廢玻璃碎屑在透水混凝土中的試驗(yàn)研究

吳淑偉 ，蔣元海 ，程瑛豪 ，於婕 ，丁康 ，張叡涵 ，崔偉康

（1.嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001；2.湖州市交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 湖州 313100）

0 引言

目前，我國正在建設(shè)資源節(jié)約型社會，在廢玻璃碎屑的再利用方面做了大量探索，但是進(jìn)展緩慢。據(jù)統(tǒng)計，在玻璃加工過程中，一方面，在切割、打磨、塑型的環(huán)節(jié)上，從玻璃原片上裁下來的邊角廢屑要占到生產(chǎn)總量的15%～25%，而定期停產(chǎn)產(chǎn)生的廢玻璃碎屑則占到總量的5%～10%[1]；另一方面，因熔窯作業(yè)溫度的突然波動、原料質(zhì)量或配合比的變化以及工人操作失誤等造成的非正常工作情況下也會產(chǎn)生廢玻璃碎屑，對環(huán)境有潛在的危險。同發(fā)達(dá)國家相比，我國的廢玻璃碎屑的重復(fù)利用率明顯偏低，對廢棄玻璃碎屑在混凝土領(lǐng)域應(yīng)用的研究也幾乎是空白。浙江省嘉興市是我國16個試點(diǎn)建設(shè)海綿城市之一。在海綿城市建設(shè)中，透水混凝土能發(fā)揮對雨水吸納、蓄滲和緩釋作用，有效緩解城市內(nèi)澇，削減城市徑流污染負(fù)荷，節(jié)約水資源作用。將廢玻璃碎屑替代石子運(yùn)用到透水混凝土中是一種值得研究的新途徑，不僅為減少城市固體垃圾找到了一種行之有效的處理方法，而且還對發(fā)展綠色環(huán)保型材料起到了推動作用，可以讓廢玻璃碎屑的利用率得到提高，讓企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減少企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失和降低國家的能源損耗，符合國家提出的“綠色經(jīng)濟(jì)”理念，推動我國“海綿城市”的建設(shè)。研究將廢棄玻璃碎屑替代天然粗集料來配制透水混凝土的設(shè)計思路，一方面可以有效減少石子的消耗，另一方面也開辟了有效利用廢玻璃碎屑的新途徑，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。并且使用廢玻璃碎屑作為生產(chǎn)透水混凝土的原料，可以降低玻璃廢棄物的處理成本，還可以提高公眾玻璃廢棄物回收利用意識，為循環(huán)利用玻璃提供更多的途徑。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：“雙獅”牌P·O42.5R水泥，28 d抗壓強(qiáng)度42.5 MPa，比表面積 300 m2/kg，密度 3130 kg/m3；碎石：10～20 mm 連續(xù)級配，表觀密度2700 kg/m3，緊密堆積密度1500 kg/m3；廢玻璃碎屑（以下簡稱碎屑）：來自浙江福萊特股份有限公司，粒徑通過該公司工廠現(xiàn)場處理成5～10 mm、10～15 mm兩種；萘系減水劑：“灰霸”牌，粉體，減水率 18%～25%，細(xì)度（0.315 mm）＜10%，密度1120 kg/m3。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計

以碎屑摻量、水灰比、碎屑的顆粒級配為因素，采用L9（33）正交試驗(yàn)方法研究其對透水混凝土強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響[2]，碎屑摻量按占碎石和碎屑總質(zhì)量計算。正交試驗(yàn)因素水平見表1，正交試驗(yàn)設(shè)計及具體材料用量見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計及具體材料用量

1.3 性能測試方法

（1）本試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)孔隙率確定為15%，孔隙率按式（1）計算：

式中：P——孔隙率，%；

M1——試件浸水飽和狀態(tài)下在水中的質(zhì)量，g；

M2——試件在飽和面干狀態(tài)時的質(zhì)量，g；

ρ水——水的密度，取1.0 g/cm3；

V0——試件的體積，cm3。

（2）抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

（3）透水系數(shù)測試裝置由實(shí)驗(yàn)室自行制備，如圖1所示，按式（2）計算透水系數(shù)：

式中：KT——水溫T℃時的透水系數(shù)，也是此時的滲流系數(shù)，mm/s；

Q1——t時間內(nèi)流過透水混凝土試件的水量，mm3；

L——透水混凝土試件的厚度，mm；

A——透水混凝土試件的橫截面積，mm2；

h——水頭差，mm；

t——測試時間[3]，s。

圖1 透水混凝土透水系數(shù)測試裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果見表3，極差分析見表4。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.1 對抗壓強(qiáng)度的影響分析

