廢玻璃細骨料再生混凝土的性能研究

薛麗皎， 郭光玲， 林友軍

(陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

我國每年約產(chǎn)生700萬噸的廢玻璃，占固體廢料總量的6%～11%，社會存量較大，直接廢棄將給人類生存環(huán)境帶來巨大壓力。廢玻璃是一種無定型的高二氧化硅(SiO2)材料，具有很強的潛在火山灰活性，可以作為建筑業(yè)的再生資源加以綜合利用[1-2]。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對廢玻璃取代天然粗骨料、天然細骨料或凝膠材料配制再生混凝土的配合比、最優(yōu)取代率、力學(xué)性能、工作性能、碳化特征、廢玻璃粉的活性等基礎(chǔ)性能進行了較為全面的研究[1-7]，得到了一些有價值的結(jié)論，但是關(guān)于廢玻璃再生混凝土無損檢測的研究則鮮有報道。本文以粉煤灰質(zhì)量分數(shù)30%等量取代水泥，以廢玻璃取代天然細骨料配制再生混凝土，分別測試齡期為3、7、28、60、90 d再生混凝土的抗壓強度及回彈值，應(yīng)用SPSS軟件建立再生混凝土養(yǎng)護齡期和抗壓強度之間的關(guān)系及回彈值和抗壓強度之間的關(guān)系，來評定廢玻璃再生混凝土的性能[8]。

1 試驗方案

1.1 原材料

(1)水泥：采用中材漢江水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級水泥；

(2)粗骨料：采用粒徑為4.75～25.5 mm連續(xù)級配的天然碎石；

(3)細骨料：采用天然河砂，粒徑為0.15～4.75 mm，連續(xù)級配；

(4)廢玻璃：將廢玻璃挑選并清潔晾干后，先利用人工初步粉碎，再采用球磨機將其磨細，制成0.15～4.75 mm連續(xù)級配的廢舊玻璃再生細骨料，其性能指標如表1所示；

(5)粉煤灰：采用陜西省略陽縣嘉陵發(fā)電有限公司生產(chǎn)的II級粉煤灰，質(zhì)量分數(shù)30%等量取代水泥，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 廢玻璃性能指標

表2 粉煤灰的技術(shù)性能

1.2 試件制作

配合比設(shè)計嚴格按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程(JGJ55—2011)》[9]，配合比：水膠比為0.53，砂率為33%，坍落度為30～50 mm。粉煤灰按質(zhì)量分數(shù)30%等量取代水泥，廢玻璃細骨料以質(zhì)量分數(shù)0、10%、20%、30%、50%的取代率取代天然細骨料，配合比結(jié)果見表3。

表3 混凝土配合比設(shè)計方案

嚴格按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準(GB/T50080—2016)》[10]測試5種配比的坍落度值并制成100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，24 h后脫模并進行標準養(yǎng)護。

1.3 試驗設(shè)備及測試

(1)測試設(shè)備：壓力試驗機采用無錫建儀有限公司生產(chǎn)的YZ-2000型液壓壓力試驗機；回彈儀采用山東樂陵回彈儀廠生產(chǎn)的ZC3-A型回彈儀。

(2)測試：按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準(GB/T 50081—2016)》[11]測試試件3、7、28、60、90 d齡期的抗壓強度；按照《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程(JGJ/T23—2011)》[12]測試試件28、60、90 d齡期的回彈值。

2 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果見表3、表4。

表4 廢玻璃再生混凝土測試結(jié)果 MPa

注：fcu表示再生混凝土抗壓強度，Rm表示回彈值

圖1 廢玻璃取代率與坍落度的關(guān)系

2.1 廢玻璃再生混凝土的工作性能

由表3可知：RGC0、RGC1、RGC2、RGC3和RGC4試塊的坍落度符合配和比設(shè)計要求，說明將廢玻璃再生細骨料部分取代天然細骨料制作的再生混凝土拌合物的和易性滿足施工要求。廢玻璃細骨料取代率與混凝土拌合物坍落度的關(guān)系曲線如圖1所示，由表3和圖1可知：隨著廢玻璃細骨料取代率的增加，廢玻璃再生混凝土拌合物的坍落度逐漸增大，這是由于廢玻璃細骨料具有比表面積小、密實性好和表面光滑的特性，隨著廢玻璃細骨料取代率的增加，在攪拌廢玻璃再生混凝土拌合物時吸水率低，骨料之間的潤滑作用好，使得新拌混凝土的流動性增大[7]；同時廢玻璃再生混凝土中呈玻璃態(tài)空心微珠顆粒的粉煤灰能夠增大混凝土的流動性、減少泌水、改善和易性、抑制堿骨料發(fā)生，也增加廢玻璃再生混凝土拌合物的流動性；圖1中在廢玻璃取代率為20%～30%時，混凝土拌合物坍落度變化率較大，可以認為在這區(qū)段內(nèi)廢玻璃再生混凝土拌合物的流動性、粘聚性和保水性達到統(tǒng)一，工作性能較好。

