废弃玻璃在混凝土中的应用研究及探讨.pdf

废弃玻璃在混凝土中的应用研究及探讨 袁雪莲 ，胡杰 ( 1 河海大学文天学院，安徽 马鞍山 2 4 3 0 0 0 ； 2 马鞍山中鑫工程质量检测咨询有限公司，安徽 马鞍山 2 4 3 0 0 0) 摘 要 ：文章综述了国内外废弃玻璃用于混凝土的研究及应用现状，指 出目前研究的匮乏以及限制其应用的碱骨料反应问题 ， 提 出了可能的预防 措施及今后的研 究方向， 认 为废弃玻璃作为混凝土细骨料及掺合料均是可 行的， 碱骨料反应的发生与玻璃粒径有密切关系，磨细的玻璃粉能一定程 度地抑制碱骨料反应，并探讨了废玻璃用于碱胶凝材料的可行性。 关键词 ：废弃玻璃； 碱骨料反应； 膨胀；混凝土 中图分类号 ：T U 5 2 8 5 9 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 2 4 5 0 3 D Ol ：1 0 1 6 3 3 0 c n k i 1 0 0 7 7 3 5 9 2 0 1 6 0 3 0 8 9 1 概 述 在城市垃圾 中， 废弃玻璃占有很大 比例 。中国城 市固体废料中有 6 l 1 为废玻璃 ， 全球固体废渣 中有 7 为废玻璃口 。将大量 的废玻璃弃之不用 ，既 占用宝贵的土地 ，又污染环境。 在玻璃制造业， 废玻璃的再利用可以降低生产能 耗、减少原料消耗，但要求再利用之前按颜色分选 ， 同时要去除玻璃上的粘胶 、 标签及容器内的残 留物等 杂质， 因此废玻璃常因杂质、 混色和成本等方面的原 因， 不能顺利地用于生产新玻璃 ， 其再利用能力有限。 我国基础设施建设规模空前，天然集料 日益短 缺。玻璃的主要化学成分为 S i O 、C a O、N a 0、A I 0 ， 与天然砂性质相似 ，经破碎后具有天然砂 的物理性 能。 混凝土对玻璃颜色没有苛刻要求， 允许杂质含量 有一定的波动 ， 玻璃的前期处理成本相对较低 。 另外 ， 混凝土是大综土木工程材料 ， 再利用量大 ， 将废玻璃 用于工程材料中是大量处理废玻璃的最佳途径。 因此 在废 旧玻璃排放量 日益增加的形势下 ， 研究将废弃玻 璃替代 天然集料来配制混凝土的思想 ， 符合可持续发 展的宏观经济战略。 作者简介 ：袁雪莲 ( 1 9 8 7 一) ，女 ，广东云浮人 ，毕业于河海大学，硕士； 助教，主要从事土木工程方面的教学工作。 2 废玻璃在混凝土中的研究概况 2 1废玻璃用作混凝土骨料的研究 废玻璃用作骨料时，若粒径大于 3 m m， 操作很 困难， 必须使用厚手套， 且拌和时容易发生断裂； 当 粒径低于 2 5 mm， 外观上 已经看不出来是玻璃 ， 而是 有棱有角的不规则形状 。因此 ， 从混凝土的易操作性 和工作性考虑 ，废玻璃适宜用作细骨料。 上世纪 6 0年代西方发达国家开始了用废弃玻璃 作混凝土骨料的研究， 但混凝土均出现了碱骨料反应 膨胀破坏 ， 而当时对碱骨料反应的机理和抑制措施的 研究还处于起步阶段 ， 这导致废玻璃用于混凝土的研 究几乎陷入停滞 p 。到了 9 0年代 ，西方发达国家开 展 了新一轮将废玻璃用于混凝土的研究热潮 ， 并取得 了许多可用于实践的研究成果 。 美 国哥伦比亚大学系 统的开展了将废玻璃骨料应用于预制混凝土制品的 专题研究 ， 并批量生产了相应的抛光预制玻璃混凝土 墙面砖 。美国巴尔的摩最先使用玻璃沥青混凝土 作为路面材料， 其优良l生 能和耐久生 令设计者本身都 感到惊讶。 大量研究表明，以废玻璃取代砂子制备混凝土， 是完全可行的 ， 混凝土的早期性能并不会受到明显的 影响。当取代率低于 5 0 时， 后期膨胀率较小， 且上 升缓慢，使得内部结构较为紧密；取代率高于 5 0 时 ， 后期膨胀率不断增加 ， 增幅很大 ，反而会破坏原 有水泥石的紧密结构， 使力学性能受损， 因此玻璃取 代砂不宜超过 5 0 。同时， 废玻璃作为细骨料， 混凝 土抗压强度、 抗拉强度和抗弯强度有随着玻璃含量增 加而减少的趋势。 