废玻璃对砂浆和混凝土流变性能的影响.pdf

中国科技核心期刊 斩 建巍 废玻璃对砂浆和混凝土流变性能的影响 柯国军， 王彦超 ( 南华大学 城市建设学院， 湖南 衡阳4 2 1 0 0 1 ) 摘要： 将玻璃粉作为辅助胶凝材料替代砂浆中部分水泥， 其有利于提高拌合物流动性， 同时不同颜色、 不同粒径的玻璃粉对砂 浆流动性影响有差异； 将不同比例废玻璃渣替代混凝土中细骨料， 随着废玻璃渣掺量增加拌合物流动性呈减小趋势， 但仍符合规范 最低要求； 将废玻璃磨成较大颗粒替代混凝土中粗骨料， 随着替代量增加拌合物流动性呈变大趋势， 其有利于提高拌合物流动性。 关键词： 废玻璃： 辅助胶凝材料； 细骨料； 粗骨料； 流动性 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 0 7 0 0 1 6 0 4 I n flu e n c e o f wa s t e g l a s s o n t h e l i q u i d i t y o f mo r t a r a n d c o n c r e t e K E G u o j u n ， WA NG Y a n c h o d ( S c h o o l o f U r b a n C o n s t r u c t i o n ， U n i v e r s i t y o f S o u t h C h i n a ， He n g y a n g 4 2 1 0 0 1 ， Hu n a n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r o u l g h t h e e x p e r i me n t u s i n g w a s t e g l a s s a s s u p p l e m e n t a r y c e m e n t i t i o u s ma t e r i a l s t o r e p l a c e p a r t o f c e m e n t mo r t a r a nd t h e r e s u l t s s h o w t ha t i t p r o po s e s t o i mpr o v e t he l i q u i d i t y o f mo r t a r At t he s a me t i me ， d i f f e r e n t c o l o r a n d s i z e h a v e d i ffe r e n t i n fl u e n c e o n t h e l i q u i d i t y o f m o rt ar E x p e r i m e n t w i t h d if f e r e n t p r o p o rt i o n o f w a s t e gl a s s t o r e p l a c e fi n e a g g r e g a t e i n c o n c r e t e a n d t h e r e s u l t s s h o w t h a t w i t h i n c r e a s i n g d o s a g e o f w a s t e gl a s s t h e l i q u i d i t y o f c o n c r e t e p r e s e n t s a t r e n d o f s m al l e r ， b u t s t i l l m e e t s t h e r e q u i r e me n t s o f s p e c i fi c a t i o n I n s t e a d o f c o a r s e a g g r e g a t e w i t h g r i n d i n g w a s t e gla s s i n t o l a r g e r p a r t i c l e s ， t h e e x p e ri m e n t al r e s u l t s s h o w t h a t a s t h e a l t e r n a t i v e t o i n c r e ase t h e l i q u i d i t y o f c o n c r e t e p r e s e n t s a t r e n d o f l a r g e r a n d i t i mp r o v e s t h e l i q u i d i t y o f c o n cr e t e Ke y wo r d s ： w a s t e g l a s s ； s u p p l e me n t a r y c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s ； fi n e a g g r e g a t e ； c o a r s e a g g r e g a t e ； l i q u i d i t y O 引言 目 前， 随着世界工业化发展， 产生 越来越多的固 体垃圾， 其中 废玻 璃约占7 t” 。 