林添興

（科之杰新材料集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361101）

0 前言

隨著建筑業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，建筑、汽車門窗玻璃、玻璃容器、電子類玻璃和玻璃瓶等各種玻璃大量使用，使得廢棄玻璃大量增加。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2018年我國廢玻璃產(chǎn)出量約1880萬t。廢棄玻璃大部分作為垃圾被丟棄，未能充分利用，利用率僅為13%～15%，不僅對城市環(huán)境造成巨大壓力，而且還限制了城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。在歐美發(fā)達(dá)國家，廢棄玻璃占城市固體廢棄物總量的4%～8%，回收率達(dá)到70%，回收的廢棄玻璃被廣泛用作輕集料或輔助膠凝材料。在國內(nèi)，由于回收措施、行政立法、分選加工技術(shù)和設(shè)備都存在一些問題，目前廢棄玻璃的回收利用率很低，大部分廢棄玻璃被當(dāng)作垃圾進(jìn)行處理。

2017年9月10日起，廈門市實施《廈門經(jīng)濟(jì)特區(qū)生活垃圾分類管理辦法》，在執(zhí)行該管理辦法以來，執(zhí)行效果顯著。該管理辦法的第二章第10條規(guī)定“可回收物，是指廢棄的紙張、塑料、金屬、紡織物、電器電子產(chǎn)品、玻璃等可資源化利用的物質(zhì)”，玻璃作為其中一種可回收物，在執(zhí)行該管理辦法以來，廢棄玻璃的回收量大幅增加，處理難度也越來越大。如何利用這些回收的廢棄玻璃，成為當(dāng)下需要解決的實際課題。

國內(nèi)外學(xué)者對廢玻璃用于混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能進(jìn)行了研究。柯國軍和王彥超[1]的研究表明：廢玻璃取代天然砂后，混凝土的工作性能提高，隨著廢玻璃摻量的增加，其和易性變化很大，廢玻璃可以配制流動性強(qiáng)的混凝土，可用于鋼筋密集的構(gòu)件。楊鳳玲等[2]的研究表明：以廢玻璃全部取代河砂制備的混凝土試件水泥石中的毛細(xì)孔隙被堿-硅反應(yīng)生成的膠體填充得較密實，使得7 d抗壓強(qiáng)度相對較高，但后期膠體會進(jìn)一步膨脹導(dǎo)致水泥石開裂，使得7 d齡期后抗壓強(qiáng)度會有所降低。當(dāng)取代率在25%以下時，混凝土的性能與天然砂混凝土一致。趙祖芳等[3]的研究表明：摻入廢棄玻璃使得混凝土的抗壓強(qiáng)度有一定程度的降低，但工作性能明顯提高；廢棄玻璃再生粗骨料和再生細(xì)骨料的最優(yōu)取代率為25%左右（單摻），且在此取代率下，混凝土的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。梁炯豐等[4]的研究表明：隨廢棄玻璃細(xì)骨料的取代率增加，混凝土拌合物的流動性和坍落度增大，而立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度總體呈降低趨勢，彈性模量先稍有提高后不斷降低，但取代率在20%以內(nèi)時，其強(qiáng)度與普通混凝土相差不大。王鳳池等[5]利用廢棄玻璃等質(zhì)量取代粗、細(xì)集料，研究了取代率及取代形式對混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：廢棄玻璃集料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨齡期延長的增長幅度高于普通混凝土；廢棄玻璃集料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粗骨料壓碎指標(biāo)的增大而提高。

另外一些學(xué)者對廢玻璃用于混凝土的長期性能和耐久性能進(jìn)行了研究。嚴(yán)建華等[6]的研究表明：玻璃的堿骨料反應(yīng)效應(yīng)隨其顆粒細(xì)度減小而減小，顆粒細(xì)度減小到一定程度，玻璃顆粒會產(chǎn)生火山灰活性且在低齡期時較為明顯。孟春陽等[7]的研究發(fā)現(xiàn)：廢棄玻璃混凝土與基準(zhǔn)混凝土的抗碳化性能相差不大，且具有較好的抗硫酸鹽和氯鹽侵蝕性能。王鳳池等[8]的研究表明：利用廢棄玻璃取代粗、細(xì)集料制成的玻璃混凝土，其內(nèi)部孔隙率降低、混凝土結(jié)構(gòu)密實，抗侵蝕性能增強(qiáng)。荀勇等[9]的研究發(fā)現(xiàn)：在使用廢玻璃作為骨料的混凝土中，摻入適量的偏高嶺土超細(xì)粉作為摻合料，可有效抑制堿-硅膨脹反應(yīng)，保證混凝土后期強(qiáng)度顯著增長。

