廢玻璃粉在膨潤土系水泥土中的力學性能研究

李曉林，李曉明

（1.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學研究院，安徽 合肥 230009；2.安徽省建筑工程質量監督檢測站有限公司，安徽 合肥 230009；3.棗莊學院 城市與建筑工程學院，山東 棗莊 277160）

伴隨著我國城鎮化進程的不斷加快，城市在日常運行中會產生大量的生活和工業固體垃圾，而垃圾填埋場是處理這些渣滓廢料的主要工程設施。在處理的過程中，由于存在各種物理、化學以及生物作用，導致垃圾中會產生大量的具有高濃度污染性的垃圾滲濾液［1-3］。而膨潤土系水泥土地下防滲墻作為垃圾滲濾液重要的地下防滲措施，常被應用于垃圾填埋場的防滲工程中［4-6］。所以，針對地下防滲墻材料的研究越發顯得重要，防滲墻的使用材料主要有水泥土、素混凝土、加筋混凝土等，其中水泥土防滲墻造價低廉，施工周期短，尤其是相比其他材料，具有能夠適應地基大變形能力的特點，在現代垃圾填埋場地下防滲工程中的應用得到了極大的推廣。膨潤土系水泥土更具有良好的抗滲性能，在土質防滲墻工程中的使用非常廣泛，不過其力學性能對比混凝土材料存在不足，為了克服這一問題，科學合理的選用外摻料是一種常用的解決手段和方法。

膨潤土作為我國重要的工業資源，其開發應用還處于初級階段，造成了一定的不必要的資源浪費。如何提高膨潤土的使用效率和發掘其高端應用成了各學科領域關注的重點［7-8］。Rafalski為確定設計防滲墻膨潤土-水泥漿組成程序而進行的調查結果，估算了膨潤土-水泥漿體試件的抗壓強度RS 與CS/BS 比值的關系［9］。其膨潤土-水泥漿液組成的設計程序包括確定水泥與膨潤土漿液的比例，評價膨潤土漿液中膨潤土的含量和水泥漿液中水泥的含量，以及評價改性劑的含量。Grant 對市面上銷售的水泥級膨潤土質量進行了兩年的研究，通過實驗室設計的水泥漿與現場混合樣品的對比，表明由于糟糕的混合程序和劣質膨潤土，水泥漿性能發生了巨大的變化，這可能會導致災難性的后果［10］。微觀檢查、化學質量程序和水泥漿性能數據的證據表明，在現場庫存測試的150 多個樣品中，失敗率接近50%。給出了通過和不通過當前API規范測試的膨潤土水泥漿性能的實驗室數據。Jean-Hugues 為了確定低滲透防滲墻的合適水泥-膨潤土混合物的物理性能，對固化90 天的試樣進行了圍壓為100 kPa的三軸實驗［11］。廢玻璃粉作為生活廢料的其中一部分，與其他建筑材料相比玻璃粉重度較小、硬度較高、粒徑分布較均勻，在家具裝飾方面應用較廣［12-13］，但在建筑方面如何積極合理再利用這些廢料是一個值得探究的問題，尤其是在水泥-土系列的防滲墻領域對摻加玻璃粉的性能研究少之又少。

為了更全面地評價廢玻璃粉對膨潤土系水泥土力學性能的改良效果，文本采用了鈣基、鈉基、有機三種膨潤土，基本涵蓋了工程中常用膨潤土的主要類型。對不同膨潤土系水泥土樣本摻加等比例的廢玻璃粉，之后進行單軸抗壓試驗。通過對試驗結果進行正交對比分析，揭示廢玻璃粉摻量對不同膨潤土系水泥土力學性能的改良效果，并結合膨潤系水泥土內部微觀結構的物理反應機制，對相關現象給出了合理的解釋。

1 試驗設計

1.1 實驗材料

水泥：實驗中用到的水泥為普通的PC32.5 硅酸鹽水泥。

黏土：產地為棗莊市山亭區。處理程序包括：晾曬、烘干、篩選。

膨潤土：作為研究中重要的實驗材料，本實驗中所選用的膨潤土采購于濰坊市，按組成成分劃分為三類：鈣基、鈉基以及有機系膨潤土三種，具體的技術指標見表1。

表1 膨潤土技術指標

廢玻璃粉：為了避免廢玻璃粉中雜質對試驗結果的影響，故選用河南省中順公司制造的高白玻璃粉，其純度高達99%，最大限度保證試驗結果的精確性。主要的技術指標見表2。

表2 玻璃粉技術指標

1.2 實驗方案

在實際的實驗過程中，對試驗結果的影響因素是多方面的，控制變量法是常用的設計方法。根據以往文獻，將黏土進行等質量的替換是常用的外加料摻加方式，綜合考慮，將廢玻璃粉的摻量比例確定為為0%、5%、10%、15%、20%、25%，其中0%為對照組，總共為六個對比層次。以表3中A2組為例，由于每個樣本試件中的黏土和玻璃粉的摻加總質量是固定的，設為m，黏土的質量為m1，玻璃粉的質量為m2，則廢玻璃粉的摻加比列a為：

