張文星 蘇有文 李嬌

（1. 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 綿陽 621010；2. 國家電網(wǎng)四川省電力公司巴中供電公司 巴中 621053）

0 引言

2018年以來，混凝土原料價格在國家大氣污染攻堅戰(zhàn)總體部署下，隨混凝土行業(yè)能耗、環(huán)保、資源約束不斷趨緊而一路走高［1］。玻璃產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用的同時，其廢棄量也在日益增多。但我國廢玻璃回收利用率僅為10%～30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平［2］。而利用廢棄玻璃取代混凝土中的部分材料，不僅可以緩解廢玻璃生態(tài)污染問題，還可以解決混凝土原料價格高漲問題。

孟繼軍等［3］利用鋼渣和玻璃粉制備自密實(shí)混凝土，發(fā)現(xiàn)玻璃粉的摻入可改善混凝土的流動性，兩者協(xié)同工作時，鋼渣和玻璃粉最佳摻量分別為80%和20%。嚴(yán)建華等［4］將玻璃粉分別復(fù)摻于粉煤灰混凝土和礦渣混凝土中，結(jié)果表明玻璃粉的摻入均能提高兩種混凝土的抗壓強(qiáng)度。寧寶寬等［5］將特細(xì)尾礦砂和玻璃粉摻入混凝土中，指出廢玻璃粉的添加能夠提高尾礦砂混凝土的強(qiáng)度。劉業(yè)金等［6］研究發(fā)現(xiàn)復(fù)摻玻璃粉和沸石粉能降低混凝土孔隙率，提高密實(shí)度。從而在后期能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗碳化和抗氯離子性能。Ouldkhaoua等［7］通過研究發(fā)現(xiàn)高嶺土和陰極管玻璃粉復(fù)合制備自密實(shí)混凝土，對提高混凝土的耐久性有積極作用。Bostanc［8］用20%玻璃粉+10%大理石粉取代砂和水泥制備再生混凝土，可以改善混凝土的熱傳導(dǎo)性、水滲透性等方面的性能。YahyaR等［9］利用再生塑料和玻璃混合取代細(xì)骨料，制備人行道路面混凝土，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度滿足相應(yīng)的設(shè)計強(qiáng)度要求。夏冰華等［10-12］用磨細(xì)玻璃在一定范圍內(nèi)取代普通砂，其抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相當(dāng)。楊震櫻等［13,14］發(fā)現(xiàn)玻璃粉取代水泥，能減小混凝土的孔隙率，增強(qiáng)密實(shí)度，從而提高混凝土或水泥膠砂的強(qiáng)度。綜上所述，目前，大部分研究主要集中于改變骨料類型、組合種類、取代率等方面來研究混凝土的力學(xué)性能和耐久性。然而對于玻璃粉和玻璃砂共同取代混凝土中細(xì)骨料和膠凝材料的研究卻鮮有報道。為此，利用不同粒徑玻璃顆粒表現(xiàn)出的不同特性，同時使用玻璃粉取代膠凝材料，玻璃砂取代細(xì)骨料制備C30混凝土，探討分析玻璃粉和玻璃砂共同作用下混凝土基本性能的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 原材料選擇

水泥：根據(jù)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》［15］，采用綿陽雙馬P.O 42.5，測定7天抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別為30.92 MPa和8.5 MPa，初凝和終凝時間分別為151 min和220 min，經(jīng)測定，其安定性符合要求。

細(xì)骨料：根據(jù)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》［16］測定砂的表觀密度2578 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.82。

粗骨料：采用連續(xù)級配5～20 mm的碎石。滿足GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》［17］要求。

玻璃：實(shí)驗(yàn)所用玻璃原料均采用回收綠色酒瓶經(jīng)清洗、晾曬、破碎、磨細(xì)、篩分等工序制備而成。粒徑范圍75～150 mm為玻璃砂，粒徑范圍0～75 mm為玻璃粉。其主要化學(xué)成分表如圖1所示。

圖1 玻璃化學(xué)成分

水：采用自來水。

1.2 配合比設(shè)計

依照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》［18］，設(shè)置普通混凝土配比為水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水＝1∶2.85∶1.59∶0.43。保持玻璃粉-玻璃砂混凝土中天然砂和膠凝材料總量不變，以玻璃砂取代范圍（10%、20%、30%、40%、50%）和玻璃粉取代范圍（5%、10%、15%、20%、25%、30%）為主要增量變化參數(shù)同時取代混凝土中的細(xì)骨料和膠凝材料，制備C30混凝土。試件制備總量見表1。

表1 試件制備總數(shù)

1.3 試件制備及方法

利用單臥式強(qiáng)制攪拌機(jī)進(jìn)行混凝土攪拌。為使水泥漿體充分包裹骨料，攪拌采用水泥裹砂法，即向攪拌機(jī)中先加入砂和60%的水，啟動攪拌機(jī)攪拌約20 s，倒入水泥攪拌1 min，再倒入石子攪拌20 s，最后將40%的水全部加入攪拌機(jī)中，攪拌120 s后，在滿足GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［19］要求坍落度的前提下，按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［20］成型抗壓試塊、抗拉試塊，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7天、28天后進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備、裝置