然而， 目前国内外还没有形成一套关于玻璃作为 细骨料能满足混凝土基本性能的具体标准，究其原 臣 口 塔 ： j 剖 U 盈 口 濮 茹 ： 辞 I 辇 囫 因， 依旧是碱骨料反应这一难题。因此， 如何更有效 地控制碱骨料反应成为玻璃混凝土发展的关键技术 。 2 2玻璃用于混凝土 中的碱骨料反应问题 由于玻璃中含有大量活性 的二氧化硅和碱 ， 将废 玻璃用于 昆 凝 土中可能会引起碱骨料反应导致膨胀 破坏。然而， 近年来的研究表明， 废玻璃掺入混凝土 中会否产生 A S R膨胀破坏受诸多因素的影响，目前 研 究 最 多 的是 玻 璃 粒径 大 小 和 掺 量 的影 响 。J i n We i h u a 等人在研究 中指出，白玻璃和棕玻璃骨料均 存在最差粒径 ，分别为 1 1 9 m m2 3 8和 2 3 8 mm 4 7 6 m m，绿色玻璃不存在最差粒径。当玻璃粒径逐 渐减少靠近最差粒径时 ， 膨胀值逐渐增大 ，当为最差 粒径时 ，膨胀值达到最大值 ，当玻璃粒径再减少时 ， 膨胀值又会继续减少 。因此 ， 若玻璃粒径足够小 ，碱 骨料反应 的程度会减小甚至不发生 。 推测其原因主要在于： 通过破碎、 研磨等方式使 粒径小到一定程度会使玻璃产生一系列物理化学变 化 ，如比表面积增大 、无规则 网络结构解体 、化学键 断裂等 ， 从而玻璃 自身含有的二氧化硅化学活性得到 提高 ，在水泥水化产物 c a( O H) 的激发下 ，生成 C S H凝胶 ，c S H凝胶不会吸水膨胀 ，可以提高 强度和密实度 ，同时对碱有很强的吸收能力 ， 使后续 的碱骨料反应因缺少碱离子的参与而反应程度降低 甚至无法进行 。因此 ， 在混凝土中使用粒径足够小的 玻璃时 ， 混凝土不会产生碱骨料破坏。这一发现为解 决玻璃混凝土的碱骨料反应问题提供了一个很好的 出路 。 2 3废玻璃用作混凝土掺合料的研究 由于在混凝土中使用粒径足够小的玻璃时， 混凝 土不会产生碱骨料破坏， 所以将磨细的玻璃粉用作混 凝土掺合料是可行的。这方面的研究在国内开展较 少，国外有不少学者对其进行过研究工作。 加拿大 M c G i l l 大学的 S h a o Y 等人在研究中指 出：把1 5 07 5 1 1 q 、7 5 3 8 m、3 8 m 以下这 3 种粒径 的玻璃微粉作为火山灰组分按 3 0 掺量添加 到混凝土中，结果显示 ：掺有 3 8 IT I以下玻璃微粉 的试样抗压强度满足 7 d测试的最低要求，9 0 d时已 超过基准混凝土 ； 1 5 0 m的则远低于 7 d测试的最低 要求 ，原因在于其粒径太大达不到火山灰材料的要 求；7 5 m的 7 d 要求没有达标，但 2 8 d 强度达到了 测试要求 。而与粉煤灰 的对比中， 掺有玻璃粉的试样 早期强度和后期强度均比掺粉煤灰的高。 S h i C 等人 在 2 0 0 5年发表的研究成果也支持了这一说法 ，认为 磨细到 5 0 m 以下的玻璃粉添加到混凝土中会表现 出一定的火山灰活性，其试样强度远超含有粉煤灰 的，且强度发展趋势惊人 。 另外 ， 上面曾提到过绿色玻璃没有最差粒径 ， 而 这一现象被认为与绿色玻璃中所含的使其呈现绿色 的 C r 2 0 有关。研究发现 ，当把 C r 2 0 ， 作为外加剂直接 添加到混凝土中， 会促进碱骨料反应的发生， 导致膨 胀的增加，而将 C r ： O 作为化工原料加入玻璃中，却 能起 到抑制碱骨料反应 的作用 。这一现象支持 了 P r e z z i 等人的假设 ：由双电层排斥作用导致 的膨胀 压与离子化合价成反比， 因此包含 c r 的胶粒就表现 出较小的膨胀性。 可以预见， 磨得很细的绿玻璃有可 能成为一种廉价的碱集料反应抑制剂用于混凝土 中， 且抑制效果随其粒径的减小而增大。 在我国废弃玻璃 中绿色啤酒瓶 占了相当大 的比例 ， 这一发现为绿色废 弃玻璃的回收利用找到了一条新出路。 因此 ， 为了扩大废玻璃 的再利用率 ， 我们可以尝 试把玻璃用作细骨料与玻璃粉用作掺合料相结合应 用于混凝土中， 以微玻璃粉的火山灰效应来抑制玻璃 的碱集料反应 ， 即废弃玻璃可以以粗细相结合 的形式 用于混凝土中， 但应该注意的是 ， 作为细骨料 的玻璃 掺量不宜过大 。 