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仕高玛|废弃玻璃在混凝土中应用进展

时间:2019-11-26 10:19:31

来源:慧聪工程机械网

作者:卢金生

引言

  玻璃制品由于其制作工艺简单,其在透明性、耐磨性、 安全性、耐久性等方面性能优良,成本费用低廉,在中世纪玻璃制品就被广泛的使用,随着社会的发展,玻璃制品的用途逐步增加,如饮用品容器、汽车玻璃、建筑幕墙等方面,导致每年废弃玻璃数量在逐年增加,根据联合国环境署调查研究发现,全世界每年有200亿t的废弃垃圾,其中有7%的为玻璃制品,目前大部分废弃玻璃主要处理方式是填埋,由于玻璃是非生物降解材料,填埋处理方式产生严重的环境污染问题。虽然玻璃回收再生玻璃可以节约原材料的消耗,但是由于玻璃颜色不同,给玻璃回收再生玻璃带来了瓶颈;由于玻璃成分主要是二氧化硅,与水泥、砂子成分相近,近年来越来越多的学者采用玻璃部 分替代混凝土成分,研究其宏观力学性能和微观结构的变化,为玻璃回收再利用提供新思路。同时也解决建筑业每年大量的水泥需求问题,形成可持续、绿色生态、固废再利用的资源循环再利用。本研究就近十几年对玻璃在混凝土中的应用现状做了总结,分析了玻璃混凝土未来的研究热点, 并对现阶段玻璃混凝土研究成果进行总结。

1 玻璃混凝土制备工艺

  目前,国内外对于玻璃粗细骨料的制备的工艺类似, 首先,将回收回来的废弃玻璃进行清洗、晒干,然后进行人工初步破碎,最后,放入破碎机中进行破碎成不同尺寸大小的粗骨料,玻璃细骨料是在粗骨料制备的基础上进行充分研磨,形成玻璃砂粒。在辅助胶凝材料方面,玻璃粉在细骨料基础上在球磨机中充分研磨制备,为了研究不同粒径对玻璃辅助胶凝材料对玻璃混凝土性能的影响,采用分级制备玻璃粉。首先,洗涤、破碎、 干燥、粉碎,用16号筛筛选出粒径小于1.18 mm放入试验室球磨机中进行初步研磨,然后采用干式筛分法分理出尺寸在63〜75 μm级的玻璃细分,由于25〜65 μm过细,采用干式筛分法容易堵塞网孔,所以最后采用基于Stokes定律的湿分法分离25〜65 μm的玻璃辅助胶凝材料;刘光焰等人提出了亚微米玻璃粉制备工艺,首先将在球磨机研磨60 mim的玻璃粉末与分散液混合,使用超声波振捣5 min,使团聚在一起的玻璃粉分散,并充分均匀混合。使用孔径为1 μ的过滤袋去除混合液中的大颗粒玻璃粉 24 h后自然沉淀,待滤液有明显分层时去除上层清溶液,沉淀物即为亚微米玻璃颗粒,将沉淀下来的玻璃粉放入70℃的烘箱内去除水分,烘干之后的试样会堆积结块,最后在球磨机中粉磨5min就可得到亚微米级玻璃粉。