表3 試件編號情況一覽表

將表3 中A2 樣本試件中的黏土質量和玻璃粉的質量分別代入公式（1），則有：

其他樣本試件中廢玻璃粉的摻加質量按照上述方法依次得出，具體摻加量如表3所示。

對鈉基膨潤土系水泥土組樣本進行連續時間的單軸抗壓強度測試，時間軸定為3 天、7 天、11天、15 天。對鈣基、有機組膨潤土系水泥土組樣本的測試時間定為15 天。鈉基、鈣基、有機膨潤系水泥土樣本組分別記為A、B、C 組，A 組總數72件，B、C 組總數分別為18 件，三組共計108 件，具體編號如表3所示。

實驗數據由全自動恒應力水泥抗折抗壓試驗機自動采集。為了充分保證試驗結果的準確性，每一次的數據采集都是采用三個樣本為一組，數據處理嚴格按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》［14］進行，取三個抗壓強度測定值的算術平均值作為抗壓強度試驗結果，精確至0.1MPa，如三個測定強度值存在超過平均值±10%的值時，去掉此值后再平均。

2 試驗結果與分析

2.1 玻璃粉摻量對膨潤土系水泥土力學性能的影響

對試驗結果進行整理，鈉基膨潤土系水泥土的單軸抗壓強度值見表4。依據測試結果，進一步得到了廢玻璃粉摻量對其峰值抗壓強度的影響關系，如圖1 所示，同時為了方便觀察試驗測試值偏移均值的情況，圖1中給出了誤差線。圖2則進一步揭示了齡期對其峰值抗壓強度的影響。

圖1 廢玻璃粉摻量變化對鈉基膨潤土系水泥土抗壓強度的影響

圖2 不同玻璃粉摻量時鈉基膨潤土系玻璃粉水泥土抗壓強度隨齡期變化對比曲線

表4 鈉基膨潤土系水泥土的單軸抗壓強度值

考慮到文章主要研究廢玻璃粉對膨潤土系水泥土力學性能的影響，故為了進一步揭示玻璃粉摻量對其抗壓強度的影響，選擇對表4中的3天抗壓強度進行單因素方差統計差異性分析，設因素A 為不同廢玻璃粉摻量下的試驗樣本，ST為總的離差平方和，SE為誤差平方和，SA為因素A 的平方和。記μ1、μ2、μ3、μ4、μ5、μ6依次表示玻璃粉摻量為0%、5%、10%、15%、20%、25%時所對應的6組水泥土抗壓強度的均值，相關數據如表5所示。

表5 鈉基膨潤土系水泥土的3天單軸抗壓強度值

表6 方差分析表

現檢驗假設：H0：μ1=μ2=μ3=μ4=μ5=μ6，H1：μ1，μ2，μ3，μ4，μ5，μ6不全相等。將來自6 組實驗中的測試數據計為xij（i=3，j=6），因為n1=n2=n3=n4=n5=n6=3，則。另，每一組的數據加和分別為：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，則有：

ST，SA，SE的自由度分別為17，2，15，從而得方差分析表如下：

因為F0.05（2，15）=3.68，而F比=16.81＞3.68，故在顯著水平0.05 下拒絕H0。按此方法分別對表4中7天，11天，15天內的實驗數據進行方差差異性分析，其F比經過計算依次是32.35，49.38，124.42，均大于3.68。上述分析表明不同廢玻璃粉摻量下膨潤土系水泥土抗壓強度的均值存在顯著差異，而且F比值隨著廢玻璃粉摻量增加逐漸增大，此現象充分說明廢玻璃粉的摻量變化對材料的抗壓性能有明顯的影響。

如圖1 所示，可以看出，在同一個齡期內，隨著玻璃粉摻量的增加，膨潤土系水泥土的單軸抗壓強度的增長變化與其是正相關關系，但是當玻璃粉的摻量比例趨近10%時，這種正相關開始反轉，變成負相關。一直到摻量比例接近在15%時，這種不利影響才消失。超過15%后，廢玻璃粉的摻量的增加再次對水泥土峰值抗壓強度的增長起到促進作用。單就本實驗而言，廢玻璃粉的最大摻量為25%，而且在齡期為15 天時，其最大單軸抗壓強度為4.1MPa。另外，當廢玻璃粉的摻量為25%時，在全齡期范圍內，其單軸抗壓強度都要比零摻加廢玻璃粉試件的水泥土強度要大，平均增長幅度為37%，故可以看出，廢玻璃粉對膨潤系水泥土強度增長的促進作用還是非常明顯的。

