 Mechanical property test results of RAPC

不同废玻璃颗粒替代率下，RAPC的相对应力-应变曲线见图6，其中σ、frc分别为应力和峰值应力，分别为应变和峰值应变为相对应力为相对应变.由图6可知：试件G-0～G-80的弹性阶段和屈服阶段特性相似，达到破坏荷载后，曲线的趋势呈现交错变化，存在较大差异，其主要原因是再生粗骨料存在原始缺陷，导致混凝土出现裂缝快速发展的不稳定状态；试件G-100的弹性阶段较长且屈服阶段不明显，在弹性阶段末期应力突增至峰值，这是因为当细骨料全部为废玻璃颗粒时，RAPC韧性大大降低，表现出硬而强的特点，这与李爱飞等［16］的观点相似，即玻璃骨料会使混凝土脆性增加.

图6 RAPC的相对应力-应变曲线Fig.6 Relative stress-strain curves of RAPC

图7为RAPC透水系数与孔隙率随废玻璃颗粒替代率的变化.由图7可见：基准组试件G-0的透水系数和孔隙率分别为1.47 mm/s、12.86%；以废玻璃颗粒替代天然河砂后，随废玻璃颗粒替代率增加，透水系数呈指数型降低，当废玻璃颗粒替代率为20%～100%时，透水系数较试件G-0依次下降了23.81%、42.86%、50.34%、55.78%和57.14%，当r=100%时，透水系数和孔隙率最低值分别为0.63 mm/s、8.99%；随废玻璃颗粒替代率增加，孔隙率线性减小；透水系数和孔隙率的拟合相关系数分别为0.994、0.941；RAPC透水系数与孔隙率之间表现出正相关性.

图7 RAPC透水系数与孔隙率随废弃玻璃颗粒替代率的变化Fig.7 Variation of RAPC water permeability and porosity with replacement rate of waste glass particles

图8给出了细骨料表观密度与砂浆密度的关系.由图8可知，随着废玻璃颗粒替代率的增加，细骨料表观密度与砂浆密度均逐渐降低，且两者之间近似呈线性变化的趋势，与RAPC的强度变化趋势（见图5）正好相反.

图8 细骨料表观密度与砂浆密度的关系Fig.8 Relationship between apparent density of fine aggregate and mortar density

2.3 RAPC平面孔结构分析

基于Image图像法，提取得到截面孔隙分布特征见表2，平面孔隙贡献分布见图9.由表2可知：RAPC内部孔隙结构（包括平面孔隙率、孔隙个数、等效孔径等指标）随废玻璃颗粒替代率增加而变化；随着废玻璃颗粒替代率的增加，RAPC内部平面孔隙面积和 平 面 孔 隙 率 逐 渐 减 小，分 别 从2 596.848 mm2、18.03%（试件G-0）降至1 974.414 mm2、13.71%（试件G-100），这与孔隙率和透水系数变化规律一致.由图9可见：废玻璃颗粒改变了RAPC平面孔隙的孔径分布，消除了孔径10.0～15.0 mm的孔隙，使5.0～10.0 mm的孔隙减少、1.0～5.0 mm的孔隙增多；如试件G-0中孔径5.0～10.0 mm的孔隙占33.74%，而试件G-100中孔径5.0～10.0 mm的孔隙 仅17.45%、1.0～5.0 mm的孔隙则达73.34%.由此可知，掺入废玻璃颗粒减少了RAPC内部平面孔隙面积，改善了其孔径分布，使RAPC孔结构得到优化.

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

图9 平面孔隙贡献分布Fig.9 Pore contribution rate of section

2.4 RAPC微观结构分析

水化硅酸钙（C-S-H）是水泥基材料强度的主要来源［17］.图10为试件G-0和G-80水化产物的XRD图谱.由图10可知：水泥原料硅酸三钙（C3S）和硅酸二钙（C2S）的特征峰出现在31.25°、34.00°处，结晶态C-S-H凝胶的特征峰出现在29.60°处；掺入废玻璃颗粒后，结晶态C-S-H凝胶的特征峰强度明显上升，C2S和C3S的特征峰强度相对减弱，说明主要水化产物C-S-H凝胶的相对含量增加，而未水化水泥颗粒中C2S和C3S的相对含量减少.这是由于掺入废玻璃颗粒后，初期因废玻璃颗粒吸水率较低，使混凝土中自由水比基准组要多，水化反应程度得到加强，且后期在碱性环境下（初期水化反应产生大量Ca（OH）2），废玻璃颗粒的火山灰作用逐渐显现，内部大量的SiO2与Ca（OH）2发生反应，生成C-S-H，提高了浆体的密实度，改善了RAPC的微观形貌［18］.

图10 试件G-0和G-80水化产物的XRD图谱Fig.10 XRD patterns of hydration products of specimen G-0 and G-80

图11为 试 件G-0和G-80的SEM-EDS分 析.由图11可见，试件G-80中C-S-H凝胶为细茸状且交叉形成较为紧密的结构，部分孔隙被水化产物填充，中大孔占比减少，说明废玻璃颗粒的掺加使RAPC内部结构更加致密.与天然河砂制备的基准组透水混凝土相比，废玻璃颗粒的活性在碱性环境中被激发并发生二次反应（废玻璃颗粒火山灰活性可持续0～90 d），生成大量的C-S-H凝胶填充孔隙［19-21］，使混凝土内部结构更加密实，这与2.1中砂浆核磁共振试验结果和2.3中平面孔结构分析结果一致.这一点也可以从图11（c）的EDS能谱看出，RAPC水化产物元素组成主要是O、Ca、Si，试件G-0和G-80中测得的钙硅摩尔比分别为2.89、2.09，说明试件G-80的水化产物结构更加稳定，从而其力学性能更优［22］.

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

3 结论

（1）采用废玻璃颗粒替代天然河砂后，砂浆的工作性能得到明显改善.随废玻璃颗粒替代率增加，再生骨料透水混凝土RAPC的强度增大、透水系数和孔隙率则降低.当废玻璃颗粒替代率达到100%时，RAPC的抗压强度、劈拉强度达到最大值，分别为24.19、3.16 MPa，此时其透水系数、孔隙率分别为0.63 mm/s、8.99%.

（2）掺入废玻璃颗粒可以减小RAPC平面孔隙面积和平面孔隙率，同时改善其孔径分布结构，使小孔径孔隙占比提高.当废玻璃颗粒替代率达到100%时，1.0～5.0 mm孔隙占比达73.34%，有助于提高RAPC的力学性能.

（3）废玻璃颗粒能促进RAPC水泥水化反应，使C-S-H凝胶相对含量增加，C2S和C3S相对含量减少，且钙硅摩尔比降低，孔结构得到优化（中、大孔占比下降），内部结构更加致密.