不同替代率玻璃粉对混凝土性能的影响

不同替代率玻璃粉对混凝土性能的影响

李特，李琦

东南大学材料科学与工程学院

来源：《水泥技术》

1引言

近年来，随着工业化程度的提高及城镇化速度的加快，产生了大量的建筑废弃物，占据了大量的土地资源，对环境造成污染121;同时，随着玻璃的总产量越来越大，废弃玻璃的产生量也在增加。玻璃具有不可生物降解性，克服废弃玻璃对环境影响的最佳方法是对其进行再利用B-,其中一个较好的方法是利用玻璃粉部分代替水泥作为辅助材料掺加到建筑材料中。Akhil等0研究发现，玻璃粉部分替代水泥有助于减少建筑生产及废弃玻璃对环境造成的污染。全生命周期评价(LCA)方法分析表明78|,采用玻璃粉替代水泥作为辅助材料掺加到建筑材料中，可以获得明显的环境效益与经济效益。

Lu等通过XRD和TG研究表明，掺加玻璃粉，有利于水泥熟料的溶解和水化产物的生成，玻璃粉可以提高水泥早期的水化程度。Nahi等I0研究表明，掺加玻璃粉，有助于降低水泥总体水化热，从而减小由水化热带来的负面影响。Isma等通过红外光谱发现，加入玻璃粉后，水泥凝胶峰强度发生了改变，说明玻璃粉会影响水泥C-S-H的组成。大多数试验研究表明，玻璃粉添加到水泥中，有助于其水化产物的匀质化和水泥性能的发展2-14。

本文结合多种研究方法，分析不同替代率的玻璃粉对混凝土性能的影响，并通过全生命周期评价(LCA)方法分析混凝土中掺加玻璃粉所带来的环境效益与经济效益。

2原材料与试验

2.1试验用原材料

试验采用P·I42.5硅酸盐水泥，细骨料为细度模数2.7的砂，粗骨料为5.0~31.5mm连续粒级的碎石；将回收的玻璃捣碎后，加入研磨机中研磨，以1200r/min转速研磨10min后，通过XPS检测水泥与玻璃粉的主要化学成分，分析检测结果见图1。如图1所示，玻璃粉的主要化学成分是SiO₂,与水泥相比，玻璃粉的CaO含量较少。为减小原材料粒径对实验结果的影响，选择粒径分布相似的原材料进行测定，试验所用水泥与玻璃粉原材料的粒径分布如图2所示。

2.2原材料配合比

试验所采用的玻璃粉的替代率分别为5%、10%、15%、20%,吸水率为5%。由于水胶比对混凝土性能影响较大，为控制混凝土的水胶比，先将玻璃粉进行饱和润湿，再按5%的吸水率计算需水量，加入所需的水。混凝土试样配合比见表1。

2.3混凝土工作性能与力学性能测试

按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试材料的坍落度，将混凝土试样分三次填入坍落度桶并进行敲击，待试样填满、抹平坍落度桶后，垂直提起，用300mm减去试样最高点高度，即混凝土试样的坍落度，分别测量混凝土试样Oh(新拌)、0.5h、1h龄期的坍落度。

按照国家标准GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行混凝土试样7d、28d、90d抗压强度试验。混凝土试样成型后在标准条件下养护，养护后拆模，混凝土立方体试块尺寸为150mm×150mm×150mm。对所有试块施加2400±200N/s的荷载，记录每个试样试验5次的抗压强度平均值，作为其最终的抗压强度。

2.4混凝土浆体早期水化反应试验

掺加玻璃粉的混凝土强度较低，为进一步了解玻璃粉对混凝土浆体早期水化反应的影响，采用PerkinElmer NexION 2000 ICP-MS质谱仪对混凝土浆体的早期孔隙溶液进行表征。

2.5混凝土耐久性测试

为分析混凝土砂浆试样28d和9 0d的孔隙结构，采用Quantachrome Poremaster GT-60 Instrument压汞仪进行MIP(汞孔隙率法)试验，将大块试样敲碎成直径约3mm的小块试样，用无水乙醇浸泡5d,防止其进一步水化，再在50℃的真空烘箱中烘干5d,进行孔隙结构测试。为进一步准确分析玻璃粉对混凝土材料耐久性的影响，采用The Pundit Lab

仪器进行混凝土超声脉冲速度UPV值测试。

2.6全生命周期评价

按照Emily L.Tucker所提供的全生命周期评价(LCA)方法进行玻璃粉的全生命周期分析，判断利用其所获得的环境效益与经济效益。

3试验结果与讨论

3.1工作性能

不同替代率玻璃粉均对混凝土坍落度的影响如图3所示。由图3可知，随着玻璃粉替代率的增加，混凝土坍落度逐步下降，可能是由于玻璃粉的掺加，增加了水泥颗粒之间的摩擦力，从而导致混凝土坍落度下降。从图3还可以看出，混凝土1h后的坍落度下降幅度较大，这可能是因为玻璃粉自身无法充分保水，随着时间的延长，水分蒸发加剧，从而导致混凝土坍落度大幅下降。因此，使用玻璃粉掺量较高的混凝土时，需注意玻璃粉对混凝土坍落度的影响。

