廢玻璃粉摻量對混凝土力學性能影響的研究

李靜

（中鐵建城建交通發展有限公司，江蘇蘇州215151）

1 引言

混凝土是全球應用最廣泛的材料之一， 它由水泥、 細骨料、粗骨料、水和添加劑按比例混合制成。 然而，混凝土行業面臨嚴峻的環境問題， 尤其是水泥生產的高能耗和嚴重污染問題[1]。每生產1 t 水泥就會釋放大量的二氧化碳，其碳排放已經占據全球總排放量的5%～8%。 因此，回收混凝土廢料成為降低混凝土生產對環境影響的有效途徑。 與此同時，玻璃作為可重復利用的原材料，可以被再次使用而沒有任何價值損失，其回收利用可以節省垃圾填埋場， 減少建筑業對水泥的需求[2]。廢玻璃粉與硅灰、粉煤灰等工業生產過程中產生的廢料類似，其無須額外加工即可作為水泥替代品使用， 減少了能源和原材料消耗以及二氧化碳的排放。

早期研究表明， 在混凝土生產中使用廢玻璃粉會導致新老混凝土性能差異較大[3]，但后續的研究證實了將廢玻璃粉作為補充膠凝材料是有效的。 其中，使用10%～20%的廢玻璃粉替代水泥使用能夠改善混凝土的力學性能。 因此，本文通過實驗探究不同替代比例下廢玻璃粉對普通混凝土、 硅灰及粉煤灰混凝土性能的影響， 并對采用廢玻璃粉替代水泥的新拌混凝土的物理性能及力學性能進行測試。

2 原材料及試驗方案

2.1 原材料

試驗中采用了P·O42.5R 水泥，其密度為3.08 g/cm3，比表面積為380 m2/kg。粉煤灰采用Ⅱ級別粉煤灰，硅灰的SiO2含量大于93%，燒失量為2.50%。 試驗所用的廢玻璃粉來自玻璃廠的廢料，在實驗室中通過研磨設備粉碎，再研磨制成。 玻璃粉的粒徑小于0.075 mm。 硅灰、粉煤灰及廢玻璃粉的化學特性見表1。 砂子為天然河砂，細度模數為2.9。 粗骨料粒徑為5～25 mm。

表1 硅灰、粉煤灰及廢玻璃粉化學成分比較%

2.2 試驗方案

如表2 所示，試驗共測試了15 種混凝土配合比，所有配合比的砂石比例均為1∶2。 所研究的混凝土分為3 組，根據廢玻璃粉對水泥的5 種替代比例0%、5%、10%、15%和20%，每組由5 種不同的配合比組成。 每組的第一種拌和物的廢玻璃粉含量為0%，作為對照組。 第一組的水泥含量為400 kg/m3，水膠比（W/B）為0.5，沒有硅灰和粉煤灰，第二組的水泥含量為500 kg/m3，W/B=0.4，硅灰的添加比例為黏合劑含量的10%。第三組的水泥含量為500 kg/m3，W/B=0.4，但粉煤灰的添加比例為黏合劑含量的20%。

表2 混凝土配合比

2.3 試件測試

根據GB/T 50080—2016 《普通混凝拌合物性能試驗方法標準》對新拌混凝土進行坍落度、密度及吸水率測試，以確定混凝土的工作性。 此外，按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試每種混合料立方體抗壓強度，并列出平均值。

3 結果和討論

3.1 坍落度測試

本研究采用坍落度試驗來評估所有混凝土配合比組的可操作性。 表3 展示了不同含量（0%，5%，10%，15%和20%）廢玻璃粉混凝土試樣的坍落度值。 試驗結果表明，隨著廢玻璃粉含量的增加，所有混凝土配合比的坍落度均有所增加。 這可能是由于廢玻璃粉具有光滑的表面和較低的吸水性， 從而增加了拌合物的流動性；或者是由于相對于水泥，廢玻璃粉顆粒更為粗糙。 此外，廢玻璃粉粒徑小于75 um，因此，可以更好地填充粗骨料的孔隙。 所有拌合物的坍落度均大于或等于65 mm，并且沒有分離現象。 這表明拌合物達到了足夠的水泥漿體黏度，從而能夠保持粗骨料良好的懸浮狀態，減少顆粒之間的接觸和摩擦，增強混凝土和易性。 此外，增加黏度還可以提高砂漿與粗骨料之間的黏結力， 從而降低離析風險。 值得注意的是，雖然粉煤灰混凝土的減水劑含量低于硅灰混凝土，但粉煤灰混凝土的坍落度卻高于硅灰混凝土。 因此，添加粉煤灰有助于提高廢玻璃粉混凝土的和易性。

表3 不同組別混凝土坍落度結果

3.2 密度

密度值主要取決于骨料的質量。 因此，即使部分水泥被廢玻璃粉替代，水泥的密度不會明顯改變混凝土的單位重量。 如表4 所示，第1、第2 和第3 組樣品分別由5%、10%、15%和20%的廢玻璃粉組成， 它們的濕密度遞減比率與對照組相比為1.3%～3.3%、1.4%～3.1%以及2.03%～3.37%。 如圖1 所示，廢玻璃粉混凝土拌合物濕密度值的降低可能與廢玻璃粉在拌合物中的比重小于水泥有關。 盡管廢玻璃粉混凝土拌合物的濕密度值有所降低，但它們仍然更接近于參考拌合物。 如圖2 所示，第1、 第2 和第3 組試樣的干密度遞減率與對照組相比為1.3%～3.3%、1%～2.8%以及1.3%～2.4%。 含有廢玻璃粉的混凝土單位重量比不含廢玻璃粉的混凝土單位重量要小。 盡管廢玻璃粉混凝土拌合物的干密度率有所下降，但其數值仍與對照組的數值相近。 因此，可以得出結論，即混凝土中存在硅灰和粉煤灰并不影響廢玻璃粉作為普通混凝土密度減少因素的效果。