玻璃原料研磨、篩分分別使用SM-500型球磨機(jī)、搖篩機(jī)。參考規(guī)范［20］，抗壓強(qiáng)度采用液壓式萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，劈裂抗拉強(qiáng)度采用WES-1000B型萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度分析

為研究玻璃粉和玻璃砂取代率同時變化對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，利用等高線圖對混凝土7天、28天抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析。玻璃粉-玻璃砂混凝土的7天、28天抗壓強(qiáng)度測試試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。其中閉合曲線上強(qiáng)度值相等；相鄰曲線之間的強(qiáng)度差值相等；等高線的疏密表明強(qiáng)度變化速度的快慢。

圖2 玻璃粉-玻璃砂混凝土7天抗壓強(qiáng)度

圖3 玻璃粉-玻璃砂混凝土28天抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，7天齡期時，與對照組相比，隨著玻璃砂和玻璃粉取代率的增加，等高線圖上的數(shù)值先增加后減小，說明玻璃粉-玻璃砂混凝土的抗壓強(qiáng)度隨兩者取代率的增加表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。曲線間呈先疏后密的變化趨勢，即線與線之間的間距不斷減小，排列密度不斷增加，表明混凝土抗壓強(qiáng)度的變化速度隨取代率增加而變快，玻璃取代率對混凝土的強(qiáng)度影響顯著。

一方面，玻璃砂和玻璃粉的粒徑范圍為0～150 mm，粒徑細(xì)且級配連續(xù)，能夠發(fā)揮微集料作用，均勻分散在混凝土中，填充并細(xì)化骨料結(jié)構(gòu)造成的孔隙缺陷，改善混凝土密實(shí)度，玻璃砂和玻璃粉共同取代有利于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。另一方面，本試驗(yàn)使用玻璃含有堿、硅活性物質(zhì)，水泥中的堿與玻璃中的活性SiO2發(fā)生堿骨料反應(yīng)，產(chǎn)生膨脹可填充混凝土內(nèi)部空隙，從而使得混凝土早期強(qiáng)度提高［21］。

28天齡期時，等高線圖的數(shù)值變化和曲線疏密變化與7天時相似，表明28天時抗壓強(qiáng)度隨玻璃取代率的變化與7天時的影響相類似。但在小范圍內(nèi)取代時，等高線圖中28天強(qiáng)度最高值曲線相比7天往左上方擴(kuò)大移動，且28天時的抗壓強(qiáng)度較7天時大。說明玻璃的火山灰活性隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸顯現(xiàn)，火山灰反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)可填充混凝土內(nèi)部孔隙缺陷，改善混凝土界面過渡區(qū)的密實(shí)度，使得混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)。

隨著取代率增加，抗壓強(qiáng)度逐漸下降，這可能是由于玻璃取代率過高，水泥摻量減少導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物CH減少，造成二次水化反應(yīng)膠凝產(chǎn)物生成量減少，這在一定程度上削弱了混凝土的密實(shí)度［22］。

2.2 抗拉強(qiáng)度分析

對玻璃粉-玻璃砂混凝土不同取代率、不同齡期下制備成型的抗拉試件進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 玻璃粉-玻璃砂混凝土7天抗拉強(qiáng)度

圖5 玻璃粉-玻璃砂混凝土28天抗拉強(qiáng)度

7天時，由等高線上數(shù)值和曲線變化中可知，混凝土7天抗拉強(qiáng)度隨玻璃取代率的增加而總體呈下降的趨勢，且下降速度隨取代率增加而變快。這可能是因?yàn)椴ＡП砻婀饣?，棱角粘結(jié)能力不如水泥，減弱了材料之間的機(jī)械咬合作用。此外，水泥摻量的減少在一定程度上減緩了水化反應(yīng)速率，而玻璃取代率的增加加劇堿骨料反應(yīng)，造成了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度降低。

28天時，玻璃取代率的增加會導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度有所下降，這與7天時抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律類似。由此可知，玻璃粉和玻璃砂共同取代對混凝土的抗拉強(qiáng)度無明顯增強(qiáng)作用，取代率過高，甚至?xí)魅蹩估瓘?qiáng)度。這主要是由于玻璃與基體材料粘結(jié)能力弱所致。

3 結(jié)論

（1）玻璃粉-玻璃砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨兩者取代率的增加呈先增加后減小趨勢，抗拉強(qiáng)度隨兩者取代率的增加而持續(xù)下降。

（2）由于玻璃粉早期火山灰活性不強(qiáng)，故其早期強(qiáng)度不高，后期抗壓強(qiáng)度隨齡期增長而增大。

（3）玻璃粉-玻璃砂混凝土強(qiáng)度變化速度隨兩者取代率的增加而變快。在一定取代范圍內(nèi)，兩者共同取代滿足強(qiáng)度要求。