世界废玻璃平均回 收率约5 0 ， 德国 回收率最高接近9 7 ， 而我国仅为1 3 左右， 远低于世界水 平 翻 。 用废玻璃替 代混 凝土中的 骨料 既可以 解决 废玻 璃垃 圾 污染问题， 又有利于环保， 减少二氧化碳排放量， 推动环保建 筑的发展 翻 。辅助胶 凝材料是混凝土中必不 可少的 成分， 它 们 通过混凝土的微观结构作用， 提高混凝土的力学性与和易性。 当废玻璃磨到一定细度也可以作为辅助胶凝材料4 1 ， 同时废玻 璃磨到 一定粒 径也可以 替代水 泥拌合物中的 粗细骨 料 。 一 方面， 可以 改善水泥砂浆的和易性与耐久性； 另一 方面， 废玻 基金项目： 国家自 然科学基金项目( 5 1 3 7 8 2 4 7 ) ： 湖南省科技计划 资助项 目( 2 0 0 9 C k 4 0 2 0 ) ： 湖南省高校创新平台开放基金资助项目( 1 2 k 0 9 2 ) 收稿 日 期： 2 0 1 3 1 2 1 0 作者简介： 柯国军， 男， 1 9 6 4年生， 湖北黄梅人， 教授， 硕士生导师， 研 究方向高性能混凝土及固体废渣利用。E m a i l ： k e g j 3 2 0 s i n a c o rn。 l 6 新型建筑材料 2 0 1 4 7 璃 粉的 使用可以 减少水泥的用 量， 进而降低 经济成本。 玻 璃粉 呈无规则状， 表面光滑， 填充在水泥颗粒之间， 由于其吸水率 较低， 进而增强了水泥砂浆的流动性 。有研究 1 1 将废玻璃 粉用在 混凝土中 由于 废玻璃的 零吸水率， 可提高水泥拌合物 的 和易 性。 但是很多研究也发 现， 掺入废玻 璃粉之后， 水泥 砂 浆的工作性能并没有变好， 流变性能相反会变差。 这主要是因 为不同 颜色、 粒径的废玻璃粉对水泥砂浆的影响不同， 废玻璃 粉的平均粒径对水泥砂浆流变性能的 影响 也存在一个极值， 当粒径大于它时会提高流动性， 反之就会降低其流动性， 也就 是说一个最优尺寸的颗粒， 可以得到一个最大的堆积密度值， 进而得到一个最大的流动度。 1 废玻璃粉作为辅助胶凝材料 废玻璃粉作为辅 助胶凝材料时 可发生火山灰反 应， 增强 水 泥拌 合物的 力学性能， 延长初凝时间。 为研究其对水 泥拌 合 物流动性能的 影响， 本实验采用P 0 4 2 5 水泥、 标准砂、 当 地 自 来水， 玻璃粉是由回收站收购的白 色、 绿色、 棕色废玻璃瓶 经破碎机破碎、 碾磨得到， 3 种颜色、 不同 粒径玻璃粉的 物理 性质见表 l 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 柯国军， 等： 废玻璃对砂浆和混凝土流变性能的影响 表 1 3种颜色、 不同粒径玻璃粉的物理性质 分别用不同颜色、 不同粒径的玻璃粉作为辅助胶凝材料 替代水泥质量 3 0 ， 水胶比为0 5 ， 研究废玻璃粉对水泥砂浆 流变性能的影 响。 砂浆制备 按G B T 1 7 6 7 1 -1 9 9 9 水 泥胶砂强 度检验方法( I S O法) 有关规定进行， 在制备砂浆的同时用棉 布擦拭跳桌台、 试模内壁、 捣棒以及与砂浆接触的用具， 跳动 完毕用卡尺测量砂浆平面互相垂直的2 个方向的直径，并计 算平均值， 结果见表2 。 表2 不同颜色、 不同粒径废玻璃粉对砂浆流动度的影响 从表2 可以看出， 在水胶比、 废玻璃粉掺量相同 情况下， 使用白 色与棕色废玻璃 粉的 砂浆流动性随着 废玻 璃粉粒径减 小 而增大； 而 使用 绿色废玻 璃粉的 砂浆流动 度随废玻 璃粉粒径 减小而减小， 但均比基准组流动度大。这些结果表明， 废玻璃 粉作为辅助胶凝材 料掺入水泥中 ， 可以 提高砂浆的 流动度。 废玻璃粉掺入砂浆中影响流动度可从2 个方面解释： 其 一 ，废玻 璃粉相对水泥， 吸水率极低， 在相同 的水胶比 下， 含有 废玻璃粉砂浆中自由 水的 含量偏大， 进而使其流动 度增 大； 其 二， 3 种颜色废玻 璃粉的 粒径均小 于水泥颗粒细度， 废玻璃粉 填充在水泥颗粒之间， 改善了胶凝材料粉末的颗粒级配， 减小 水泥颗粒间相对滑移时的阻力， 有利于改善浆体的流动性。 1 1 数据分析 根据表2 数据， 以废玻璃粉粒径和砂浆流动度分别为 轴、 y 轴 进行回 归分析， 得 到在一定粒径范围内 废玻 璃粉粒 径 与砂浆流动性 之间的 线性关系与回归 方程， 结果 见图1 。 图 1 不同颜色废玻璃粉粒径与砂浆流动度的线性关系 经分析， 白 色废玻璃粉的回归 方程为： y = 2 5 3 0 2 9 0 9 1 x 绿色废玻璃粉的回归方程为： y = 1 4 4 9 + 0 5 4 5 4 6 x 棕色废玻璃粉的回归方程为： y = 2 】 9 5 0 0 9 0 9 1 x 根据回归特性和回归方程可看出， 在水胶比、 掺量一定的 情况下， 使用白色和棕色废玻璃粉砂浆的流动性均随粒径减 小而增大；而使用绿色废玻璃粉砂浆的流动性随粒径减小呈 减小 趋势， 但均大于基准砂浆的流 动性， 说明 废玻璃粉掺入到 砂浆中有利于提高其流变性能。 