本研究利用制砂機(jī)對回收的廢棄玻璃進(jìn)行破碎、分選，通過調(diào)整制砂機(jī)振動篩的篩孔尺寸和風(fēng)機(jī)的功率，制得粒徑、級配和微粉含量符合GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》要求的廢棄玻璃再生細(xì)骨料，并對其堿集料反應(yīng)進(jìn)行了試驗驗證，同時將廢棄玻璃再生細(xì)骨料以不同取代率取代機(jī)制砂，配制C20~C50混凝土，對混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性能進(jìn)行研究。通過試驗確定廢棄玻璃再生細(xì)骨料適用的混凝土強(qiáng)度等級范圍及最大取代率，研究結(jié)果可為制定福建省地方標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥（C）：閩福牌P·O42.5R水泥，其技術(shù)性能見表1。

表1 水泥的技術(shù)性能

（2）粉煤灰（FA）：福建漳州后石電廠收塵系統(tǒng)排放的Ⅱ級粉煤灰，其技術(shù)性能見表2。

表2 粉煤灰的技術(shù)性能

（3）礦粉（K）：福建三鋼S95級礦粉，其技術(shù)性能見表3。

表3 礦粉的技術(shù)性能

（4）細(xì)骨料（S1）：福建南安產(chǎn)機(jī)制砂，其技術(shù)性能見表4。

表4 S1機(jī)制砂的技術(shù)性能

（5）粗骨料（G）：福建南安產(chǎn)5～20 mm連續(xù)級配碎石，其技術(shù)性能見表5。

表5 碎石的的技術(shù)性能

（6）廢棄玻璃再生細(xì)骨料（S2）：利用回收的廢棄玻璃瓶，采用自有的制砂機(jī)進(jìn)行破碎制得，其技術(shù)性能見表6，外觀形貌見圖1。對其中的玻璃再生微粉進(jìn)行成分分析、粒度分析和微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果分別見表7、表8和圖2。分析可知：回收的廢棄玻璃化學(xué)成分以SiO2為主，破碎生成的玻璃微粉比表面積為443 m2/kg，與常用S95級礦粉的比表面積相當(dāng)；玻璃微粉D50=14.36 μm，粒徑分布以3～32 μm區(qū)間為主，占比47.589%，這個粒徑占比相比大部分水泥都要小很多；32～65 μm顆粒占比17.792%，大于80 μm的顆粒占比5.133%。大于32 μm以上的顆粒占比與大部分水泥相比要更高；玻璃微粉形貌多為不規(guī)則顆粒形狀，球形顆粒較少，且粗顆粒占比較高。

表6 廢棄玻璃再生細(xì)骨料的技術(shù)性能

表7 玻璃微粉的主要化學(xué)成分 %

表8 玻璃微粉的粒度分布

（7）外加劑：Point-200S聚羧酸高效減水劑（A1）和Point-S聚羧酸高性能減水劑（A2），其技術(shù)性能見表9。

表9 聚羧酸減水劑的技術(shù)性能

（8）拌合用水（W）：自來水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

1.2 試驗配合比

試驗研究了廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C20~C50普通泵送混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能的影響。C20~C50混凝土基準(zhǔn)配合比見表10，其中C20~C40混凝土使用Point-200S聚羧酸低濃度高效減水劑（A1），C50混凝土使用Point-S聚羧酸高性能減水劑（A2）。試驗過程中單方用水量保持不變，通過調(diào)整外加劑摻量控制受檢混凝土初始擴(kuò)展度與基準(zhǔn)混凝土擴(kuò)展度相差在±20 mm范圍內(nèi)。

表10 C20~C50基準(zhǔn)混凝土配合比

1.3 測試方法

（1）廢棄玻璃再生細(xì)骨料的堿集料反應(yīng)：按GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》進(jìn)行測試，包含快速堿-硅酸反應(yīng)及堿-硅酸反應(yīng)。

（2）混凝土拌合物性能：按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

（3）混凝土力學(xué)性能：按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

（4）混凝土耐久性能：按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢棄玻璃再生細(xì)骨料的堿集料反應(yīng)

將2批次廢棄玻璃再生細(xì)骨料進(jìn)行快速堿-硅酸反應(yīng)試驗，結(jié)果見表11。

表11 廢棄玻璃再生細(xì)骨料的快速堿-硅酸反應(yīng)試驗結(jié)果

將水泥堿含量分別調(diào)整至1.2%、1.8%、2.4%、3.0%，按照GB/T 14684—2011進(jìn)行堿-硅酸反應(yīng)試驗，結(jié)果見表12。

表12 廢棄玻璃再生細(xì)骨料的堿-硅酸反應(yīng)試驗結(jié)果

快速堿-硅酸反應(yīng)結(jié)果顯示，廢棄玻璃再生細(xì)骨料無潛在堿-硅酸反應(yīng)危害；堿-硅酸反應(yīng)結(jié)果顯示，60 d齡期時，水泥堿含量1.8%的試驗組出現(xiàn)了膠體外溢現(xiàn)象，判定有潛在堿-硅酸反應(yīng)危害，水泥堿含量1.2%的試驗組在90 d齡期以后試件收縮率已經(jīng)穩(wěn)定在0.02%，180 d齡期時仍未出現(xiàn)膠體外溢的現(xiàn)象，判定為無潛在堿-硅酸反應(yīng)危害。