3 废玻璃用于碱激发胶凝材料中的探讨 碱激发胶凝材料是 由具有火 山灰活性或潜在水 硬性 的原料与碱性激发剂反应而成 的一类绿色环保 的新型胶凝材料。 尽管碱胶凝材料与传统水泥相比具 有快凝、 高强和优良的耐热、 耐冻、 耐腐蚀性等性能， 但其本身也存在许多问题， 如收缩较大、 易开裂、 凝 结时间不好控制等，且其耐久性以及抗变形能力较 差。尽管这些问题可 以通过一定的方式改善 ， 但是难 以达到两全其美 的效果。 目前碱激发胶凝材料 中潜在胶凝材料组分使用 较为广泛的是粒化高炉矿渣及粉煤灰 ， 与碱性激发剂 组成碱矿渣水泥或碱矿渣粉煤灰水泥。 然而碱矿渣水 泥在相 同环境条件下的干缩达到 了普通硅酸盐水泥 的 1 21 9倍 ” ， 容易引起硬化体开裂 ， 严重制约了 其应用与推广。近年来 ， 开始有学者把膨胀剂与碱矿 渣水泥结合使用， 但是膨胀剂的使用效果受到诸多因 素的影响， 质量难以得到保障， 因此， 一些早就开发 出膨胀剂的国家 ，如 日本 、法 国等都只在接缝处理 、 灌浆时才使用 ，而不允许用于结构混凝土中。 基于玻璃混凝土以及碱矿渣水泥的特性， 可以尝 试把废弃玻璃用于碱矿渣水泥基材料中。 碱骨料 的早 期膨胀值不大 ，可以使混凝土结构更加致密 ，1 4 d以 后，反应继续进行，生成的 A S R胶体进一步膨胀， 且膨胀上升幅度逐渐增大， 而碱矿渣水泥应用的主要 问题是后期收缩较为严重，若把二者结合起来使用， 以玻璃 的碱骨料膨胀来减少或补偿碱矿渣水泥所引 起的收缩 ， 则有可能既减轻后期的碱骨料膨胀 ， 又能 解决碱矿渣水泥的收缩问题，使得后期强度得到保 证。目前国内外关于这方面的研究极少， 尚有待进行 深入的研究。 4 结论与展望 废玻璃作为一种资源， 将其用于建筑材料中是大 量处理废玻璃 的最佳途径。 通过以上分析可 以得 出以 下结论。 废玻璃用作混凝土的细骨料以及矿物掺合料 均是可行 的。 玻璃粒径大小对混凝土碱 骨料反应的影响十 分显著，如能将玻璃磨细至 5 0 in以下，碱骨料反 应引起 的破坏通常可以避免。 可以尝试粗细结合的形式把玻璃用作细骨料 与玻璃粉用作掺合料相结合用于混凝土中， 以玻璃粉 的火山灰效应来抑制玻璃的碱骨料反应 。 磨得很细的绿玻璃有可能成为一种廉价的碱 骨料反应抑制剂 ，且抑制效果随其粒径 的减小而增 大。 废弃玻璃用于碱激发胶凝材料具有一定的可 行性 ， 可以尝试以玻璃 的碱骨料膨胀来减少或补偿一 般碱胶凝材料所存在的收缩问题。 在当前倡导科学发展观 、 加快建设节约型社会和 鼓励发展循环经济的背景下 ， 我 国应充分吸取发达国 家的成功经验， 加快研究步伐。 今后在废玻璃混凝土 的研究 中，应对 以下方面作进一步探讨 ： 废玻璃混凝土其它性能的研究， 特别是微观结 构、应力一应变关系 、耐久性等的研究 ； 惟有较好地解决碱集料反应这一问题 ， 玻璃混 凝土才有可能更广泛应用， 应努力寻找多元化的途径 进一步解决该问题； 确定适用于玻璃混凝土的新的评价方法和评 价指标 。 参考文献 1 刘连新利 用废玻璃研制轻粗骨料及轻混凝土 J 】 新型建筑材料 ，2 0 0 2 ( 2 ) ：1 6 1 7 2 T o p c i B ， C a n b a z M P r o p e rt i e s o f c o n c r e t e c o n t mn i n g w a s t e g l a s s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 4 ，3 4( 2 ) ：2 6 7 2 7 4 3 S h i C，Z h e n g K A r e v ie w o n t h e u s e o f w a s t e g l a s s e s i n t h e p r o d u c t i o n o f c e m e n t a n d c o n c r e t e J 】 R