掺废玻璃的自密实混凝土性能研究.pdf

总656期2023年第26期（9月 中）收稿日期：2023-04-04作者简介：焦晓兵（1986），男，山西临猗人，工程师，研究方向为道路与桥梁施工。掺废玻璃的自密实混凝土性能研究焦晓兵（山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030012）摘要：为明确废玻璃骨料（WGA）对自密实混凝土（SCC）的流动性和力学性能的影响，通过添加不同比例的WGA来取代天然粗骨料，然后利用坍落度法对SCC新拌混凝土的流动性进行分析，并对硬化混凝土的抗压强度、抗弯拉强度和弹性模量进行评价。结果表明：坍落度随着混凝土中WGA掺量的增加而逐渐增加，而抗压强度、抗弯拉强度和弹性模量随WGA掺量的增加而降低，究其原因是废玻璃的光滑表面减小了WGA与水泥浆的黏结力。关键词：废玻璃；自密实混凝土；力学强度；坍落度；再生骨料中图分类号：U414文献标识码：A0 引言自密实混凝土（SCC）与传统混凝土相比具有流动性高、延展性好、施工方便等优点，故广泛应用于各种土木工程中1-2。为确保SCC良好的流动性和力学强度，SCC生产时需要大量优质的砂石材料，但由于过去矿山无序开采造成严重的环境破坏，导致优质砂石材料供应紧缺。为了实现混凝土生产的低碳经济性和可持续性，混凝土制造须减少对天然集料的消耗并寻找可替代材料，目前，建筑垃圾、再生混凝土骨料、路面再生料等材料逐渐被应用于混凝土施工并取得了良好的进展3。研究表明4-7，废玻璃经破碎加工后可以成为一种有效的再生骨料。再生废玻璃骨料（WGA）用作混凝土材料可以节省资源，减少碳排放，同时降低废弃物处理成本，具有显著的社会效益和经济效益。近年来，WGA作为混凝土材料引起了业内的广泛关注。当WGA用作混凝土中的骨料时，新拌混凝土的流动性显著提高8。但也有研究发现，随着WGA掺量的增加，SCC的抗压、弯曲和拉伸强度等力学性能下降9。上述研究为废玻璃在混凝土中的再生利用奠定了基础，但使用WGA代替混凝土中粗骨料的自密实混凝土生产方面的研究较少。鉴于此，本文将研究用WGA代替粗骨料时混凝土的流动性及力学性能，评估WGA在混凝土中的合理掺量，旨在为绿色可持续混凝土生产提供参考。1 原材料与试验方法1.1 原材料1）水泥本文采用 PO42.5 硅酸盐水泥，其技术指标要求见表1。表1 水泥技术要求细度（%）8凝结时间/min初凝45终凝600安定性/mm雷氏夹法合格抗压强度/MPa3d15.028d32.5抗折强度/MPa3d2.528d5.52）天然集料细骨料采用河砂，粗集料采用最大公称粒径为19 mm的破碎石灰岩，技术指标均满足规范要求。使用与天然石材相同大小的废玻璃来代替粗骨料，WGA从玻璃废品站购买并通过严格选择、测量、破碎和筛分。1.2 试验方案1.2.1 混凝土制备在本研究中，选择4种混凝土配比来制备SCC，天然粗骨料被掺配比例分别为0%、10%、20%和30%的WGA取代，记作WGA-0、WGA-10、WGA-20、WGA-30。无论何种配比，水泥、河砂、粗骨料和水的用量比均为12.520.36，减水剂掺量为水泥用量的1.5%。将所有水泥与集料倒入搅拌机搅拌均匀后，加入水和减水剂，并继续搅拌直至可见混凝土流动，然后，将WGA掺入继续搅拌3 min以获得新拌自密实混凝土。1.2.2 试验方法测试新拌混凝土的坍落度并评价其流动性。对于坍落度满足要求的混凝土，按规范成型试件。所有试件要求在标准养护室养生7 d、28 d后，取出擦干表面水分并进行力学测试。