2.2 廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土的常規(guī)性能

將廢棄玻璃再生細(xì)骨料分別以10%、20%、30%、40%等質(zhì)量取代機(jī)制砂，配制C20~C50混凝土，廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響分別見表13~表16。

由表13~表16可知，在廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代0~40%機(jī)制砂范圍內(nèi)：

（1）C20~C50受檢混凝土的初始坍落度和擴(kuò)展度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)時，1 h經(jīng)時坍落度比基準(zhǔn)混凝土增大5~30 mm，1 h經(jīng)時擴(kuò)展度比基準(zhǔn)混凝土增大20 mm以上，其中廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率為40%時，C30混凝土的擴(kuò)展度比基準(zhǔn)混凝土擴(kuò)展度增大150 mm，表明廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代一定比例的機(jī)制砂對混凝土的保坍性能有利。

表13 廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C20混凝土性能的影響

表14 廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C30混凝土性能的影響

表15 廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C40混凝土性能的影響

表16 廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率對C50混凝土性能的影響

（2）當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C20、C30時，與基準(zhǔn)混凝土相比，受檢混凝土的含氣量會隨著廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率的增加而增大，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級為C40、C50時，受檢混凝土含氣量比基準(zhǔn)混凝土略高，最大含氣量相差0.5~0.8個百分點。

（3）C20~C50受檢混凝土的泌水率與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。其中，C40、C50受檢混凝土與基準(zhǔn)混凝土的泌水率均為0。

（4）C20~C50受檢混凝土的7、28、60、90 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，各齡期抗壓強(qiáng)度相差最大為1.1 MPa，表明廢棄玻璃再生細(xì)骨料對混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有不利影響。

2.3 廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土的耐久性能

選取代表性C30、C50混凝土對收縮值、抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)、抗氯離子滲透系數(shù)、碳化深度和動彈性模量進(jìn)行測試，結(jié)果分別見圖3～圖6。

由圖3～圖6可知：

（1）廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率≤30%時，C30受檢混凝土各齡期收縮值與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，二者相差最大不超過50×10-6；取代率超過30%時，45 d、60 d等長齡期的混凝土收縮值明顯大于基準(zhǔn)混凝土；再生細(xì)骨料混凝土取代率≤20%時，C50受檢混凝土各齡期收縮值與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，二者相差最大不超過40×10-6。

（2）C30和C50廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土，在廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率≤40%時，與基準(zhǔn)混凝土相比，抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)最大相差4.5個百分點，碳化深度最大相差不超過0.6 mm，動彈性模量最大相差5.3%，均在試驗誤差范圍內(nèi)。

（3）廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率≤40%時，摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C30混凝土抗氯離子滲透系數(shù)均大于基準(zhǔn)混凝土，其中，取代率為20%時，受檢混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)最大為5.8×10-12m2/s，而基準(zhǔn)混凝土為4.9×10-12m2/s，比基準(zhǔn)混凝土增大了18.4%，表明摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C30混凝土，其抗氯離子滲透性能變差。

（4）廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率為20%時，C50混凝土的抗氯離子滲透系數(shù)為4.3×10-12m2/s，比C50基準(zhǔn)混凝土的4.1×10-12m2/s高4.9%；當(dāng)廢棄玻璃再生細(xì)骨料取代率為40%時，C50混凝土抗氯離子滲透系數(shù)為3.5×10-12m2/s，比基準(zhǔn)混凝土減小了14.6%，表明摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C50混凝土，其抗氯離子滲透性能變好。

3 結(jié)論

（1）廢棄玻璃再生細(xì)骨料在常規(guī)水泥低堿含量下，不會發(fā)生堿集料反應(yīng)，無潛在的堿-硅酸反應(yīng)危害。

（2）在取代率≤40%范圍內(nèi)，廢棄玻璃再生細(xì)骨料配制的C20~C50混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)、抗碳化性能、動彈性模量與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，而保坍性能總體優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。

（3）在取代率≤40%范圍內(nèi)，摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C30混凝土，其抗氯離子滲透性能比基準(zhǔn)混凝土差，而摻入廢棄玻璃再生細(xì)骨料的C50混凝土其抗氯離子滲透性能比基準(zhǔn)混凝土好。

（4）C30廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土在取代率≤30%時，混凝土各齡期的收縮值與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)；C50廢棄玻璃再生細(xì)骨料混凝土在取代率≤20%時，各齡期混凝土收縮值與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。超過上述取代率范圍，28 d齡期以后的混凝土收縮值明顯大于基準(zhǔn)混凝土。