废玻璃粉在膨润土系水泥土中的力学性能研究

李晓林，李晓明

（1.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽 合肥 230009；2.安徽省建筑工程质量监督检测站有限公司，安徽 合肥 230009；3.枣庄学院 城市与建筑工程学院，山东 枣庄 277160）

伴随着我国城镇化进程的不断加快，城市在日常运行中会产生大量的生活和工业固体垃圾，而垃圾填埋场是处理这些渣滓废料的主要工程设施。在处理的过程中，由于存在各种物理、化学以及生物作用，导致垃圾中会产生大量的具有高浓度污染性的垃圾渗滤液［1-3］。而膨润土系水泥土地下防渗墙作为垃圾渗滤液重要的地下防渗措施，常被应用于垃圾填埋场的防渗工程中［4-6］。所以，针对地下防渗墙材料的研究越发显得重要，防渗墙的使用材料主要有水泥土、素混凝土、加筋混凝土等，其中水泥土防渗墙造价低廉，施工周期短，尤其是相比其他材料，具有能够适应地基大变形能力的特点，在现代垃圾填埋场地下防渗工程中的应用得到了极大的推广。膨润土系水泥土更具有良好的抗渗性能，在土质防渗墙工程中的使用非常广泛，不过其力学性能对比混凝土材料存在不足，为了克服这一问题，科学合理的选用外掺料是一种常用的解决手段和方法。

膨润土作为我国重要的工业资源，其开发应用还处于初级阶段，造成了一定的不必要的资源浪费。如何提高膨润土的使用效率和发掘其高端应用成了各学科领域关注的重点［7-8］。Rafalski为确定设计防渗墙膨润土-水泥浆组成程序而进行的调查结果，估算了膨润土-水泥浆体试件的抗压强度RS 与CS/BS 比值的关系［9］。其膨润土-水泥浆液组成的设计程序包括确定水泥与膨润土浆液的比例，评价膨润土浆液中膨润土的含量和水泥浆液中水泥的含量，以及评价改性剂的含量。Grant 对市面上销售的水泥级膨润土质量进行了两年的研究，通过实验室设计的水泥浆与现场混合样品的对比，表明由于糟糕的混合程序和劣质膨润土，水泥浆性能发生了巨大的变化，这可能会导致灾难性的后果［10］。微观检查、化学质量程序和水泥浆性能数据的证据表明，在现场库存测试的150 多个样品中，失败率接近50%。给出了通过和不通过当前API规范测试的膨润土水泥浆性能的实验室数据。Jean-Hugues 为了确定低渗透防渗墙的合适水泥-膨润土混合物的物理性能，对固化90 天的试样进行了围压为100 kPa的三轴实验［11］。废玻璃粉作为生活废料的其中一部分，与其他建筑材料相比玻璃粉重度较小、硬度较高、粒径分布较均匀，在家具装饰方面应用较广［12-13］，但在建筑方面如何积极合理再利用这些废料是一个值得探究的问题，尤其是在水泥-土系列的防渗墙领域对掺加玻璃粉的性能研究少之又少。

为了更全面地评价废玻璃粉对膨润土系水泥土力学性能的改良效果，文本采用了钙基、钠基、有机三种膨润土，基本涵盖了工程中常用膨润土的主要类型。对不同膨润土系水泥土样本掺加等比例的废玻璃粉，之后进行单轴抗压试验。通过对试验结果进行正交对比分析，揭示废玻璃粉掺量对不同膨润土系水泥土力学性能的改良效果，并结合膨润系水泥土内部微观结构的物理反应机制，对相关现象给出了合理的解释。

1 试验设计

1.1 实验材料

水泥：实验中用到的水泥为普通的PC32.5 硅酸盐水泥。

黏土：产地为枣庄市山亭区。处理程序包括：晾晒、烘干、筛选。

膨润土：作为研究中重要的实验材料，本实验中所选用的膨润土采购于潍坊市，按组成成分划分为三类：钙基、钠基以及有机系膨润土三种，具体的技术指标见表1。

表1 膨润土技术指标

废玻璃粉：为了避免废玻璃粉中杂质对试验结果的影响，故选用河南省中顺公司制造的高白玻璃粉，其纯度高达99%，最大限度保证试验结果的精确性。主要的技术指标见表2。

表2 玻璃粉技术指标

1.2 实验方案

在实际的实验过程中，对试验结果的影响因素是多方面的，控制变量法是常用的设计方法。根据以往文献，将黏土进行等质量的替换是常用的外加料掺加方式，综合考虑，将废玻璃粉的掺量比例确定为为0%、5%、10%、15%、20%、25%，其中0%为对照组，总共为六个对比层次。以表3中A2组为例，由于每个样本试件中的黏土和玻璃粉的掺加总质量是固定的，设为m，黏土的质量为m1，玻璃粉的质量为m2，则废玻璃粉的掺加比列a为：