3.2力学性能

不同替代率玻璃粉的对混凝土抗压强度的影响如图4所示。由图4可知，玻璃粉的掺加，导致混凝土早期有效水胶比变大，抗压强度下降；另外，玻璃粉部分替代水泥后，混凝土中胶凝材料变少，早期水化反应生成的C-S-H减少，导致混凝土强度下降。因此，混凝土7d与28d抗压强度随玻璃粉替代率的增加而下降。大量试验研究表明，掺加玻璃粉后，混凝土胶凝材料缺失，玻璃粉早期的火山灰效应不明显，导致混凝土强度下降，但玻璃粉后期火山灰反应生成的凝胶物质填充到混凝土空隙中，可提高混凝土的后期强度，因此，玻璃粉掺量为5%的混凝土90d抗压强度有所提升，但若玻璃粉掺量过大，仍会导致混凝土强度的损失。

3.3混凝土浆体早期水化反应

通过ICP-MS质谱仪对混凝土浆体离子浓度进行检测，玻璃粉对混凝土浆体Na、Ca、Si、Al离子早期水化反应的影响如图5所示。从图5可知，玻璃粉富含Si、Na,当混凝土掺加玻璃粉后，Si、Na离子

浓度增加，且随玻璃粉替代率的增加而增加。需注意的是，Si可能会影响水泥C-S-H凝胶的组成，进而影响水泥基材料的其他性质。对于普通硅酸盐水泥而言，Ca²*含量在30min龄期时下降，可以认为此时发生了水化反应，消耗了大量的Ca²*。另外，由图5也可知，Al*含量也有所下降，可能因为玻璃粉受电位影响吸附了Al*所致，而Al*是水泥基材料早期强度较高的原因。混凝土掺加玻璃粉后，早期强度降低，可能是因为掺加玻璃粉后，混凝土的离子浓度受到了影响，从而间接影响了混凝土的早期水化反应，从宏观上表现为早期强度下降。

3.4耐久性

采用MIP(汞孔隙率法)评价混凝土砂浆28d和90d的耐久性能，不同玻璃粉替代率的混凝土总孔隙率测试结果见图6。由图6可知，玻璃粉替代率越高，混凝土总孔隙率越大，但随着龄期的增加，总孔隙率的差别逐渐减少。玻璃粉的微集料效应及火山灰效应有利于混凝土的耐久性能。在低龄期时，虽然混凝土有效水胶比变小，但随着玻璃粉掺量的增加，水泥用量减少，导致有效胶凝材料减少，前期水化产物随之减少，混凝土总孔隙率增加，单一的颗粒效应无法弥补水泥作为胶凝材料的作用。

由于MIP试验表征的是连通孔隙测试结果，为了更好地衡量水泥基材料的耐久性，测试了不同玻璃粉替代率的混凝土超声脉冲速度UPV值，测试结果如图7所示。由图7可知，掺加玻璃粉后，对混凝土早期耐久性能不利，但后期随着玻璃粉火山灰反应的发生，混凝土耐久性能变好。

不同玻璃粉替代率的混凝土砂浆28d、90d的孔径分布如图8所示。由图8可知，28d龄期时，随着玻璃粉替代率的增加，<10mm、10nm~100nm、1μm~10μm的孔隙占比减少，而100mm~1μm、>10μm的孔隙占比增加，玻璃粉的掺加导致28d龄期有害孔隙增加(<100nm的孔隙对胶凝材料无害或危害较小)。但是从90d龄期的孔径分布可以看出，随着玻璃粉替代率的增加，<10nm、10nm~100nm的孔隙占比增加，玻璃粉的掺加导致90d龄期有害孔隙减少、有益孔隙增加。因此，掺加玻璃粉对混凝土长期耐久性能有利。

3.5全生命周期评价

玻璃粉的全生命周期评价(LCA)结果如图9所示。由图9可知，玻璃粉收集加工后，即可部分替代水泥使用，其烧制工艺与水泥不同，能源消耗和环境污染也远小于水泥，能获得较好的环境效益和经济效益。

4结语

废弃玻璃作为建筑废弃物，对环境存在较大的危害，通过利用玻璃粉部分替代水泥制备混凝土，可以无害化资源利用废弃玻璃，减少水泥生产过程中的能源消耗和废弃玻璃对环境的污染。不同替代率的玻璃粉对混凝土性能的影响试验表明：

(1)坍落度试验结果显示，玻璃粉替代率的增加，将导致混凝土工作性能降低。

(2)玻璃粉的掺加，对混凝土早期强度和后期强度都有一定的影响。玻璃粉替代水泥，导致混凝土有效胶凝材料减少，强度下降。ICP结果显示，虽然玻璃粉早期已分解，但火山灰效应不明显。

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