2.2 廢玻璃細骨料取代率與廢玻璃再生混凝土抗壓強度的關(guān)系

2.2.1 廢玻璃細骨料再生混凝土的最優(yōu)取代率

圖2 廢玻璃取代率與抗壓強度的關(guān)系

試塊破壞后，用鐵棒輕微敲擊再生廢玻璃細骨料混凝土碎塊，會出現(xiàn)玻璃集料從中脫落，然后水泥和石子脫落，這是因為廢玻璃細集料表面較為光滑，水泥石難以很牢固地包裹在廢玻璃細集料表面，廢玻璃再生混凝土在破壞時，首先是水泥石從玻璃細集料表面粘結(jié)脫落破壞，然后才是水泥石與粗骨料的界面過渡區(qū)破壞[5]，這點與普通混凝土的破壞機理不同。廢玻璃細骨料取代率與再生混凝土抗壓強度的關(guān)系曲線如圖2所示。

由表4和圖2可知，廢玻璃細骨料取代率適量時可以提高再生混凝土的強度，隨著廢玻璃細骨料取代率的增加，再生混凝土抗壓強度先減小再增加后降低，在取代率為10%～30%時曲線上升，在取代率為30%～50%時曲線下降，取代率30%為曲線的拐點，即廢玻璃取代率大于30%時，廢玻璃混凝土的抗壓強度降低，點(30%，fcu，RGC3)為曲線的最大值點，即在取代率為30%時，有fcu，RGC1

2.2.2 廢玻璃細骨料的作用機理

因水泥水化作用和廢玻璃火山灰效應(yīng)等的存在，在廢玻璃細骨料取代率小于10%時，玻璃粉細骨料表觀密度和吸水性比砂子小，廢玻璃火山灰活性作用產(chǎn)生的C-S-H和C-Al-H凝膠少，廢玻璃再生混凝土的強度降低；當廢玻璃細骨料取代率在10%～30%時，隨著廢玻璃細骨料含量的增加，廢玻璃火山灰活性作用產(chǎn)生的C-S-H和C-Al-H凝膠也增多，同時破碎后的廢玻璃細骨料表面形成多棱角，多棱角玻璃與硬化水泥漿體結(jié)合粘結(jié)力較大，使得廢玻璃再生混凝土的抗壓強度提高[1]。但是當取代率大于30%時，拌制流動性符合要求的混凝土?xí)r，多棱角的廢玻璃細骨料需要更多的水泥漿量，而廢玻璃再生混凝土拌合物的粘聚性和保水性下降，再生混凝土易出現(xiàn)分層、流槳，影響混凝土組成的均勻性，從而導(dǎo)致再生混凝土的抗壓強度降低。

2.3 廢玻璃再生混凝土養(yǎng)護齡期與抗壓強度的關(guān)系

廢玻璃再生混凝土養(yǎng)護齡期與抗壓強度的柱狀圖關(guān)系曲線如圖3所示。從圖中顯示：在28～90 d齡期內(nèi)，廢玻璃細骨料再生混凝土的抗壓強度隨著養(yǎng)護時間的增長而增大，這與普通混凝土齡期與抗壓強度的變化關(guān)系一致。但不同齡期增長率有差異，其齡期變化與再生混凝土抗壓強度相對增長率Δfcu如表5所示。由表中的數(shù)據(jù)可知：7～28 d齡期內(nèi)Δfcu增長最快，均大于60%，其中RGC1的Δfcu達到76.1%；60～90 d齡期內(nèi)Δfcu增長最慢，其中RGC2的Δfcu僅為1.72%。

圖3 齡期與再生混凝土抗壓強度的關(guān)系

試件編號齡期變化3～7 d7～28 d28～60 d60～90 dRGC053.01%71.30%20.70%2.14%RGC157.33%76.10%32.63%4.92%RGC248.55%61.57%22.09%1.72%RGC340.73%64.34%16.84%3.17%RGC458.81%72.92%24.35%2.80%