圖1 混凝土濕密度及遞減比率

圖2 混凝土干密度及遞減比率

表4 不同組別混凝土干濕密度結果

3.3 吸水率

吸水率是混凝土耐久性的重要指標之一， 減少吸水率可顯著改善混凝土在侵蝕性環境下的長期性能。 吸水率可作為預測混凝土在凍融循環和碳化作用下退化的主要因素之一。如圖3 所示， 所有組別的吸水率隨廢玻璃粉含量的增加而下降。 廢玻璃粉混凝土的吸水率比對照組的吸水率低，并且隨著廢玻璃粉含量的增加有遞減的趨勢。 與對照組混凝土相比，由5%、10%、15%和20%的廢玻璃粉制成的第1、第2 和第3 組試件的吸水率下降比例分別為5.56%、11.11%、20.37%和27.78%、3.28%、8.20%、11.48%和14.75%以及6.25%、12.5%、16.67%和18.75%。此外，微小的廢玻璃粉顆粒的填充效應提高了顆粒間的堆積密度，使得微觀結構更為致密，減少了混凝土中的空隙體積。 因此，隨著廢玻璃粉比例的增加，混凝土的吸水率進一步下降。

3.4 抗壓強度

壓縮試驗是評估混凝土性能的全面方法， 因為強度直接與水化水泥漿的形成相關。 在確定混凝土樣品強度提升方面，壓縮試驗是一項非常重要的試驗方法。 統計混合料和廢玻璃粉混凝土拌合物28 d 的抗壓強度值， 每個值都是進行3 次測量后得出的平均值。 對于普通混凝土，從圖4 中可以清晰地看出，在利用廢玻璃粉替代水泥的情況下，混凝土的抗壓強度隨著廢玻璃粉比例的增加而先增加后降低。 增加值分別為7.51%、3.48%、6.98%和21.65%，減少值為5%。此外，與對照組相比， 使用回收的廢玻璃粉作為水泥替代品會降低硅灰和粉煤灰混凝土拌合物的抗壓強度， 其28 d 抗壓強度分別下降了2.25%～13.25%和5.03%～14.07%。 值得注意的是，廢玻璃粉的表面高光滑度會導致混凝土產生裂縫， 并使得廢玻璃粉與水泥漿之間的黏結力下降。

圖4 混凝土抗壓強度

3.5 劈裂抗拉強度

在28 d 后觀察到的劈裂抗拉強度數據如圖5 所示， 每個值都是3 次測量的平均值。 結果表明，在混凝土拌合物中使用再生廢玻璃粉替代水泥的情況下，當其比例為5%時，劈裂抗拉強度呈現出增加的趨勢，之后則開始下降。 在5%的替代比例下，抗壓強度增加值為13.15%，在10%、15%和20%的比例下，分別減少了7.67%、10.41%和16.99%。 在5%的廢玻璃粉比率下，拉伸強度會增加，之后開始下降。 從圖5 可以看出，與對照組相比， 使用回收的廢玻璃粉作為水泥替代物會降低硅灰和粉煤灰混凝土拌合物的劈裂抗拉強度， 替代率為10%以上時，兩種混凝土的劈裂抗拉強度分別均顯著降低7%以上。

圖5 混凝土劈裂抗拉強度

4 結論

本研究旨在對不同百分比替代率的廢玻璃粉混凝土進行物理性能及力學性能測試，其主要結論如下。

1）隨著廢玻璃粉比例的增加，混凝土配合比的坍落度有所增加， 而密度值和劈裂抗拉強度則呈現出先上升后下降的趨勢。

2）將水泥以5%的比例替代為廢玻璃粉不會降低普通混凝土的抗壓和抗拉強度。 然而，廢玻璃粉比例上升至10%～20%時，混凝土的抗壓和抗拉強度會下降。 是由于再生廢玻璃粉具有高光滑度而導致了混凝土產生裂縫， 使得再生廢玻璃粉與水泥漿之間的黏結力不足。

3）在普通混凝土中，5%的廢玻璃粉替代物能夠顯著增加混凝土的抗壓和抗拉強度約8%和13%。 然而，廢玻璃粉的添加對于硅灰和粉煤灰混凝土的抗壓和抗拉強度均產生負面影響，且隨著廢玻璃粉比例的增加，強度下降更為明顯。

4）廢玻璃粉的添加可降低混凝土的吸水率。 隨著廢玻璃粉比例的增大，降低的幅度也越大。 同時，廢玻璃粉的添加還能增加混凝土拌合物的和易性。

綜上所述，廢玻璃粉作為一種環保的水泥替代材料，未來可進一步探究廢玻璃粉對混凝土耐久性和長期性能的影響，優化廢玻璃粉的使用方法和比例， 并嘗試引入其他材料與廢玻璃粉協同使用以提高混凝土性能。