由表3、表4可以看出，隨著碎屑摻量的增加，透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度降低，因?yàn)椴Ａ樾嫉谋砻娣浅９鉂?，相比普通的碎石集料，與水泥砂漿的粘結(jié)性差，因此碎屑的摻量越大，混凝土的強(qiáng)度越低；隨著水灰比的增大，透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度降低，水灰比較大時，在同樣的目標(biāo)孔隙率下水泥的用量會變得較少，這本身就會降低透水混凝土的強(qiáng)度[4]；隨著碎石骨料粒徑的增大，透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度降低，這是因?yàn)楣橇狭皆叫?，其比表面積越大，相同體積的透水混凝土其骨料和膠凝材料的接觸面積就會變大，骨料和膠凝材料的界面粘結(jié)力越大，提高了透水混凝土的強(qiáng)度[5]。

表4 正交試驗(yàn)極差分析

水灰比對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大，碎屑的顆粒級配影響次之，碎屑摻量的影響最小。

2.2 對透水性的影響分析

由表3、表4可以看出，隨著碎屑摻量的增加，透水混凝土的透水系數(shù)增大，因?yàn)橄啾绕胀ǖ乃槭?，碎屑的表面非常光潔，與水泥砂漿的粘結(jié)性差，內(nèi)部孔隙增大，因此碎屑摻量的增加，透水系數(shù)增大。隨著水灰比的增大，透水混凝土的透水系數(shù)先增大后減小，因?yàn)樗冶容^小時，同樣的目標(biāo)孔隙率下水泥的用量會變得越多，造成水泥漿較干硬、透水混凝土的流動性變差，骨料不能被水泥膠凝材料充分均勻的包裹，骨料之間的孔隙也會相應(yīng)增多，這就提高了透水系數(shù)；水灰比過大時，情況剛好相反，透水系數(shù)會減小[6]。隨著碎石骨料粒徑的增大，透水混凝土的透水系數(shù)增大，這是因?yàn)楣橇狭皆酱笤讲蝗菀走_(dá)到密實(shí)狀態(tài)，透水混凝土內(nèi)部的孔隙也相應(yīng)增多，透水系數(shù)從而得到提高。

碎屑的顆粒級配對透水混凝土透水系數(shù)的影響最大，水灰比的影響次之，碎屑摻量的影響最小。

2.3 綜合分析

綜合考慮抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)，抗壓強(qiáng)度不能太低，透水系數(shù)也不能太小，最優(yōu)因素水平為：碎屑摻量20%，水灰比0.30，碎屑組成為5～10 mm、10～15 mm碎屑各占50%，最優(yōu)水平組合下的透水混凝土的配合比（kg/m3）為：m（水）∶m（水泥）∶m（石）∶m（碎屑）∶m（減水劑）=127.37∶424.56∶1176∶294∶4.25，按此配比制得的透水混凝土抗壓強(qiáng)度為21.1 MPa，透水系數(shù)為2.5 mm/s，符合CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求[7]。

3 結(jié)語

（1）隨著碎屑摻量的增加、水灰比的增大、碎石骨料粒徑的增大，透水混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均降低；水灰比對透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大，碎屑的顆粒級配影響次之，碎屑摻量的影響最小。

（2）隨著碎屑摻量的增加、碎石骨料粒徑的增大，透水混凝土的透水系數(shù)均增大；隨著水灰比的增大，透水混凝土的透水系數(shù)先增大后減?。凰樾嫉念w粒級配對透水混凝土透水系數(shù)的影響最大，水灰比的影響次之，碎屑摻量的影響最小。

（3）最優(yōu)因素水平為：碎屑摻量20%，水灰比0.30，碎屑組成為5～10 mm、10～15 mm碎屑各占50%，按優(yōu)化配比制得的透水混凝土抗壓強(qiáng)度為21.1 MPa，透水系數(shù)為2.5 mm/s，符合CJJ/T 253—2016的要求。

（4）通過試驗(yàn)驗(yàn)證了廢玻璃碎屑替代碎石應(yīng)用于透水混凝土的可行性，對透水混凝土的研究取得了一定成果，但現(xiàn)場澆筑技術(shù)、路基結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面都是透水混凝土實(shí)用性研究的關(guān)鍵，還需要進(jìn)一步的深入研究。

[1] 謝國帥，孔亞寧，徐志惠，等.廢棄玻璃利用現(xiàn)狀及其在混凝土材料領(lǐng)域的應(yīng)用[J].混凝土，2012（6）：80-82.

[2] 孫宏友.基于正交試驗(yàn)法的透水混凝土配合比設(shè)計和試驗(yàn)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2016.

[3] CJJ/T 135—2009，透水水泥混凝土路面技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 蔣勇，牛云輝，賈陸軍，等.高強(qiáng)度透水混凝土實(shí)驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2017，44（3）：16-19.

[5] 張賢超，尹健，池漪.透水混凝土性能研究綜述[J].混凝土，2010（12）：47-50.

[6] 程娟.透水混凝土配合比設(shè)計及其性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2007.

[7] 王永海，紀(jì)憲坤，周永祥，等.CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》編制簡介[J].新型建筑材料，2017，44（1）：5-8.