耐久性用冻融循环后的强度劣化情况表征。2 WGA对SCC性能的影响2.1 坍落度不同WGA掺量下，水泥混凝土的坍落度如图1所示。26交通世界TRANSPOWORLD从图1可以看出，坍落度值在635670 mm波动，满足规范要求。坍落度随着混凝土中WGA掺量的增加而逐渐增加，WGA-30 混合料最大坍落度为 670 mm。与不掺 WGA 的对照组 635 mm 的坍落度相比，WGA-10、WGA-20和WGA-30等3种混合料的坍落度分别增长了1%、2%和6%。这与之前的研究结果相似，证明较高玻璃骨料替代率可带来较大的坍落度。这主要归因于玻璃骨料的吸水性较差，质地光滑，高WGA掺量的混凝土骨料颗粒与水泥砂浆的结合更紧密，因此流动性更好。2.2 抗压强度不同WGA掺量下SCC试件的7 d和28 d养生龄期的抗压强度如图2所示。由图2可知，掺有WGA的SCC抗压强度仍能满足规范强度要求，各掺量混凝土的7 d抗压强度为28 d抗压强度的47%64%。从图2中可以看出，WGA-0在所有试样中具有最大的抗压强度，随着WGA掺量的增加，SCC 强 度 呈 现 递 减 的 趋 势，WGA-10、WGA-20、WGA-30 试 件 7 d 抗 压 强 度 比 WGA-0 试 件 降 低 约38.44%、45.9%和 47.22%；28 d抗压强度降低约 20%，26.44%和28%。可以看出，在掺量为10%时强度下降最严重，而随着废玻璃掺量的增多，抗压强度下降幅度趋缓。究其原因在于废玻璃高替换率下，粗集料的均匀性降低，不同粗集料之间的堆积方式差异影响水泥混凝土浆体中的孔隙，混凝土中因收缩而出现微裂纹，水泥基体不能有效补偿空隙，从而对强度产生负面影响，同时废玻璃的压碎值高，但密度低，在抵抗压缩荷载时率先破碎，不利于抗压强度的形成；另一方面可能与天然集料相比，玻璃骨料表面粗糙度不足，导致水泥混合料浆体与玻璃骨料之间的附着力下降。2.3 抗弯拉强度不同WGA掺量下SCC试件的7 d和28 d养生龄期的抗弯拉强度如图3所示。由图3可知，掺WGA的SCC抗弯拉强度仍能满足规范强度要求，各掺量混凝土的7 d抗弯拉强度为28 d抗弯拉强度的89%91%，说明SCC混凝土浇筑初期就具有相当大的抗弯拉能力。随着WGA掺量的增加，无论养生7 d还是28 d，SCC抗弯拉强度均逐渐下降，但与抗压强度变化规律不同，抗弯拉强度下降幅度并不明显。WGA-10、WGA-20、WGA-30试件7 d抗弯拉强度比WGA-0试件降低约2%、8%和16%；28 d抗弯拉强度降低约2%，7%和14%。可以看出，WGA刚掺加时强度下降并不明显，而随着WGA掺量的增加，强度降低幅度增大。究其原因在于集料强度远高于界面强度，因此在弯曲试验中试件更容易沿着界面断裂，即抗弯拉强度主要与集料和水泥浆的界面强度有关，而废玻璃表面光滑、粗糙度低，与水泥砂浆的黏结力下降，界面强度降低，且随着WGA含量的增加强度下降更明显，因此SCC抗弯拉强度呈现先缓慢下降后迅速降低的趋势。2.4 回弹模量不同WGA掺量下SCC试件的回弹模量如图4所示。WGA-0WGA-10WGA-20WGA-30680640600560520坍落度/mm图1 WGA掺量对水泥混凝土坍落度的影响2520151050抗压强度/MPa28 d7 dWGA-0WGA-10WGA-20WGA-30图2 WGA掺量对水泥混凝土抗压强度的影响WGA掺量6.05.55.04.54.03.53.0抗弯拉强度/MPa28 d7 dWGA-0WGA-10WGA-20WGA-30图3 WGA掺量对水泥混凝土抗弯拉强度的影响WGA掺量WGA掺量27总656期2023年第26期（9月 中）由图4可知，在所有类型混凝土中，WGA-0试件的弹性模量最高，为24.28 GPa，进一步研究发现，随着SCC混凝土中WGA占比的增加，弹性模量稳步下降，与抗压强度和抗弯强度随WGA掺量变化的规律相似。