表3 试件编号情况一览表

将表3 中A2 样本试件中的黏土质量和玻璃粉的质量分别代入公式（1），则有：

其他样本试件中废玻璃粉的掺加质量按照上述方法依次得出，具体掺加量如表3所示。

对钠基膨润土系水泥土组样本进行连续时间的单轴抗压强度测试，时间轴定为3 天、7 天、11天、15 天。对钙基、有机组膨润土系水泥土组样本的测试时间定为15 天。钠基、钙基、有机膨润系水泥土样本组分别记为A、B、C 组，A 组总数72件，B、C 组总数分别为18 件，三组共计108 件，具体编号如表3所示。

实验数据由全自动恒应力水泥抗折抗压试验机自动采集。为了充分保证试验结果的准确性，每一次的数据采集都是采用三个样本为一组，数据处理严格按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》［14］进行，取三个抗压强度测定值的算术平均值作为抗压强度试验结果，精确至0.1MPa，如三个测定强度值存在超过平均值±10%的值时，去掉此值后再平均。

2 试验结果与分析

2.1 玻璃粉掺量对膨润土系水泥土力学性能的影响

对试验结果进行整理，钠基膨润土系水泥土的单轴抗压强度值见表4。依据测试结果，进一步得到了废玻璃粉掺量对其峰值抗压强度的影响关系，如图1 所示，同时为了方便观察试验测试值偏移均值的情况，图1中给出了误差线。图2则进一步揭示了龄期对其峰值抗压强度的影响。

图1 废玻璃粉掺量变化对钠基膨润土系水泥土抗压强度的影响

图2 不同玻璃粉掺量时钠基膨润土系玻璃粉水泥土抗压强度随龄期变化对比曲线

表4 钠基膨润土系水泥土的单轴抗压强度值

考虑到文章主要研究废玻璃粉对膨润土系水泥土力学性能的影响，故为了进一步揭示玻璃粉掺量对其抗压强度的影响，选择对表4中的3天抗压强度进行单因素方差统计差异性分析，设因素A 为不同废玻璃粉掺量下的试验样本，ST为总的离差平方和，SE为误差平方和，SA为因素A 的平方和。记μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6依次表示玻璃粉掺量为0%、5%、10%、15%、20%、25%时所对应的6组水泥土抗压强度的均值，相关数据如表5所示。

表5 钠基膨润土系水泥土的3天单轴抗压强度值

表6 方差分析表

现检验假设：H0：μ1=μ2=μ3=μ4=μ5=μ6，H1：μ1，μ2，μ3，μ4，μ5，μ6不全相等。将来自6 组实验中的测试数据计为xij（i=3，j=6），因为n1=n2=n3=n4=n5=n6=3，则。另，每一组的数据加和分别为：T.1=6.9，T.2=7.2，T.3=6.9，T.4=5.7，T.5=6.9，T.6=7.2，T..=40.8，则有：

ST，SA，SE的自由度分别为17，2，15，从而得方差分析表如下：

因为F0.05（2，15）=3.68，而F比=16.81＞3.68，故在显著水平0.05 下拒绝H0。按此方法分别对表4中7天，11天，15天内的实验数据进行方差差异性分析，其F比经过计算依次是32.35，49.38，124.42，均大于3.68。上述分析表明不同废玻璃粉掺量下膨润土系水泥土抗压强度的均值存在显著差异，而且F比值随着废玻璃粉掺量增加逐渐增大，此现象充分说明废玻璃粉的掺量变化对材料的抗压性能有明显的影响。

如图1 所示，可以看出，在同一个龄期内，随着玻璃粉掺量的增加，膨润土系水泥土的单轴抗压强度的增长变化与其是正相关关系，但是当玻璃粉的掺量比例趋近10%时，这种正相关开始反转，变成负相关。一直到掺量比例接近在15%时，这种不利影响才消失。超过15%后，废玻璃粉的掺量的增加再次对水泥土峰值抗压强度的增长起到促进作用。单就本实验而言，废玻璃粉的最大掺量为25%，而且在龄期为15 天时，其最大单轴抗压强度为4.1MPa。另外，当废玻璃粉的掺量为25%时，在全龄期范围内，其单轴抗压强度都要比零掺加废玻璃粉试件的水泥土强度要大，平均增长幅度为37%，故可以看出，废玻璃粉对膨润系水泥土强度增长的促进作用还是非常明显的。