2 玻璃在混凝土中运用

  2.1玻璃在粗细骨料中的运用

  玻璃的主要成分是不定形二氧化硅,玻璃的硬度与普通砂石接近,密度比砂石略低,从宏观的力学性能角度,玻璃替代部分混凝土砂石是可行的。国内外学者对玻璃 替代混凝土粗细骨料做了大量的基础性试验研究。在力学性能方面,I lker Bekir等人采用4〜16 mm的玻璃取代混凝土骨料研究其宏观力学性能和工作性能,研究表明采用玻璃替代砂石骨料,混凝土的强度略有降低,且随着玻璃的取代率增加其降低幅度越大,但是其流动性增加,提高了混凝土的工作性能。Park等人通过采用玻璃砂取代自然砂得出了与I lker Bekir等人相似的规律,Park等人研究表明由于界面区力学性能减弱,导致混凝土 宏观的强度降低。图1给出掺入玻璃砂的砂浆强度对比 图,清楚地表明,使用玻璃作为部分替代物显著降低了砂浆的强度,采用彩色玻璃代替自然砂,玻璃砂取代量为0〜50%,研究表明玻璃细骨料掺入量超过30%,玻璃混凝土的坍落度和稳定性能均降低,当玻璃细骨料取代率小于20%,玻璃混凝土的强度没有明显的降低。刘光焰等人研究不同施工条件和配合状况下采用玻璃作为混凝土的粗细骨料替代品的力学性能,研究表明,玻璃细骨料的性能要优于粗骨料的性能,最佳取代率在15% 左右。黄培志研究CRT锥形玻璃运用到混凝土中效果,研究表明,CRT锥形玻璃作为粗细骨料运用混凝土中与普通玻璃展现出的宏观力学性能相似,而且经过采用酸洗方式预处理CRT锥玻璃后,通过毒性浸出试验检测CRT锥玻璃混凝土中铅的浸出能力,取代量在60%以下可以满足国内环保的要求。Oliveira et al.等人采用玻璃代替砂子,研究表明在玻璃混凝土中掺人30%粉煤灰,可以将玻璃混凝土的强度提高25%左右,玻璃的较细部分具有类似微集料填充性能,并导致更好的包装颗粒,而其较大的比表面产生更好的水泥浆分布;因此,随着集料颗粒间浆料厚度的减小,试样的机械强度增加。在耐久性方面,Sam等人重点研究玻璃骨料对混凝土耐久性的影响(玻璃骨料掺量分别为5%、10%、20%) ,对掺人玻璃骨料混凝土的吸水性、 耐碳化性、氯离子渗透性和收缩性进行了试验研究,研究表明,玻璃骨料混凝土的早期抗碳化性较弱(28 d),后期抗碳化性较强(56、91 d),而对于氯离子渗透性和收缩性方面,无明显规律可循。Wang等人研究不同玻璃砂取代自然砂对混凝土耐久性方面影响,研究表明随着玻璃电阻 和抗硫酸盐侵蚀都随玻璃掺入和试样龄期的增加而增加。H.Ez-zaki等人通过不同玻璃粉取代砂(20%、40%、60%) 研究玻璃混凝土的耐久性,研究表明高玻璃粉含量可以显 著提高砂浆的抗氯离子侵蚀性,与Wang等人研究结论 相同。王凤池等人研究玻璃作为粗细骨料对氯离子扩散性能的影响,研究表明无论玻璃颗粒的粗细,对氯离子扩散性能均有抑制作用,这表明玻璃混凝土具有很好的耐久性。在ASR反应方面,Lam等人研究偏高岭土和粉煤灰在抑制碱骨料反应效果评价,研究表明,彩色玻璃作为混凝土的骨料必须采取抑制ASR反应的有效措施,当掺入25%玻璃骨料需加入10%的粉煤灰加以抑制碱骨料 反应,在90 d时强度有所提高,吸水性降低。Limbachiya等 人采用彩色玻璃代替自然砂子,研究表明当取代率大于 15%,ASR反应较为明显。Ismail and Al-Hashmi等人研究掺入玻璃粉的混凝土ASR反应,得出与Limbachiya等人相似结论。

仕高玛|废弃玻璃在混凝土中应用进展

 2.2玻璃粉作为辅助胶凝材料

  国内外学者对于玻璃粉作为辅助胶凝材料做了大量的试验研究,玻璃粉不仅可以抑制ASR反应,而且在提升工作性能、力学性能、耐久性方面具有显著优势。Shuaicheng Guo 等人研究表明,添加高氧化铝含量的玻璃粉可以显著降低水泥混凝土中的碱-硅反应(ASR)损伤,利用中子散射等表征技术研究了碱玻璃粉反应凝胶的凝胶水含量、化学组成和膨胀行为,论证了用SANS技术测定碱玻璃粉反应凝胶中水含量的可行性。Pingping He等人通过XRD、 TG、SEM和TEM微观测试手段,研究玻璃粉对氯氧镁水泥 (MOC)的耐久性能影响,研究表明,玻璃粉掺人后MOC表现出超高的耐水性,图2给出空气养护和水养条件下SEM图像,从图中可以看出无定形凝胶的量的增加形成了更密集的联锁网络。