e s o u r c e s ，C o n s e r v a t i o n a n d R e c y c l i n g ，2 0 0 7 ， 5 2( 2) ：2 3 4 2 4 7 4 M e y e r C ， B a x t e r S U s e of R e c y c l e d G l a s s f o r C o n c r e t e M a s o n r y a n d B l o c k s Co l u mb i a Un iv e r s i t y Fi n a l Re p o r t t o Ne w Yo r k S t a t e E n e r g y R e s e a r c h a n d De v e l o p me n t Au t h o rit y，No v 1 9 9 7 5 M e y e r C D e v e l o p me n t of G l a s s C o n c r e t e P r o d u c t s ，C o l u m b i a U n i v e r s i t y F i n a l Re p o rt t o Ne w Yo r k E mp i r e S t a t e De v e l o p me n t ，Ma r c h 1 9 9 9 6 J i n W ， M e y e r C ， B a x t e r S “ G l a s s c r e t e ” 一C o n c r e t e w i t h G l a s s A g g r e g a t e ACI Ma t e r i a l s J o u r n a1 2 0 0 0 7 S h a o Y，L e fo r t T，Mo r a s S ，e t a 1 S t u d i e s o n c o n c r e t e c o n t a i n i n g g r o u n d w a s t e g l a s s e s C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 0( 1 ) ：9 1 1 0 0 【 8 S h i C，Wu Y，R i e fl e r C，e t a1 C h ara c t e ri s t ic a n d p o z z o l a n i c r e a c t i v i t y o f g l a s s p o w e r s C e me n t C o n c r e t e R e s e a r c h ，2 0 0 5( 9) ：8 7 9 3 9 1 B a x t e r S Z ，Me y e r C ，a n d J i n W “ U s e o f Wa s t e r G l a s s i n C o n c r e t e ” P I U S P a t e n t N o 5 ，8 1 0 ，9 2 1 ，U S P a t e n t O ffic e ，Wa s h i n g t o n ，D C S e p 2 2， 1 9 9 8 1 0 P r e z z i M，M o n t e i r o P J M，S p o s i t o G ” T h e A l k a l i S i l i c a R e a c t i o n ， P a r t I：Us e o f Do u b l e - L a y e r Th e o ry t o Ex p l a i n B e h a v i o r o f R e a c t i o n P r o d u c t G e l s ” A C I Ma t e r i als J o u r n a l ，1 9 9 7( 1 ) ：l 0 一 l 7 1 1 廖佳庆碱矿渣水泥与混凝土化学减缩和干缩行为研究【 D 】 重庆 ：重 庆大学 ，2 0 0 7 臣 塥 ： 毒 一 日 团