淺談廢棄玻璃混凝土的研究與應用

周鈺鑫，岳龍，蔣銘昊，符濤，王晟

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211100）

0 引言

廢玻璃是指不再使用或已被丟棄的玻璃、玻璃制品和玻璃纖維等玻璃物料，其自然降解時間高達4 000年，這種不可降解的特性將導致嚴重的環境污染。玻璃的硬度與普通砂石接近，密度比砂石略低，從宏觀的力學性能角度，玻璃替代部分混凝土中砂石是可行的。此外，玻璃的主要成分為SiO2，具有一定程度的火山灰活性，因此作為潛在的輔助膠凝材料加入到混凝土中可實現廢棄玻璃的資源化利用，具有重大的環保意義。

1 廢棄玻璃混凝土研究現狀

1.1 廢棄玻璃取代粗細骨料

國內外學者對廢棄玻璃替代粗細骨料做了大量的試驗研究。王風池[1]等人研究表明玻璃集料無論是取代砂還是石子，隨著取代率增大，混凝土的坍落度增大，且玻璃取代石子時比取代砂時的坍落度大，當取代率為100%時，玻璃取代砂和玻璃取代石子混凝土的坍落度分別為普通混凝土的1.50倍和1.62倍。此外，廢玻璃作為細骨料會降低混凝土的力學性能，抗壓、抗彎強度隨著廢玻璃替代率的提高而逐漸降低。王志攀[2]等人將普通混凝土、廢棄玻璃取代20%天然細集料的混凝土、廢棄玻璃取代20%天然粗集料的混凝土放入同濃度的Na2SO4溶液和NaCl溶液中浸泡，發現廢棄玻璃混凝土強度的下降率均低于普通混凝土，表明廢棄玻璃取代粗細集料制成的玻璃混凝土抗腐蝕性增強。劉光焰等人[3]利用外加電場來檢驗混凝土的抗氯離子滲透能力，研究表明廢棄玻璃替代粗骨料時，隨著廢棄玻璃骨料的增加，混凝土的抗氯離子滲透能力下降，廢棄玻璃替代細骨料時，有利于提高混凝土的抗氯離子滲透能力。此外當玻璃取代細骨料小于20%時，玻璃混凝土的強度基本沒有降低[4]。

1.2 廢棄玻璃作為輔助膠凝材料

國內外學者對于廢棄玻璃作為輔助膠凝材料做了大量的試驗研究，發現玻璃粉不僅可以抑制ASR反應，而且在提升工作性能、力學性能、耐久性方面具有顯著優勢。蘇柳月等人[4]將粉磨2 h的廢玻璃粉作為輔助膠凝材料替代水泥的10%、20%、30%、40%，研究表明摻廢玻璃粉的混凝土7 d、28 d的抗壓強度均低于基準混凝土的抗壓強度，但隨著齡期的發展，玻璃粉摻量變化所帶來的不利影響減弱?？聡姷热薣5]將球磨后的廢玻璃粉取代水泥的10%、20%、30%，對于相同球磨時間和取代率的廢玻璃粉，強度活性指數隨著齡期的增加而增大，說明了隨著齡期的增加，二次水化反應的進行，水化體系中的Ca(OH)2減少，pH值減小，廢玻璃粉表面有C-S-H凝膠生成，并不斷聚集、填充和結晶，使水化體系結構不斷密實，有利于改善體系的孔隙構造和增大密實度。符駿等人[6]采用平均粒徑為21.17μm的玻璃粉取代水泥的10%、20%、30%，研究表明玻璃粉摻量為10%時，有害孔隙率減小，改善了孔隙構造有利于混凝土抗凍，但隨著玻璃粉摻量的增加，對混凝土早期抗凍性能無益。此外，ASR反應產生的膨脹隨廢玻璃粒徑減小而減小，當粒徑小于一定數值時，玻璃粉可以抑制ASR反應帶來的膨脹危害。黃昌石等人[7]研究表明粒徑在0～75μm的玻璃粉能夠對ASR膨脹起到較好的抑制作用。

1.3 廢棄玻璃激活研究

廢棄玻璃具有一定的火山灰特性，能夠作為水泥替代材料，改善混凝土的力學性能。但是，玻璃的硅氧四面體結構穩定，火山灰活性不易激發，因此需要尋找激活方法充分發揮其輔助膠凝作用。目前，物理、化學和水熱活化是常見的三種活化方法。