仕高玛|废弃玻璃在混凝土中应用进展

  Mohammadreza等人通过干湿筛分法,把玻璃粉分为0~25、25~38、63~75μm三种尺度研究不同细度玻璃粉在水泥水化过程中的影响,通过热重分析、化学收缩、等温量热法试验方法研究表明水泥养护温度越高火山灰反应越充分,在低温养护条件下,玻璃粉很难发生火山灰反应,玻璃粉颗粒越细,火山灰反应越彻底,同时C-S-H胶体越密实,混凝土的强度越高,吸水性能也越低。A.Zido等众多学者研究表明由于玻璃粉吸水性比水泥小(玻璃粉吸水性0.3%,水泥吸水性1.7%),所以采用部分玻璃粉替代水泥可以增加水泥浆,有利于混凝土施工。同时,A.Shayan等人研究表明用玻璃粉替代部分水泥,在养护28d时,只有质量取代率为20%试件强度达到了40Mpa,而在404d时掺人玻璃粉的强度达到55MPa,这表明玻璃粉的前期活性较低而随着时间的推移,由于玻璃粉具有火山灰活性,所以体后期强度较高。Ahmed F Omran等人同样对加拿大魁北克地区2006-2011年使用玻璃粉作为辅助胶凝材料的建筑结构进行研究,研究结果表明玻璃粉在混凝土中的主要混贡献是增强混凝土的微观结构,如图3所示,由于玻璃粉碎的火山灰活性和微观结构的增强,玻璃粉在混凝土中的掺本入提高了混凝土的力学性能(抗压强度、劈裂抗拉强度、弯Is曲强度和弹性模量),特别是随着龄期的增加,孔隙体系的水显著减少,并产生更高的耐久性能。Hyeongi Lee等人的研究得出了同样的结论,掺人玻璃粉混凝土早期强度较低,而后期强度较高,同时后期的强度与玻璃粉的细度有很大的关系,玻璃粉越细后期强度越大耐久性越强,通过最对所得混凝土的XRD和孔隙率的分析,证实玻璃粉具有优异的微集料填充效应和火山灰反应性,火山灰反应显著改善了混凝土的压实度,提高了混凝土的强度、渗透性和耐久性。N.A. Soliman等人研究玻璃粉在超高性能混凝土(HUPC)中的运用,N.A. Soliman等人研究发现掺入适量的玻璃粉可以改善超高性能混凝土的流动性,而且会较少水泥的总水化热以及水化热的峰值,在玻璃粉掺量在20%时可以提高水泥的化学反应热动能,而高于20%之后,由于稀释效应会减缓水泥水化热动能;在玻璃粉掺量方面N.A. Soliman研究表明在玻璃粉掺量在20%高强混凝土的力学性能最佳,抗压强度、弯曲强度和弹性模量分别为220、29MPa和55GPa; Tawatchai Tho-In等人研究废弃玻璃粉对地聚合物的抗压强度及微观结构的影响,所有样品在(60±2)℃下固化48h,保持在(23±2)℃,直至测试,结果表明,废玻璃粉可替代粉煤灰生产具有7d抗压强度为34 ~ 48MPa的地聚合物浆料,通过扫描电镜和压汞孔隙率表征的致密的微观结构与提高的抗压强度密切相关;Corinaldesi等人研究玻璃骨料尺寸对玻璃混凝土ASR反应的影响并确定临界尺寸,研究表明当玻璃骨料尺寸小于100μm时候,ASR反应引起的不良反应可以忽略不计。柯国军等人24对玻璃粉做了大量的试验研究,研究表明当玻璃粉的平均粒径21.17μm时,掺入10%、20%、30%的玻璃粉后,可以有效降低混凝土中有害孔孔隙率,减小最处理可几孔径,降低孔隙复杂程度,改善孔隙结构,增强玻璃混温室凝土的耐冻性,但是掺入玻璃粉后,其抗拉强度降低。

