廢棄玻璃粉對水泥砂漿力學性能的影響

張 蘋，艾 昕，張 鵬，魏 國(.青島理工大學土木工程學院，青島66033；.東北大學冶金學院，沈陽0004)

廢棄玻璃粉對水泥砂漿力學性能的影響

張 蘋1，艾 昕1，張 鵬1，魏 國2
(1.青島理工大學土木工程學院，青島266033；2.東北大學冶金學院，沈陽110004)

廢棄玻璃經(jīng)球磨機研磨成粉可作為水泥砂漿的原料.本文通過正交試驗研究了廢棄玻璃粉摻量(0、10 %、20 %、30 %)、水膠比(0.35、0.4、0.5、0.6)、膠凝總量(420、450、480、500 kg/m3)和玻璃著色劑種類等因素對水泥砂漿的力學性能影響規(guī)律.結果表明，隨著廢棄玻璃粉摻量的增加，砂漿試塊的抗壓強度先增大后降低.最佳玻璃粉摻量為10 %，水膠比為0.4，膠凝總量為 450 kg/m3；對廢棄玻璃粉水泥砂漿強度影響最顯著的因素為玻璃粉摻量，其次為水膠比，而膠凝材料總量和著色劑對強度的影響很小.廢棄玻璃粉的火山灰活性效應不明顯.利用廢棄玻璃粉作為摻合料生產(chǎn)水泥砂漿是可行的.

廢棄玻璃粉；水泥砂漿；正交試驗；抗壓強度

隨著世界工業(yè)化的進程，玻璃的產(chǎn)量和消耗量都在逐年增加，我國每年產(chǎn)生的廢棄玻璃約320萬t，占到了城市生活垃圾的2%，對人類的生活環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響.例如，2011年北京每天廢玻璃量達到 1 500 t，需環(huán)保部門耗費約10萬元 進行處理[1-2].

廢棄玻璃粉應用于混凝土中，或取代部分水泥[3-6]，或取代部分骨料[7-9]，而玻璃中最常見的是鈉鈣玻璃， 其中Na2O多在10%左右，不論哪種方式摻入都涉及到堿骨料反應，但玻璃粉中的堿在多大程度上參與堿骨料反應意見不一[10-13]，如何控制堿骨料反應也還有待于深入.這在很大程度上限制了玻璃粉在混凝土中的應用.因此將廢棄玻璃粉應用于建筑砂漿，避開ASR風險，在經(jīng)濟、生態(tài)、技術上均具有可行性.

本研究嘗試將廢棄的玻璃回收研磨成粉，使其粒度接近于水泥.嘗試不同比例的玻璃粉替代部分水泥制成水泥砂漿，以玻璃粉摻量、水膠比、膠凝總量、玻璃著色劑作為影響因素進行正交試驗對其早期和長期強度進行分析，并分析反應機理，為利用廢棄玻璃粉生產(chǎn)水泥砂漿提供依據(jù).

1 試 驗

1.1 原材料及試件制備

本試驗中的玻璃粉水泥砂漿由玻璃粉、水、水泥、砂組成.原材料均來自本地，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，砂為標準砂，玻璃粉為球磨機研磨，過70 μm篩；把玻璃粉經(jīng)烘干后進行X熒光光譜分析，廢棄玻璃粉內(nèi)的氧化物組成如表1所示.試件規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體.廢棄玻璃粉取代部分水泥制作水泥砂漿，為消除因粒度而影響強度的測定，對玻璃粉和水泥分別進行了粒度分析，粒度分布如圖1所示.從圖中可以看出，玻璃粉的粒徑接近于水泥的顆粒粒徑，可以取代部分水泥充當膠凝材料.正交試驗表及其配合比如表2所示.

表1 試驗用廢棄玻璃粉的氧化物組成(質(zhì)量分數(shù))

圖1 試驗用水泥及廢棄玻璃粉粒度分布圖Fig.1 Particle size distributions of the cement and the waste glass powder

表2 廢棄玻璃粉水泥砂漿正交試驗配合比

1.2 試驗方法

按照《GB17671-1999》標準進行試驗.把試件放在標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護(溫度20±1 ℃，濕度RH ≥ 95 %).試驗研究玻璃粉摻量，水膠比，膠凝總量，著色劑對玻璃粉水泥砂漿強度的影響.把試塊從標準養(yǎng)護室拿出之后分別測其3、 7、 28、 60 d 的強度，測定值取所測試塊的平均值，再與基準水泥砂漿試塊的強度進行比較.通過直觀分析和方差分析確定玻璃粉水泥砂漿的最佳配合比.

