鋼化玻璃骨料透光混凝土帆布研究綜述*

牛孟鍇

（長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著我國城市化的快速發(fā)展，隨之帶來的還有大量的廢棄玻璃，目前對其的主要處理方式是填埋，但這種方式會造成嚴重的環(huán)境污染。國內(nèi)外許多學(xué)者對此做了許多研究，研究其宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的變化[1-4]。然而鋼化玻璃處理成鋼化顆粒時，顆粒為表面較光滑的鈍角碎小顆粒，用其代替混凝土中的粗骨料可能會造成因鋼化玻璃顆粒與水泥砂漿粘結(jié)性較差而導(dǎo)致混凝土抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度等力學(xué)性能降低。

聚乙烯（PE）纖維可以有效阻礙混凝土的裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，混凝土中摻入纖維可以提高其劈裂抗拉強度、抗折強度、抗沖擊性能，對混凝土抗凍性、抗?jié)B性等也有不同程度的改善。為了解決鋼化玻璃骨料混凝土的缺陷，文章提出在鋼化玻璃骨料混凝土中摻入聚乙烯纖維來改善力學(xué)性能。但經(jīng)過前期的試驗研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯纖維玻璃骨料混凝土中的水泥漿會將玻璃骨料完全包裹，從而不能達到透光的試驗?zāi)康?，為此急需一種材料作為鋼化玻璃渣的基材來制備透光混凝土。

混凝土帆布（Concrete Canvas,以下簡稱CC）作為一種織物增強水泥基復(fù)合材料，最早由兩位英國學(xué)生提出，其與普通混凝土相比，省去了攪拌和養(yǎng)護的過程，能夠較快地用于工程中。因其具有方便儲存、運輸、施工方便、節(jié)省時間的優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于帳篷制備、外灘襯里、溝渠襯砌、邊坡防護、混凝土修復(fù)等方面。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 CC國外研究現(xiàn)狀

CC在國外研究較為成熟，已經(jīng)開始應(yīng)用于實際工程中。2010年2月3日英國南威爾士教堂村公路，經(jīng)過環(huán)境署批準(zhǔn)，公路旁的排水溝采用CC襯里。其優(yōu)勢是施工速度快、成本低、經(jīng)久耐用、與環(huán)境相容。2010年8月19日南非海德堡南非高登到卡祖魯納塔爾的燃油管道，由于管溝多石塊，現(xiàn)場焊縫用混CC快速保護，防止下溝回填時損傷。CC性質(zhì)柔軟，適合彎頭等形狀特殊的部位防護。管道穿越濕地時，CC起到負浮力加重層作用，防止聚氯乙烯管道漂浮。

1.2 CC國內(nèi)研究現(xiàn)狀

劉放[5]和楊先碧[6]介紹了國外使用CC制作帳篷的過程及優(yōu)勢，指出CC作為固定性的結(jié)構(gòu)可以在任何地方架設(shè)建造，兩個人工作1h就可完工，凝結(jié)則需要1d的時間。曹鵬[7]研究了CC帳篷的組成、構(gòu)造和性能，對帆布內(nèi)水泥基材料的配合比進行了優(yōu)化，并對CC的抗沖擊性、耐磨性、防火性進行測定，利用有限元分析了帳篷的結(jié)構(gòu)特性。

2 研究目的

目前混凝土已不再局限于滿足單純的建筑材料的基本功能需要，而對其環(huán)保節(jié)能、藝術(shù)美學(xué)提出了更高層次的要求。本研究擬采用廢舊鋼化玻璃珠填充入混凝土帆布，制成透光混凝土帆布，賦予混凝土帆布透光的新定義，并能實現(xiàn)建筑材料的可持續(xù)發(fā)展。

3 制備工藝

3.1 3D網(wǎng)布

選用SF0520型3D網(wǎng)布，網(wǎng)布規(guī)格尺寸如圖1所示。

圖1 3D網(wǎng)布規(guī)格尺寸

3.2 水泥

硫鋁酸鹽水泥具有快硬性質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護1d的強度可達3d強度的70%～85%[8]。故試驗選用425硫鋁酸鹽水泥，水泥的性能指標(biāo)如表1所示。

4 試件制作

將大卷3D網(wǎng)布裁成500mm×650mm的矩形，3D網(wǎng)布厚度為15mm。將鋼化玻璃敲碎成粒徑為5～10mm的玻璃珠。根據(jù)網(wǎng)布大小打印相應(yīng)的字體，將字體剪下并在網(wǎng)布上描出其輪廓，剪去字體上層面布及內(nèi)部纖維絲，剪完后如圖2所示。接著灌入水泥粉，將快硬水泥粉拍入3D網(wǎng)布中，并用混凝土振動器搗實，以待使用。在灌好水泥粉的帆布上灑水，直到帆布背面浸濕，且沒有多余的水分流出為止，使3D網(wǎng)布中的水泥粉充分水化，然后放入自然環(huán)境中養(yǎng)護。待混凝土帆布硬化后放入鋼化玻璃珠，平整后用502膠水封裝，如圖3所示。

表1 水泥性能指標(biāo)

圖2 字體刻繪后的3D網(wǎng)布

圖3 玻璃珠封裝后的混凝土帆布

5 試驗研究

5.1 透光實驗

固定光源與試件的距離一定，對每個字體進行了透光測試。經(jīng)過施加光源，每個字體正面和其他角度的透光性均良好，透光效果如圖4所示，進一步說明透光混凝土帆布可以降低在透過可見光方面對光能需求帶來的能源損耗。