由圖1、2可知，廢玻璃細骨料取代率為30%時，廢玻璃再生混凝土的工作性能最佳，抗壓強度最大，采用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對取代率最優(yōu)的RGC3進行試驗數(shù)據(jù)回歸分析，t表示齡期，fcu表示再生混凝土的抗壓強度，則RGC3試件的t-fcu預(yù)測公式如下：

fcu=8.920×10-5t3-0.018t2+1.159t+10.752(R2=0.997)。

(1)

將RGC3試件齡期與廢玻璃再生混凝土抗壓強度預(yù)測公式(1)與試驗結(jié)果進行對比如表6所示，可知，90 d抗壓強度預(yù)測公式計算值與試驗實測值誤差大于5%，其他齡期的誤差均小于5%，試塊的平均誤差和標準差均小于5%，t-fcu的相關(guān)性系數(shù)R2=0.997≈1，這說明RGC3試件t-fcu預(yù)測公式(1)的相關(guān)性很好，具有較好的適應(yīng)性。

表6 RGC3試件齡期與抗壓強度計算值與試驗值

注：平均誤差為4.60%，標準差為1.49%

2.4 回彈值與再生混凝土抗壓強度的關(guān)系

圖4 回彈值與抗壓強度的關(guān)系曲線

由圖4可知：

(1)廢玻璃再生混凝土的抗壓強度隨著回彈值的增大而增加，這種變化關(guān)系與普通混凝土的變化規(guī)律相近。

(2)當強度相同時，廢玻璃再生混凝土的回彈值低于普通混凝土，說明廢玻璃再生混凝土的表面硬度低于普通混凝土，這一方面是因廢玻璃中活性SiO2與水泥中的堿發(fā)生反應(yīng)生成堿-硅酸凝膠(Alkali-Silica Reaction，ASR)，ASR不斷吸水，體積相應(yīng)不斷膨脹而使水泥石孔隙率增大，導(dǎo)致再生混凝土的回彈值降低[15]；同時因廢玻璃表面較光滑，再生混凝土在硬化過程中，水泥石難以很牢固地包裹在玻璃表面，與硬化后的水泥石粘結(jié)強度較小，再生混凝土結(jié)構(gòu)的致密性較普通混凝土差，導(dǎo)致再生混凝土的回彈值降低[5]。

(3)廢玻璃細骨料再生混凝土的回彈值與抗壓強度之間也存在著一定的相關(guān)關(guān)系，因此實際工程中也可采用回彈法檢測廢玻璃細骨料再生混凝土的抗壓強度。

(4)結(jié)合本試驗最優(yōu)配合比(RGC3試件)試驗結(jié)果，應(yīng)用SPSS軟件建立再生混凝土回彈值和抗壓強度之間的關(guān)系，則：

(2)

(2)式中的相關(guān)系數(shù)R2=0.875 9，平均相對誤差δ=2.61%≤12%，相對標準差er=3.0%≤14%，滿足文獻[12]對專用測強曲線的精度要求。

采用普通混凝土全國測強曲線公式[12]：

則計算的平均相對誤差δ=54.4%>13.89%，相對標準差er=58.7%>17.24%，不滿足《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程(JGJ/T23—2011)》規(guī)范中的精度要求；采用普通混凝土陜西省測強曲線公式：

則計算的平均相對誤差δ=50.17%>5.1%，相對標準差er=54.14%>10.2%，不符合文獻[15]的精度要求，這說明普通混凝土統(tǒng)一測強曲線，不適用于廢玻璃細骨料再生混凝土。

3 結(jié) 論

通過對廢玻璃細骨料再生混凝土的性能研究，得到以下結(jié)論：

(1)隨著廢玻璃取代率的增加，再生混凝土拌合物的坍落度也增大，當廢玻璃取代率為20%～30%時，再生混凝土拌合物的流動性、保水性和粘聚性基本達到統(tǒng)一，工作性能好；

(2)隨著廢玻璃細骨料取代率的增加，廢玻璃細骨料的取代率與再生混凝土抗壓強度的關(guān)系曲線先減小后增加再減小，當廢玻璃取代率為30%時，再生混凝土的抗壓強度最大，本試驗廢玻璃細骨料的最優(yōu)取代率為30%；

(3)隨著齡期的增長，水泥的水化作用和廢玻璃的火山灰活性作用增強，再生混凝土的抗壓強度增大，用SPSS軟件對本試驗最優(yōu)配合比RGC3試件分析得到的齡期與強度擬合公式，可以給工程實踐提供一定參考；