2 結果分析與討論

不同齡期的廢棄玻璃粉水泥砂漿試件的抗壓強度如表3所示.通過極差分析得到廢棄玻璃粉砂漿試件3 d抗壓強度關于摻量、水膠比、膠凝總量、顏色的極差為：10.465、 9.403、 1.647、 3.723； 7 d 抗壓強度值的極差為：15.21、 10.358、 2.032、 5.201；28 d時的極差為：15.84、 8.778、 0.933、 4.299；即四因素影響抗壓強度主次順序為：玻璃粉摻量>水膠比>著色劑和膠凝總量.由正交分析可知，在試驗水平范圍內(nèi)，前28 d廢棄玻璃粉砂漿試件各因素最佳水平組合為A2B2C2，即廢棄玻璃粉摻量為10 %，水膠比為0.4，膠凝總量為450 kg/m3.

為避免誤差對試驗結果的影響，對正交試驗進行了方差分析，如表4所示.由結果可知：玻璃粉摻量對抗壓強度的影響非常顯著，水膠比對抗壓強度的影響顯著，著色劑種類與膠凝總量對抗壓強度影響不顯著.這與極差分析的結果一致.但當玻璃粉水泥砂漿試件養(yǎng)護到60 d的時候，其強度增長緩慢，并且低于基準水泥砂漿試件的抗壓強度，這與期望的玻璃粉增強后期強度的效果相反，分析可能與玻璃粉結構組成有關，還需要進一步試驗測定.

表3 摻廢棄玻璃粉水泥砂漿抗壓強度不同齡期正交試驗結果(單位：MPa)

表4 抗壓強度方差分析表

玻璃粉摻量、水膠比和膠凝總量與抗壓強度的關系分別如圖2至圖4所示.由結果可見，廢棄玻璃粉水泥砂漿試件在 28 d 齡期內(nèi)的抗壓強度隨著玻璃粉摻量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，玻璃粉摻量在10%時，抗壓強度值最大，繼續(xù)增加玻璃粉摻量，抗壓強度開始下降.因此認為，雖然廢棄玻璃粉的顆粒粒度與所用的水泥粒度比較接近，少量摻加時起到有限的改善微結構的效果，但可能由于所用玻璃粉的活度有限，摻量增加后凝膠產(chǎn)物量降低，使得強度有所降低.抗壓強度隨水膠比的變化趨勢類似， 28 d 齡期內(nèi)廢棄玻璃粉砂漿的抗壓強度在水膠比為0.4時最大，然后隨水膠比增大而降低.比較圖4中抗壓強度隨膠凝材料總量的變化可以發(fā)現(xiàn)，膠凝材料總量為 450 kg/m3時的強度最高，但整體對強度的影響不明顯.

圖2 抗壓強度隨玻璃粉摻量變化關系Fig.2 Relationship between compressive strength and added amount of glass powder