与WGA-0相比，WGA-10、WGA-20和WGA-30等3种混凝土的弹性模量分别降低了 10.54%、14.21%和7.36%。究其原因在于废玻璃的光滑表面与水泥浆的黏结力较差，导致界面过渡区强度较弱，同时与天然集料相比，WGA的密度低、压碎值高，以上原因均不利于模量的增长。2.5 耐久性不同WGA掺量下SCC试件在10 d冻融循环后的强度及强度冻融劣化系数如图5所示。由图5可知，10 d冻融循环后掺废玻璃混凝土的强度冻融劣化明显，且随着掺量的增加劣化更加明显。究其原因可知，在进行冻融循环试验时，水分渗入混凝土内部孔隙和裂缝中，在受冻时水结冰导致体积膨胀，从而增加了孔隙压力，使得孔隙和裂缝被挤压形成新裂缝。此外，由于废玻璃骨料与基体之间的黏结力不如天然骨料，在冻融循环过程中容易产生界面裂缝。随着冻融循环的不断进行，试件表面发生剥落而使结构变得松散，导致废玻璃混凝土的抗压强度和质量随着冻融循环天数和废玻璃骨料替代率的增加而降低。3 结论本文研究了不同掺量下WGA对SCC的流动性和力学性能的影响，主要结论如下：1）SCC坍落度随着混凝土中WGA掺量的增加而逐渐增加，坍落度值在635670 mm之间波动，满足规范对SCC坍落度的要求。2）SCC抗压强度、抗弯拉强度和弹性模量等力学性能指标以及抗冻性能均随WGA掺量的增加而降低，降低规律基本相似，主要原因在于废玻璃的光滑表面减小了WGA与水泥浆的黏结力。综上，利用废玻璃生产的再生骨料可以用于提高SCC混凝土的流动性，但对力学性能会产生影响且掺量越高影响越明显，因此应根据实际使用场景选择适当的WGA掺量。参考文献：1 谢越韬.自密实混凝土填充性能及堆石混凝土界面微观特性研究D.北京：清华大学，2014.2 龚灵力.自密实混凝土性能及混凝土多场耦合时变性分析研究D.杭州：浙江大学，2010.3 赵纪飞.建筑垃圾再生材料作为路基填料的适用性研究D.西安：长安大学，2017.4 马盼盼.废玻璃粉水泥胶砂力学性能及硫酸盐侵蚀性能研究D.郑州：中原工学院，2019.5 柯国军，柏纪平，谭大维.废玻璃用于水泥混凝土的研究进展J.南华大学学报（自然科学版），2010，24（3）：96-102.6 马琤飞.玄武岩纤维混凝土梁受弯性能研究D.扬州：扬州大学，2022.7 尚梦姣.玻璃颗粒对粉煤灰地聚合物砂浆性能影响研究D.长沙：长沙理工大学，2019.8 董腾，柯国军，丁科.废玻璃混凝土拌和物流动性研究进展C/中国力学大会-2015论文摘要集.北京：中国力学学会，2015.9 张轩睿.废玻璃粉等矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性影响的研究D.衡阳：南华大学，2016.WGA-0WGA-10WGA-20WGA-30图4 WGA掺量对水泥混凝土回弹模量的影响252321191715回弹模量/MPaWGA掺量WGA-0WGA-10WGA-20WGA-30图5 WGA掺量对水泥混凝土抗冻性能的影响2220181614120.920.900.880.860.840.820.80强度冻融劣化系数抗压强度强度冻融劣化系数抗压强度/MPaWGA掺量28