1 2 理论分析 研究废玻璃 砂浆流动性的 实质是 砂浆 在流动时 的临界流 速问题， 也就是保证砂颗粒在流动时不发生沉淀的最低流速。 由 于废玻璃砂浆的流 动属于固 液两相流，因 此可用固 液两相 流的 相关公式计算模 拟， 根据流体中的固 液两相流理论， 保证 砂浆中的固 体颗粒在 混合物中 悬浮，必须 满足砂浆流动时在 垂直方向上的流速大于颗粒的沉降速度。 废玻璃粉属于非圆 球形固 体颗粒，可 用雷廷格系 列公式 计算固 体颗粒的 沉降 速度， 即 = 、 ( 1 ) p o 式中： 固 体颗粒沉降 速度， m s ； C 试验值， 对于平均粒径 0 0 0 1 6 m 、 密度p I 2 6 m 的固体颗粒， C s = 9 2 i n q s ； 固体颗粒的粒径， m ； p 一 固体颗粒的密度， g c m 。 ； p c_一 介质( 水泥浆) 的 密度， g c m 。 垂直脉动速度分量为： 厂 _ 可 s -13 V 1+ 1 7 2 (y -r ) j ) 式中： Js ， 一 垂直脉动 速度分量， I Ils ； 水平流速， 常用平均流速表示， m s ； 卜试验常数， 一 般取1 5 2 0 ； A 一 阻力系数， 一般取0 0 2 ； N E W BUI L DI NG M ATE R I AL S 1 7 猫脚 脚 猫瑚 目 冷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 柯国军， 等： 废玻璃对砂浆和混凝土流变性能的影响 ， 水平脉 动速度与 脉动速 度的 关系系数； 广沉降量， m ； r管壁半径， m 。 固体颗粒悬浮的条件是 ， Js ， 当用玻璃粉作为辅助胶凝 材料时， 由于此实验中的玻璃粉平均粒径小于水泥粒径， 同时 玻璃粉密度小于其它胶凝材料， 相对降 低 值， 进而使砂浆 。 流动度增大。 对于相同 粒径、 不同 颜色 废玻璃粉砂浆流动性的 差异， 主 要因为 不同 颜色玻 璃中 添加的 金属氧化物不同， 改变 了玻璃的硬度， 从而使相同粒径、 不同颜色玻璃粉的比表面积 产生差异， 进而使砂浆中的自由 水含量不同， 导致砂浆的流动 度不同。 2 废玻璃替代细骨料 当废玻璃渣替代混凝土中细骨料时， 其流变性和力学性能 会发生一定变化。C h e n 等 为， 废玻璃混凝土后期抗压强度 明 显增大， 但拌 合物流变 性会随 废玻璃 粉掺量的 增加而减小； M e t w a ll y I q 也 指出， 废玻璃粉替代混凝土中细骨料后， 拌合物 的和易性会随之降低， 但后期力学性能会加强。 为研究废玻璃渣替代细骨料时水泥拌合物的流动性变 化， 根据Z a i n a b Z I s m a i l 等 啪理 论， 实验 采用P 0 4 2 5 水泥， 比表面积为2 6 9 5 0 m 2 k g ，其化学成分和物理性能见表3 ； 砂 为当地自然砂， 最大粒径4 7 5 m m ； 废玻璃由回收站收购， 并 将其磨碎成颗粒状， 砂与废玻璃渣的粒径分布见表4 ； 石为天 然石子， 最大粒径2 0 m i l l ， 密度 1 5 4 5 k g m 。 表 3 水泥的化学成分和物理性能 化学成分， 凝结时间 rai n抗压强度 MP a C a O S i 2 0 A 1 2 0 3 F e 2 0 3 S O 3 M g O初凝终凝 3 d 7 d 6 4 4 3 2 1 1 4 57 8 3 5 9 2_ 3 5 1 5 2 2 o 0 2 5 5 2 49 6 3 O 8 O 废玻璃渣分别以0 、 1 0 、 1 5 、 2 0 取 代天然砂， 按G B T 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 通混凝土拌合物性能试验方法标 准 测试拌 合物的坍 落度， 结果见图2 。 由 图2 可以 看出， 拌合 物坍落度随 废玻璃掺量增 加而 减 小。 废玻璃混 凝土 坍落度的 降低可能与 玻璃颗粒的 几何形 状 有关， 当 玻璃颗粒粒径与砂子相 差不大时， 玻璃颗粒表面的棱 角多于 砂子， 一方面， 增大比 表面积， 降低拌合物中的自由 水 含量， 使坍落度减小； 另一方面， 多棱角的几何形状不利于颗 l 8 新型建筑材料 2 0 1 4 7 图 2 废玻璃掺量对混凝土拌合物坍落度的影响 粒的 流动， 宏观上表现为坍落度的降 低。 尽管废玻 璃混凝土的 流动性降低， 但其和易性依然符合G B 厂 r 5 0 0 8 0 -2 0 0 2的要求。 P a r k 等嘲 、 T o p c u 和C a n b a z 】也指出， 随着废玻璃粉替代细骨料 量的增大， 拌合物的流动度随之减小。 3 废玻璃替代粗骨料 当废玻璃磨成较大颗粒替代粗骨料时， 由于其与天然石子 的 不同 会导 致拌合 物的 流 动性发生 显著变 化。 