如圖2 所示，當廢玻璃粉摻量比例維持在0%、5%以及25%時，膨潤土系水泥土的單軸抗壓強度與養護時間基本上呈正相關，齡期在11 天之內為線性增長，之后增長速率變小。但是當玻璃粉摻量為10%與15%時，其15天時的單軸抗壓強度出現了減小的趨勢，此種現象說明了廢玻璃粉摻量對強度的影響是動態變化的，這與膨潤土系水泥土復雜的內部微觀結構的反應機制有關，這種反應機制包括除了傳統巖石力學與土力學中的微觀物理力學機制，還涵蓋了化學反應機制，這些作用機制之間會互相耦合和影響，依據單一反應機制來解釋上述宏觀現象是非常困難的。通過分析研究發現，產生這種現象可能的原因是：水泥在水化反應過程中，會產生一定量的熟石灰，從而賦予工程材料整體處于一個偏堿性的環境。水泥土中的堿性陰離子隨著濃度的增加，最終與廢玻璃粉中的活性二氧化硅（SiO2）及膨潤土中的蒙脫石發生反應，產生的水分亦進一步促進水泥的水化反應。當膨潤土系水泥土中的廢玻璃粉摻量為10%與15%時，會加劇上述反應，即水泥中的熟石灰被過度快速的反應，從而影響了水泥本身硬化物質的形成，降低了水泥土的強度。當廢玻璃粉的摻量比繼續增大時，廢玻璃粉對土中微觀孔隙的填充作用也會繼續加強，繼而提高其強度。也就是說，水泥，膨潤土，廢玻璃粉三者之間摻比的變化會影響土體內部微觀反應機制的動態關聯關系，具體的影響機制有待進一步探明。

2.2 不同種類膨潤土系玻璃粉水泥土抗壓性能對比分析

鈉基、鈣基、有機測試試件的15 天周期單軸抗壓強度測試值數據如表7所示。

表7 同一齡期不同種類膨潤土單軸抗壓強度試驗結果一覽表

依照上述方法，對表7 中鈣基和有機膨潤土系水泥土15 天的單軸抗壓強度試驗數據進行單因素方差統計差異分析，經過計算，F比（鈣基）=17.56，F比（有機）=231.54，而F比（鈉基）=124.42，三者均大于F0.05（2，15）=3.68，說明在同一周期內，對三種膨潤土系水泥土而言，不同廢玻璃粉摻量下其抗壓強度的均值存在顯著差異，再次驗證了廢玻璃粉摻量和膨潤土系水泥土力學性能之間存在明顯的響應關系。

從圖3 可知，當玻璃粉摻量相同時，三組膨潤土系水泥土的強度各不相同，總體上看鈉基系水泥土峰值抗壓強度高于其他兩組，尤其是當廢玻璃粉摻比超過15%時，這種趨勢愈加明顯。鈉基系和鈣基系水泥土強度隨玻璃粉摻量變化趨勢基本一致，都是先增大再變小，之后再增大。有機膨潤系水泥土的峰值強度與廢玻璃粉摻量呈負相關，主要原因可能是有機膨潤土和其他兩種膨潤土相比，其吸水速度慢，交換離子主要是有機陽離子，而廢玻璃粉粒徑小，其摻量的增加必然會加大黏土內部與有機陽離子的接觸面積，微小玻璃粉顆粒表面帶有負電荷后，會產生對有機陽離子的吸附作用，導致有機陽離子不能與Ca2+充分交換，繼而阻礙了蒙脫石各層間的塌縮，直接影響了水泥土密實度的增大速率。而其他兩種膨潤土，主要的交換離子是金屬陽離子，與廢玻璃粉顆粒間的吸附作用非常弱，可以忽略不計。綜上，廢玻璃粉作為外摻加料對有機膨潤土系水泥土單軸抗壓強度的提高是消極負面的，但這也為廢玻璃粉在膨潤土系水泥土中的實際應用提供了參考，避免了對外摻料的隨意摻加使用。

圖3 玻璃粉摻量對三種膨潤土15d抗壓強度的影響對比分析曲線

3 結語

本研究首次將廢玻璃粉應用到膨潤系水泥土工程中，利用正交試驗全面揭示廢玻璃粉摻量與膨潤系水泥土力學性能之間的變化關系，為廢玻璃粉在土質地下防滲墻中的工程應用提供了理論參考，實現了廢玻璃粉的再循環利用，符合國家現行的工業環保政策導向，具有一定的工程經濟價值?，F階段，主要的結論有：

（1）對鈉基和鈣基膨潤土系水泥土而言，其單軸抗壓強度余廢玻璃粉摻量是正相關的，但是當玻璃粉的摻量比例趨近10%時，這種正相關開始反轉，變成負相關。一直到摻量比例接近在15%時，這種不利影響才消失。超過15%后，廢玻璃粉的摻量的增加再次對水泥土峰值抗壓強度的增長起到促進作用。廢玻璃粉對有機膨潤土系水泥土的單軸抗壓強度的提高并無促進作用。

（2）廢玻璃粉對鈉基膨潤系水泥土抗壓強度的提高作用比較明顯，就本實驗而言，最佳摻量在25%附近，對于土質地下防滲墻強度的提高具有實際的工程指導意義。

（3）本文實驗中廢玻璃粉的摻量比例最大僅限于25%，后期需要更多的實驗來驗證其適用性。另外，未來將針對廢玻璃粉對膨潤系水泥土的抗滲性和耐堿性腐蝕進行深入的研究。