如图2 所示，当废玻璃粉掺量比例维持在0%、5%以及25%时，膨润土系水泥土的单轴抗压强度与养护时间基本上呈正相关，龄期在11 天之内为线性增长，之后增长速率变小。但是当玻璃粉掺量为10%与15%时，其15天时的单轴抗压强度出现了减小的趋势，此种现象说明了废玻璃粉掺量对强度的影响是动态变化的，这与膨润土系水泥土复杂的内部微观结构的反应机制有关，这种反应机制包括除了传统岩石力学与土力学中的微观物理力学机制，还涵盖了化学反应机制，这些作用机制之间会互相耦合和影响，依据单一反应机制来解释上述宏观现象是非常困难的。通过分析研究发现，产生这种现象可能的原因是：水泥在水化反应过程中，会产生一定量的熟石灰，从而赋予工程材料整体处于一个偏碱性的环境。水泥土中的碱性阴离子随着浓度的增加，最终与废玻璃粉中的活性二氧化硅（SiO2）及膨润土中的蒙脱石发生反应，产生的水分亦进一步促进水泥的水化反应。当膨润土系水泥土中的废玻璃粉掺量为10%与15%时，会加剧上述反应，即水泥中的熟石灰被过度快速的反应，从而影响了水泥本身硬化物质的形成，降低了水泥土的强度。当废玻璃粉的掺量比继续增大时，废玻璃粉对土中微观孔隙的填充作用也会继续加强，继而提高其强度。也就是说，水泥，膨润土，废玻璃粉三者之间掺比的变化会影响土体内部微观反应机制的动态关联关系，具体的影响机制有待进一步探明。

2.2 不同种类膨润土系玻璃粉水泥土抗压性能对比分析

钠基、钙基、有机测试试件的15 天周期单轴抗压强度测试值数据如表7所示。

表7 同一龄期不同种类膨润土单轴抗压强度试验结果一览表

依照上述方法，对表7 中钙基和有机膨润土系水泥土15 天的单轴抗压强度试验数据进行单因素方差统计差异分析，经过计算，F比（钙基）=17.56，F比（有机）=231.54，而F比（钠基）=124.42，三者均大于F0.05（2，15）=3.68，说明在同一周期内，对三种膨润土系水泥土而言，不同废玻璃粉掺量下其抗压强度的均值存在显著差异，再次验证了废玻璃粉掺量和膨润土系水泥土力学性能之间存在明显的响应关系。

从图3 可知，当玻璃粉掺量相同时，三组膨润土系水泥土的强度各不相同，总体上看钠基系水泥土峰值抗压强度高于其他两组，尤其是当废玻璃粉掺比超过15%时，这种趋势愈加明显。钠基系和钙基系水泥土强度随玻璃粉掺量变化趋势基本一致，都是先增大再变小，之后再增大。有机膨润系水泥土的峰值强度与废玻璃粉掺量呈负相关，主要原因可能是有机膨润土和其他两种膨润土相比，其吸水速度慢，交换离子主要是有机阳离子，而废玻璃粉粒径小，其掺量的增加必然会加大黏土内部与有机阳离子的接触面积，微小玻璃粉颗粒表面带有负电荷后，会产生对有机阳离子的吸附作用，导致有机阳离子不能与Ca2+充分交换，继而阻碍了蒙脱石各层间的塌缩，直接影响了水泥土密实度的增大速率。而其他两种膨润土，主要的交换离子是金属阳离子，与废玻璃粉颗粒间的吸附作用非常弱，可以忽略不计。综上，废玻璃粉作为外掺加料对有机膨润土系水泥土单轴抗压强度的提高是消极负面的，但这也为废玻璃粉在膨润土系水泥土中的实际应用提供了参考，避免了对外掺料的随意掺加使用。

图3 玻璃粉掺量对三种膨润土15d抗压强度的影响对比分析曲线

3 结语

本研究首次将废玻璃粉应用到膨润系水泥土工程中，利用正交试验全面揭示废玻璃粉掺量与膨润系水泥土力学性能之间的变化关系，为废玻璃粉在土质地下防渗墙中的工程应用提供了理论参考，实现了废玻璃粉的再循环利用，符合国家现行的工业环保政策导向，具有一定的工程经济价值。现阶段，主要的结论有：

（1）对钠基和钙基膨润土系水泥土而言，其单轴抗压强度余废玻璃粉掺量是正相关的，但是当玻璃粉的掺量比例趋近10%时，这种正相关开始反转，变成负相关。一直到掺量比例接近在15%时，这种不利影响才消失。超过15%后，废玻璃粉的掺量的增加再次对水泥土峰值抗压强度的增长起到促进作用。废玻璃粉对有机膨润土系水泥土的单轴抗压强度的提高并无促进作用。

（2）废玻璃粉对钠基膨润系水泥土抗压强度的提高作用比较明显，就本实验而言，最佳掺量在25%附近，对于土质地下防渗墙强度的提高具有实际的工程指导意义。

（3）本文实验中废玻璃粉的掺量比例最大仅限于25%，后期需要更多的实验来验证其适用性。另外，未来将针对废玻璃粉对膨润系水泥土的抗渗性和耐碱性腐蚀进行深入的研究。