圖4 透光混凝土帆布效果圖

5.2 力學(xué)性能及耐久性

通過試驗結(jié)果可以看出，CC在1d齡期時的抗壓強度較高，能夠達到3d齡期的60%以上；3d齡期時抗壓強度有大幅度增長，基本達到28d齡期的80%左右；到達28d齡期，抗壓強度增長變緩。

抗折強度試驗參照《建筑砂漿試驗》（JCJ/T 70—2009）中有關(guān)抗折強度試驗方法進行試驗，抗折強度計算公式如下：

式中：fb為CC抗折強度，MPa；P為破壞荷載，N；L為兩個支點的間距，mm；b為棱柱體截面的寬度，mm；h為棱柱體截面的高度，mm。

從破壞現(xiàn)象可以看出纖維的存在使得試塊雖出現(xiàn)較大的裂縫，部分纖維外露，但并未出現(xiàn)斷裂，這說明纖維在CC試塊中起到了很好的搭接作用。從試驗結(jié)果可以看出，3d抗折強度能達到28d抗折強度的95%以上，7d和28d抗折強度變化不大。

由于CC之間的纖維是豎向分布的，與抗折強度試驗的方向一致，在試驗過程中，纖維受到壓力，出現(xiàn)彎曲變形，會破壞纖維—漿體界面。同時，CC厚度僅為20mm，只有標(biāo)準(zhǔn)水泥凈漿試塊厚度（100mm）的1/5，這些因素都會造成CC試塊的抗折強度偏低。

快速硫化試驗中的SO2類似于CO2，其研究具有相通之處[9]。參照文獻[10]，該試驗硫化濃度確定為1‰。有關(guān)研究表明，試驗溫度控制在20～30℃是比較理想的情況，同時有文獻指出，腐蝕環(huán)境的濕度對混凝土硫化的影響近似服從正態(tài)分布，當(dāng)濕度達到80%時，硫化最快，最有利于SO2對混凝土的腐蝕[11]。故該試驗選取溫度為（25±1）℃，濕度為（80±1）%的條件進行硫化試驗。

CC在各齡期時的平均硫化深度計算按如下公式計算，計算精度精確至0.01mm。

式中：dt為CC硫化td后的平均硫化深度，mm；di為各測點的硫化深度，mm；n為測點總數(shù)。計算結(jié)果如表2所示。

表2 硫化深度試驗結(jié)果

5.3 微觀性能

此部分采用掃描電鏡（SEM）重點觀察水泥在各齡期水化產(chǎn)物變化情況和纖維-漿體界面過渡區(qū)的形貌和微觀結(jié)構(gòu)特征，在微觀層面上闡述水泥及3D網(wǎng)布中豎向纖維對混凝土帆布的性能影響。CC在3d、7d、28d齡期時的形貌特征如圖5所示。

由圖5可知，CC在3d齡期時，通過SEM電鏡掃描可以發(fā)現(xiàn)試樣中微小的裂紋比較多，這是因為硫鋁酸鹽水泥在水化反應(yīng)前期，生成產(chǎn)物以鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）為主，鈣礬石具有一定的膨脹性，造成水泥漿體出現(xiàn)裂紋。CC在到達7d齡期，鈣礬石大量生成，同時，由于鋁膠（Al2O3·3H2O）和水化硅酸鈣凝膠（C-S-H凝膠）的生成，在水泥漿體中均勻分布，對不斷發(fā)展著的水泥石結(jié)構(gòu)起著極為重要的膠凝和塑性襯墊作用，能夠不斷填充由鈣礬石膨脹產(chǎn)生的裂紋，從而保證了水泥石在不斷發(fā)展的結(jié)構(gòu)強度下具有較大的變形能力[12]。CC在28d齡期時，水化氧化鋁凝膠和C-S-H凝膠為主要生成物，呈現(xiàn)顆粒狀和皺箔狀。CC在28d齡期時的纖維-漿體界面微觀形貌如圖6所示。

圖5 CC在3d、7d、28d齡期時的形貌特征

由圖6可以看出，CC養(yǎng)護到28d齡期后，纖維與漿體均能夠很好地黏結(jié)在一起，使得水泥漿體與纖維能夠構(gòu)成穩(wěn)固的空間結(jié)構(gòu)，也使得混凝土帆布具有一定的韌性，提高了混凝土帆布的基本力學(xué)強度。

6 結(jié)束語

通過力學(xué)性能試驗、硫化試驗及微觀分析后發(fā)現(xiàn)CC抗硫化侵蝕效果良好，CC反應(yīng)后期漿體界面和纖維-漿體界面結(jié)合較為密實。目前研究人員對于該類基于鋼化玻璃骨料透光混凝土帆布的制備工藝、力學(xué)性能及微觀機理等進行了初步研究，并取得了一定進展。但對如何高效批量生產(chǎn)，如何進一步提高該混凝土的強度耐久性、玻璃用量以及玻璃強度對混凝土帆布的性能有何影響等問題還需要進一步探索。透光混凝土帆布作為一種對混凝土帆布的新型擴展，結(jié)合了混凝土帆布和玻璃的優(yōu)點，不僅可以應(yīng)用于裝飾背景墻，還可以拓展應(yīng)用于路面材料、商店門墊等。它不僅是對建筑材料的擴充，更是對可持續(xù)發(fā)展的最好詮釋。

圖6 CC在28d齡期時的纖維-漿體界面微觀形貌