为研究 废玻 璃替 代粗骨料时拌合物流动性能变化， 依据文献【 1 o 的 观点， 实验 将收集的各种颜色废玻璃混合粉磨， 分别以1 5 、 2 5 、 5 0 、 7 5 、 1 0 0 替代拌合物中的粗骨料。粉磨后废玻璃粗骨料的 物理性能见表5 ， 粒径分布见表6 。采用P 0 4 2 5 水泥和当地 天然砂， 拌合物配合比见表7 。 表 5 废弃玻璃粗骨料的物理性能 表6 废玻璃粗骨料与石子的粒径分布 废玻璃 材料用量， I 【 g 砂率 取 代 率 _ 吾 _ G B T 5 0 0 8 0 - - 2 0 0 2 测试拌合物的坍落度和扩展度， 结 果分别见图3 、 图4 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 柯国军， 等： 废玻璃对砂浆和混凝土流变性能的影响 图3 废玻璃粗骨料取代率对混凝土拌合物坍落度的影响 图 4 废玻璃粗骨料取代 率对 混凝土拌合物扩展度 的影响 由图3 、 图4 可以看出， 随着废玻璃取代天然粗骨料取代 率的增加， 拌合物的坍落度与扩展度有明 显的 提高。 最高时 相对坍落度、 扩展度分别提高7 5 、 3 4 。由于玻璃粗骨料的 这种性质， 可将废玻璃应用于混凝土中改善其和易性。 废玻璃替代 粗骨料时和易性 变大的 原因， 首先是 废玻璃 颗粒吸水率低， 相对透水性较天然石子高， 进而使拌合物中的 自由水含量相对基准混凝土变大， 使得拌合物坍落度、 扩展度 变大； 其次是边界问题， 废玻璃粗颗粒表面较天然石子光滑， 致使拌合物颗粒之间的屈服粘结力变小，进而使拌合物水平 方向 扩 展力 相对阻力变大， 最终使 坍落 度、 扩展 度变大。 4 结论 ( 1 ) 在水胶比不变条件下， 相同掺量、 不同粒径的废玻璃 粉作为辅助胶凝材料时， 均能提高水泥砂浆的流变性能。 对于 不同颜色的废玻璃粉， 其流变性提高幅度有所不同。 废玻璃粉 为白 色与棕色时， 砂浆流变性会随 其粒径减小而变大； 废玻璃 粉为 绿色时， 砂浆流变性会随 其粒径减小而变小， 但均优于基 准砂浆。 (2 ) 当 废玻璃渣替代混 凝土中的 细骨料时， 由 于玻璃 颗粒 的几何原因，拌合物的流变性会随着废玻璃渣掺量的增大而 减小， 但符合G B 厂 I 5 0 0 8 O 一2 0 0 2 的要求。 ( 3 ) 废玻璃 粗颗粒替代混凝土中 粗骨料时， 拌 合物和易性 随 着废玻璃颗粒掺量增 加而 变大。 参考文献： 【 1 】 T o p c u I B， C a n b a z MP r o p e r t i e s o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g g l a s s Ce me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 0 4， 3 4( 2 )： 2 6 7 2 7 4 2 】 徐美君 废玻璃的回收与利用 J 】 玻璃与搪瓷， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 3 7 4 2 3 】 姜波， 樊云昌， 金树新 玻璃混凝土玻璃骨料混凝s L J 石家 庄铁道学 院学报 ， 2 0 0 1 ， 1 4( 2 ) ： 5 0 5 4 4 】 S c h w a r z N， N e i t h a l a t h NI n f l u e n c e o f a fi n e g l a s s p o w d e r o n e e me n t h y d r a t i o n ： Co mp a r i s o n t o fl y a s h a n d mo d e l i n g t he d e gre e o f h y d r a t i o n 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 8 ， 3 8 ( 4 ) ： 4 2 9 - 4 3 6 5 】 N i s h i k a w a T ， T a k a t s u M， D a i m o n M F r a c t u r e b e h a v i o r o f h ard e n e d c e me n t p a s t e i n c o r p o r a t i n g mi n e r a l a d d i t i o n s J 】 C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 5( 6 )： 1 8 2 4 【 6 S H I C a i - j u n ， WU Y an z h o n g ， RI E F L E R C ， e t C h ara c t e ri s t i c s a n d p o z z o l ani c r e a c t i v i t y o f g l a s s p o w d e r