對第1組(無玻璃粉)和第14組(摻30%玻璃粉)水泥砂漿3 d和28 d的試件熱重分析結果分別如圖5至圖8所示.可以看出，試樣主要在120～150 ℃，440～460 ℃，700～730 ℃三個溫度區(qū)間內(nèi)有明顯的質(zhì)量損失.試樣在130 ℃左右時，失去自由水；升溫至450 ℃左右時，氫氧化鈣分解；升溫至710 ℃左右時，碳酸鈣分解.無玻璃粉試件3 d時氫氧化鈣損失為1.179%，28 d時氫氧化鈣損失增大為1.808%，這是由于氫氧化鈣是水泥水化產(chǎn)物之一，隨著水泥水化反應的進行，其在砂漿中的量增大.而第14組即摻加30%玻璃粉試件3 d時氫氧化鈣損失為1.517%，28 d時質(zhì)量損失則有所降低，為1.330%.與無玻璃粉試件相比，3 d的氫氧化鈣質(zhì)量損失增加了0.238%.這與圖2中玻璃粉摻量在10%時，3 d和7 d強度均比純水泥略微增加是相對應的.這說明玻璃粉粒度與水泥相當時，其無定形二氧化硅具有一定的早期水化活性.水化初期，玻璃粉中的無定形二氧化硅與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣進行二次水化反應，Ca2+離子逐漸將[SiO4]4-四面體鏈打斷瓦解并逐步融入到C—S—H結構中，變成了連接[SiO4]4-四面體鏈與鏈之間的“—O—Ca—O—”鍵，生成水化硅酸鈣(C—S—H凝膠)，充填砂漿試件孔隙，有利于早期強度的提高.而28 d時氫氧化鈣損失有所降低，說明玻璃粉中二氧化硅的活性比較有限，不能大量地取代水泥，粉磨粒度控制在水泥相當即可，摻量宜控制在10%以下.

圖3 抗壓強度隨水膠比變化關系Fig.3 Relationship between compressive strength and water/cement ratio

圖4 抗壓強度隨膠凝總量變化關系 Fig.4 Relationship between compressive strength and total amount of binding material

圖5 第1組砂漿試件(無玻璃粉)3 d時的熱重分析結果 Fig.5 TGA results of the first group of mortar samples (without glass powder) in age of 3 days

圖6 第1組砂漿試件(無玻璃粉)28d時的熱重分析Fig.6 TGA results of the first group of mortar samples (without glass powder) after 28 days aging

圖7 第14組砂漿試件(摻30%玻璃粉)3 d時的熱重分析結果Fig.7 TGA results of the 14 th group of mortar samples (with 30% of glass powder) in age of 3 days

圖8 第14組砂漿試件(摻30%玻璃粉)28 d時的熱重分析結果 Fig.8 TGA results of the 14th group of mortar samples (with 30% of glass powder) after 28 days aging

3 結 論

(1)在各因素水平范圍內(nèi)，隨著玻璃粉摻量的增加，廢棄玻璃粉水泥砂漿試塊的抗壓強度先增大后降低.最佳的玻璃粉摻量為10 %，水膠比為0.4，膠凝總量為450 kg/m3.極差分析顯示，對廢棄玻璃粉水泥砂漿試塊抗壓強度影響最為顯著的是玻璃粉摻量，其次是水膠比，而膠凝總量和著色劑種類對強度的影響不大.

(2)廢棄玻璃粉的火山灰效應不明顯，生產(chǎn)的砂漿試塊有早期強度(28 d以前)提高的特點.

(3)利用廢棄玻璃粉作為摻合料生產(chǎn)水泥砂漿是可行的，即解決了廢棄玻璃的處置問題，減少環(huán)境污染，又節(jié)省水泥膠凝材料.

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Influence of waste glass powder on the mechanical property of cement mortar

Zhang Ping1, Ai Xin1, Zhang Peng1, Wei Guo2

(1. School of Civil Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao. 266033;2. School of Metallurgy， Northeastern University, Shenyang 110004, China)

The waste glass grinded by ball milling into fine powder can be taken as a material of the cement mortar. The compressive strength of cement mortar was investigated by means of orthogonal test, taken content of waste glass powder added (0, 10%, 20% and 30% ), water/cement ratio (0.35, 0.4, 0.5 and 0.6), total amount of binding materials (420, 450, 480 and 500 kg/m3) and the colorant as the factors. The results indicated that with increase of the waste glass powders, the compressive strength of the mortar increases at first and then decreases. The optimum composition obtained from the orthogonal tests is as follows: the glass powder is 10%, water-cement ratio is 0.4 and total amount of binding materials is 450 kg/m3. The most remarkable factor influencing the compressive strength of the glass powder cement mortar is the glass powder, followed by the water-cement ratio. While total amount of binding material and the colorant just show a little impact. Effect of the pozzolanic activity for the glass powder is not evident. It is believed the waste glass powder is feasible to add into a cement mortar.

waste glass powders; cement mortar; orthogonal test; compressive strength

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.014

TB 321

A

1671-6620(2017)01-0073-06