楊晶[8]將廢棄玻璃分別球磨至75μm以下、58μm以下以及38μm以下，使玻璃的顆粒細化，活性提高。宋百姓[9]對不同粒徑的玻璃粉，測定其粒度分布、比表面積和膠砂試件的強度，發現廢玻璃粉的活性指數沒有隨研磨時間呈線性增長，而是存在一個最佳研磨時間，從廢玻璃粉的活性和經濟性考慮，可以確定35 min是廢玻璃粉最經濟合理的研磨時間，且廢玻璃粉用做礦物摻合料時存在一個最佳粒徑范圍，粒徑在6.414～20.710μm的廢玻璃粉活性最高。物理活化主要是通過機械力將廢棄玻璃球磨至一定粒徑范圍，破環Si-O等化學鍵、降低玻璃體的聚合度、釋放出活性物質，同時也增大了比表面積、促進了二次水化反應、提高了混凝土的抗壓強度，但需注意控制研磨時間。

孔慶秋[10]采用廢玻璃粉取代水泥的10%、20%、30%，加入0.7%NaOH（對于廢玻璃粉而言）激發劑，研究表明10%廢玻璃粉摻量激發效果最好且NaOH激發的效果在早期較明顯，后期效果較弱。此外，有研究表明加入熟石灰激活廢玻璃粉時，當熟石灰的摻量（對于水泥和廢玻璃粉的總量而言）從3%增大到4%時，廢玻璃粉的活性指數增大，當摻量從4%增大到5%時，廢玻璃粉的活性指數減小。加入堿類激發劑，在OH-的作用下，廢玻璃粉顆粒表面的Si-O鍵和Al-O鍵斷裂，使Si-O-Al的網絡聚合度降低，表面形成游離的不飽和活性鍵，容易與Ca(OH)2發生水化反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠體，但堿過量會造成ASR膨脹。

宋百姓采用無水硫酸鈉激活廢玻璃粉，當無水硫酸鈉的摻量（對于水泥和廢玻璃粉的總量而言）從3%增大到4%時，廢玻璃粉的活性指數增大，當摻量從4%增大到5%時，廢玻璃粉的活性指數減小。此外，有研究表明硫酸鈉早期激發效果稍強，后期稍弱。加入硫酸鈉，由于有SO42-的存在，水泥水化產生的Ca(OH)2釋放出Ca2+，加上溶出液相的AlO2-，多種化合物在堿性環境下會生成鈣礬石，細針狀的鈣礬石能夠填充水泥石的空隙，使水泥石更致密，但過量的硫酸鈉會造成鈣礬石過量，導致結構疏松。

宋百姓稱取適量的廢玻璃粉在125℃、1.1 MPa條件下進行蒸壓，廢玻璃粉的活性指數隨著處理時間的增長而提高。此外，水熱激發廢玻璃粉活性效果早期較弱，后期較好，且隨激發溫度壓力升高而提高。

復合活化是指多種活化方式結合，綜合了各種活化方式的優點，效果更好。宋百姓在研磨了35 min的廢玻璃粉中加入Na2SO4和Ca（OH）2進行高溫高壓處理4 h，研究發現復合活化比物理活化、化學活化和水熱活化的效果要好。

2 廢棄玻璃混凝土存在的問題

2.1 ASR膨脹

ASR反應的存在是制約玻璃混凝土發展的主要因素，堿-二氧化硅反應產生的有害膨脹會給混凝土帶來極大的損傷，所以降低ASR反應所帶來的危害，將提高玻璃混凝土的耐久性。黃昌石等人研究表明摻入玻璃砂會增大ASR膨脹，但玻璃粉卻能夠抑制ASR膨脹，并且隨著粒徑減小抑制作用越大。劉偉等人研究表明煅燒溫度為800℃的偏高嶺土具有很好的抑制ASR效果。此外，ASR反應產生的膨脹隨廢玻璃粒徑減小而減小，當粒徑小于一定數值時，玻璃粉可以抑制ASR反應帶來的膨脹危害。

2.2 降低力學性能

廢玻璃作為細骨料，混凝土的抗壓抗彎強度隨著廢玻璃替代率的提高而逐漸降低。

3 結語

廢棄玻璃的摻量對混凝土的性能有重要的影響，需要進一步探究廢棄玻璃經濟又合理的摻量。ASR反應始終是潛在的危險，需要進一步探究其反應機制和如何抑制ASR反應帶來的危害?；瘜W活化的研究目前只局限于加氫氧化鈉、氫氧化鈣、硫酸鈉等幾種化學試劑，水熱活化的研究目前局限于一定范圍內的溫度、壓強和時間，需要進一步探究其他不同化學試劑單摻、復摻的影響和更大范圍內的溫度、壓強和時間的影響。如果解決了這些問題，不僅能實現廢棄玻璃的資源化利用、減輕環境的壓力，還能產生經濟效益，實現了可持續發展。