s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 5， 3 5： 9 8 7 9 93 7 】 S c h w a r z N ， C a m H ， N e i t h al a t h N I n fl u e n c e o f a fi n e gl a s s p o w d e r o n t h e d u r a b i l i t y c h ara c t e ris t i c s o f c o n c ret e and i t s c o mp a r i s o n t o fl y a s h J C e me n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e ， 2 0 0 8 ， 3 0 ： 4 8 6 4 9 6 8 】8 S a n g h a C M， A l ani A M， Wald e n P J R e l a t i v e s t r e n g t h o f g r e e n g l a s s c u l l e t c o n c r e t e J Ma g C o n c r R e s ， 2 0 0 4 ， 5 6( 5 ) ： 2 9 3 2 9 7 【 9 P ark S B ， L e e B C ， K i m J H S t u d i e s o n m e c h ani c al p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e c o n t a i n i n g w a s t e g l a s s a g gre g a t e 【J 】 C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ： 2 1 8 1 2 1 8 9 【 1 O 】 刘光焰， 秦荣， 土晓峰废玻璃粗骨料混凝土的施工性能和强度 试验研究 J 】 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 1 2 1 1 2 4 1 1 C h e n G， L e e H， Y o u n g K L ， e t a 1 G l a s s r e c y c l i n g i n c e m e n t p r o d u c t i o n an i n n o v a t i v e a p p r o a c h J Wast e Ma n a g e m e n t ， 2 0 0 2 ， 2 2 ： 7 4 7 7 5 3 【 1 2 】 X i e Z， X i Y U s e o f r e c y c l e d g l ass as a r a w ma t e ri a l i n t h e m a n u f a c t u r e o f P o l and C e m e n t J Ma t e r S t r u c t ， 2 0 0 2 ， 3 5 ： 5 1 0 51 5 【 1 3 C h e n C H， Wu J K， Yang C C Wast e E g l a s s p a r t i c l e s u s e d i n c e me n t i t i o u s mi x t u r e s J C e me n t and C o n c r e t e R e s e arc h ， 2 0 0 6 ， 3 6 G) ： 4 4 9 - - 4 5 6 【 1 4 】 Me t w a l l y I MI n v e s t i g a t i o n s o n t h e p e rf o r manc e o f c o n c ret e ma d e w i t h b l e n d e d fi n e l y m i l l e d w ast e g l ass 【j 】 Ad v a n c e s i n S t r u c t u r al E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 1 ) ： 4 7 5 3 1 5 】 I s m a i l Z Z ， A L H a s h m i E A R e c y c l i n g o f w a s t e gl ass as a p a r t i al r e p l a c e me n t f o r fi n e a g g r e g a t e i n c o n c r e t e【 J Wast e Ma n age m e n t ， 2 0 0 9 ， 2 9 ( 2 ) ： 6 5 5 - 6 5 9 A N E W B UI L DI NG MAT E R I A L S 1 9 伽伽渤姗咖枷 m 目 噬 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m