玻璃粉在復合膠凝材料中的應用研究*

劉數華，白 巖

(1.建筑安全與環境國家重點實驗室，北京100013;2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點試驗室，武漢430072;3.寧夏水務投資集團有限公司，銀川750001)

城市垃圾中混雜著使用過的玻璃容器、玻璃燈泡、玻璃板和陰極射線管等廢玻璃。我國城市固體廢料中有6% ～11%為廢棄玻璃[1]。玻璃的化學性質十分穩定，很難分解。用一般的填埋方法埋入土地后，即使千年之后也不會降解。國外的回收、再利用已形成完善體系，回收率高達70%以上，而我國在此方面基本上處于空白，回收率幾乎為零[2]。廢棄玻璃作為一種再生資源，它的回收、處理和再循環、再利用已變得越來越重要。將廢棄玻璃粉作為混凝土的摻合料使用，不僅為大量減少城市固體垃圾找到了一條有效途徑，而且還會對發展綠色環保型建筑起到重要的推動作用，具有很大的環境保護意義[3]。

作為一種新型的混凝土摻合料，玻璃粉在復合膠凝材料中的應用研究成果尚不多?；诖?，本文將研究玻璃粉對復合膠凝材料強度和微結構的影響，并將之與傳統摻合料——粉煤灰進行對比，分析玻璃粉在復合膠凝材料中的應用效果。

1 原材料與試驗

試驗所用的主要原材料有華新P·O42.5普通硅酸鹽水泥、磨細玻璃粉、Ⅰ級粉煤灰及標準砂。玻璃粉由廢棄啤酒瓶破碎、磨細加工而成，圖1為玻璃粉的顆粒形貌圖，可以看出，玻璃粉顆粒很細，多數都在10μm以內，用于復合膠凝材料中將具有很好的填充效應。

圖1 玻璃粉的顆粒粒徑分布

為了研究廢棄玻璃粉在復合膠凝材料中的應用效果，設計表1膠砂配合比:水膠比均為0.5，膠砂比均為1:3;其中，GP為玻璃粉系列，玻璃粉的摻量從0、10%、20%、30%依次增加;FA為粉煤灰系列，粉煤灰摻量與GP系列相同。按照表1配合比制備膠砂試件，試件尺寸為40mm×40mm×160mm。試件制備后進行標準養護，至3d、28d和60d時測試試件的抗折強度和抗壓強度。

表1 膠砂試件的配合比

2 試驗結果分析

2.1 強度

圖2和圖3是摻加玻璃粉后膠砂試件的抗壓強度和抗折強度測試結果。從圖2抗壓強度的試驗結果來看，膠砂試件的抗壓強度隨齡期的延長而增大;隨著玻璃粉摻量的增加，膠砂試件的抗壓強度出現先增大后減小的規律，當玻璃粉摻量為10%時，膠砂試件的抗壓強度最高，3個齡期的測試結果均表現出此規律。圖3的抗折強度試驗結果與抗壓強度相似，當玻璃粉摻量為10%時，抗折強度達到最高值。

從強度試驗結果來看，玻璃粉可以部分替代水泥用于混凝土和砂漿中。這可能與玻璃粉的物理性質和化學成分有關:試驗所用的玻璃粉較細，用于復合膠凝體系中可填充粉體顆粒之間的空隙，提高硬化漿體的密實度;此外，玻璃粉含有大量活性二氧化硅，通過火山灰反應可提高漿體強度。

圖2 玻璃粉摻量對膠砂試件抗壓強度的影響

圖3 玻璃粉摻量對膠砂試件抗折強度的影響

圖4 和圖5分別為摻加粉煤灰后膠砂試件的抗壓強度和抗折強度測試結果。從2圖來看，在早期(3d)，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗壓強度和抗折強度均降低;隨著反應齡期的延長，粉煤灰的火山灰反應逐漸發生作用，特別是60d齡期，粉煤灰摻量在20%以內時，試件的抗壓強度和抗折強度均有增大趨勢。而對比玻璃粉和粉煤灰對膠砂試件強度的影響可發現，與粉煤灰摻量相同時，摻加玻璃粉膠砂試件的抗壓強度和抗折強度均略有提高。由此可見，相對于Ⅰ級粉煤灰，玻璃粉更有益于提高復合膠凝材料的強度，是一種更好的礦物摻合料。

圖4 粉煤灰摻量對膠砂試件抗壓強度的影響

圖5 粉煤灰摻量對膠砂試件抗折強度的影響

2.2 機理分析

玻璃是以石英砂、純堿、長石、石灰石等為主要原料，經1550～1600℃高溫熔融、成型、冷卻、固化后得到的透明非晶態無機物。玻璃的化學成分主要是SiO2、Na2O、CaO、Al2O3及少量 KO 等。試驗所用的玻璃為鈉鈣玻璃，也是最常見的一種玻璃，其主要化學成分為66% ～75%SiO2、12% ～17%Na2O 和5% ～12%CaO，含有大量的無定形二氧化硅，具有火山灰活性。而且，當玻璃粉磨得很細時，還能發揮填充作用，改善漿體的孔結構，提高其性能。

圖6為摻加30%玻璃粉的60d齡期膠砂試樣的SEM照片，從圖6可看出:玻璃粉主要由薄片狀和棱角狀顆粒組成，大顆粒的玻璃粉表面仍較光滑，未發生水化;而小顆粒玻璃粉表面已被侵蝕，表明已發生火山灰反應;而且，這些細小玻璃粉顆粒填充到漿體孔隙中了，改善了漿體的孔結構。在玻璃粉的火山灰作用和填充作用的聯合作用下，致使漿體的微結構發生改變，不僅生成C－S－H凝膠，而且改善了漿體的孔結構，因而有利于漿體性能的提高。與玻璃粉相對應，圖7為摻加30%粉煤灰的60d齡期膠砂試件的SEM照片。粉煤灰含有活性SiO2和Al2O3，這些玻璃體在一定堿性條件下可發生水化反應，而且這種反應通常在后期發生。在SEM照片中可以清楚看到，球形粉煤灰顆粒在后期發生火山灰反應，因而30d齡期膠砂試件的強度也得以鞏固。

圖6 摻玻璃粉膠砂試件的SEM照片(60d)

圖7 摻粉煤灰膠砂試件的SEM照片(60d)

3 結論

玻璃粉可以作為礦物摻合料部分替代水泥用于混凝土和砂漿中，當玻璃粉摻量在30%以內時，復合膠凝材料的強度仍較高;而當玻璃粉摻量為10%，復合膠凝材料的強度最高。玻璃粉含有大量無定形二氧化硅，當其顆粒較細時，將具有填充效應和火山灰效應，有助于漿體微結構和性能的改善。

[1]柯國軍，柏紀平，譚大維.廢玻璃用于水泥混凝土的研究進展[J].南華大學學報(自然科學版).2010(9):96－102.

[2]曲超，高志揚，劉數華等.廢棄玻璃粉在活性粉末混凝土中的應用研究[J].混凝土.2011(8):82－84.

[3]閻培渝，張慶歡.活性或惰性摻和料對復合膠凝材料水化性能的影響[J].鐵道科學與工程學報.2007(2):1－7.