3 环境与经济分析

  生产水泥将耗费大量的资源,同时排放出大量的温室气体,

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  Cattaneo等人研究表明1t水泥生产导致0.9t CO₂排放到大气中同时,水泥生产还包括适量的NOx、SOx,和颗粒物的排放,严重污染大气环境。lker Bekir等人对玻璃粉混凝土进行了预测分析组成水泥32.5美元/t,砂3.8美元/m3,碎石3.9美元/m3,水0.5美元/m3;WG1.9美元/m3,总成本被确定为在18.1~17.6美元/m3之间变化。G. M.SadiqulIslam等学者通过单价测算,用玻璃粉代替10%、20%的水泥可以使其价格分别降低7%、14%,同时将减少18%二氧化碳气体的生成。图4给出了玻璃混凝土价格与强度柱状图,从图中可以看出,随着玻璃粉掺量的增多,价格在逐步减少,强度先升高在降低,在玻璃粉掺量为10%时候,为最佳方案。废玻璃在混凝土生产中的应用,不仅为混凝土的生产提供了显著的环境效益,而且在最佳用量时也提高了混凝土的性能(机械性能和耐久性能)。Jiang et等人从寿命周期角度分析玻璃作为混凝土辅助胶凝材料的可行性, Jiang et等人从温室气体排放、能源消耗两个方面系统的研究了玻璃在混凝土中的应用价值,表1给出玻璃不同处理方式的温室气体排放和能源消耗情况,从表1中可以看出,每千克玻璃粉运用到混凝土中,减少0.48kg二氧化碳的排放和3.323MJ能量的消耗。Emily L. Tucker等人通过对生产玻璃粉的固定资本、运营成本、维修成本、人工费综合分析得出每年水泥用量与玻璃粉单价曲线图,如图5所示,从图5中可以看出,随着每年的水泥用量的增加,玻璃粉的单价远低于水泥和粉煤灰的价格。

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4 未来研究热点问题

仕高玛|废弃玻璃在混凝土中应用进展

  玻璃混凝土经过十几年的发展,经历提出—发展—停滞一在发展的曲折上升的历程,通过国内外大量的学者做了大量的试验、理论方面的研究,得出了玻璃粉越细越有利于提升宏观力学性能。笔者通过对大量国内外文献的梳理总结未来玻璃混凝土的研究热点问题。

  (1)亚微米甚至纳米级玻璃粉的制备工艺,现阶段研究表明玻璃粉越细对宏观力学性能越有利,亚微米甚至纳米级的玻璃粉制备工艺不成熟,将成为玻璃混凝凝土的制约瓶颈。

  (2)玻璃混凝土长期性能的研究,现阶段对玻璃混凝土的研究主要集中在短期,而对于长期过程的玻璃混凝土内部微观结构、力学性的演化机理尚不明确。

  (3)界面过渡区的微观结构和弱化机理的研究,现阶段对于玻璃混凝土界面过渡区的研究报道较少,而界面过渡区的微结构、力学性能对宏观的力学性能和耐久性具有关键性的影响。

5 总结

  通过对国内外玻璃在混凝土中运用文献研究与总结可以得出以下几点结论:

  (1)玻璃作为粗骨料运用到混凝土中容易引起ASR反应,对混凝土后期强度存在一定的安全隐患,在运用过程中应该考虑如何降低ASR反应风险

  (2)玻璃粉作为辅助胶凝材料可以得到很好的力学性能特别是长期性能,当玻璃粉粒径小于300μm,ASR反应可以忽略不计,玻璃粉粒径越小,火山灰反应越充分,混凝土力学性能越好。

  (3)玻璃粉作为辅助胶凝材料可以提高混凝土的工作性能、抗氯离子侵蚀、后期强度大等显著优点。

  (4)玻璃作为混凝土材料不仅可以减少环境污染、温室气体的排放,而且可以降低混凝土的价格,从寿命周期角度考虑,玻璃运用到混凝土中完全可行且前景广阔。

  注:本文作者、涉及人物及相关著作等注解省略。

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