廢棄玻璃混凝土

【中玻網(wǎng)】經(jīng)過三次工業(yè)革命的推動(dòng)，社會得到飛速發(fā)展，社會生活也得到非常大發(fā)展，然而人們產(chǎn)生的廢棄物越來越多，廢棄玻璃就是其中之一。目前，根據(jù)聯(lián)合國的統(tǒng)計(jì)，廢棄玻璃在大部分國家固體廢渣中的比重為7%［1］。在西方發(fā)達(dá)國家中，廢棄玻璃占城市垃圾總量的4%~8%，2005年美國廢棄玻璃的產(chǎn)量約1280萬t；同樣的，我國廢棄玻璃產(chǎn)量情況也不樂觀。我國每年產(chǎn)生的廢棄玻璃總量有1040萬t，占固體廢物總量的5%。西方國家從20世紀(jì)60年代就開始回收利用廢玻璃，已經(jīng)取得顯著的成就，如表1所示。歐美等發(fā)達(dá)國家的廢玻璃回收率達(dá)70%以上，而其中瑞士則高達(dá)90%。在廢棄玻璃的回收方面，我國起步較晚，較西方發(fā)達(dá)國家差距大，并且大量的廢棄玻璃被丟棄未被合理處理。因此，在這一方面，我國應(yīng)積較的向西方學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)他們的先進(jìn)工藝和經(jīng)驗(yàn)，不斷加大我國在這一領(lǐng)域的工作力度和研究力度，并結(jié)合與我國實(shí)際情況相結(jié)合，研究出適合我國的路子。

　　在實(shí)際生活中，廢棄玻璃的回收利用的途徑有很多，其中之一就是將廢玻璃應(yīng)用到制造水泥混凝土制品中。廢玻璃應(yīng)用到混凝土及其水泥制品中的研究，始于上世紀(jì)60~70年代的歐美等發(fā)達(dá)國家。在初始階段，廢玻璃主要用于替代混凝土中的粗集料、細(xì)集料等，此種工藝可以大大降低混凝土的表觀密度（約為原來的1/2），值得一提的是，這種混凝土的其他性能并未顯著降低。近幾年，西方發(fā)達(dá)國家就將玻璃粉用作水泥替代物用于混凝土的生產(chǎn)做出了一系列研究，并取得不小的進(jìn)展，然而我國卻缺少這一方面的研究。現(xiàn)有研究表明，當(dāng)廢玻璃粉具有一定的細(xì)度就會表現(xiàn)出火山灰活性，甚至可以用來替代一定的水泥等作為輔助膠凝材料。因此，這一方面的研究實(shí)際意義重大，一方面可以減少天然材料的用量，另一方面能夠回收利用廢棄玻璃。降低水泥生產(chǎn)的能耗，減少碳排放，因此具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

　　玻璃的主要原料有石英砂、純堿、石灰石、長石等，這些原料在1550~1600℃的高溫下經(jīng)過熔融、成型、冷卻、固化等階段得到透明非晶態(tài)的產(chǎn)物。玻璃的化學(xué)成分主要有SiO2、Na2O、CaO、Al2O3及少量K2O、MgO等，此外還有各式各樣的特殊性能玻璃是通過加入某些金屬氧化物、化合物制成的。不同的化學(xué)成分玻璃的特性也不盡相同，常見的有以下幾種玻璃：堿硅酸玻璃、硼硅酸玻璃、鋁硅酸玻璃、鈉鈣玻璃、硅質(zhì)玻璃、鉛玻璃、鋇玻璃等，鈉鈣玻璃是其中常見的，其化學(xué)組成大致為73%SiO2，13%Na2O和10%CaO。研究表明天然砂石和玻璃不僅硬度模數(shù)非常接近而且密度相差也不大，這就為廢玻璃替代天然砂石用于配制混凝土提供了可行性。玻璃的脆性非常大，在受到?jīng)_擊載荷時(shí)其破壞的屈服延伸階段并不明顯。玻璃在破碎后呈現(xiàn)多棱狀的表面，粒徑在1.5mm~5mm范圍內(nèi)時(shí)其脆性非常大，并不適于進(jìn)行攪拌；然而當(dāng)粒徑<1.5mm時(shí)其脆性得到了非常大的改善，與砂子并沒有多大的差異。此外玻璃有良好的耐腐蝕性和耐酸性，因此廢玻璃混凝土的耐久性也得到了滿足。綜上所述，廢玻璃用于配制混凝土是完全可行的。

　　廢玻璃取代集料對混凝土性能的影響

　　一、對和易性的影響

　　等體積取代:試驗(yàn)研究表明用廢玻璃取代砂的混凝土仍為塑性混凝土，且隨著廢玻璃取代率的增加，混凝土的坍落度加大。當(dāng)廢玻璃取代率為50%時(shí)，廢玻璃混凝土的坍落度為普通混凝土的1.21倍；當(dāng)廢玻璃取代率為高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，廢玻璃混凝土的坍落度為普通混凝土的1.34倍［6］。且廢玻璃混凝土粘聚性良好，保水性良好。廢玻璃混凝土拌合物無稀漿析出，用振搗棒敲打廢玻璃混凝土錐體的側(cè)面時(shí)，錐體逐漸下沉。

　　等質(zhì)量取代:試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)廢玻璃集料能夠改善混凝土的和易性，且隨著廢玻璃取代率的增加，混凝土的坍落度加大。當(dāng)用廢玻璃集料等質(zhì)量取代砂時(shí)，廢玻璃混凝土粘聚性良好，保水性良好。當(dāng)取代率為20%~60%時(shí)，廢玻璃集料混凝土坍落度變化率非常大。當(dāng)取代率為40%時(shí)，廢玻璃取代砂的坍落度是基準(zhǔn)混凝土的1.22倍，此時(shí)坍落度變化率大，當(dāng)取代率繼續(xù)加大時(shí)，廢玻璃集料混凝土坍落度變化率逐漸降低。當(dāng)取代率為高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，廢玻璃取代砂的坍落度是基準(zhǔn)混凝土的1.50倍。綜上，當(dāng)我們僅考慮坍落度情況時(shí)，利用廢玻璃混凝土配制強(qiáng)流動(dòng)性混凝土?xí)r的取代率為20%~60%。廢玻璃集料的添加能使混凝土的坍落度增加的原因有二：一是廢玻璃表面比砂表面更加光滑，由廢玻璃代替砂能有效減少粗骨料之間的摩擦，從而增加混凝土的流動(dòng)性；二是廢玻璃吸水率為0.17%左右，砂、石的吸水率為1%~3%，且廢玻璃的透水性要高于砂石。然而亦有研究發(fā)現(xiàn)，廢玻璃代替混凝土中天然細(xì)集料時(shí)，隨著取代率的增加，混凝土的坍落度反而還會出現(xiàn)下降的趨勢，但和易性依然符合設(shè)計(jì)要求，與上述學(xué)者實(shí)驗(yàn)結(jié)論恰好相反，這可能與玻璃的幾何形狀有關(guān)。由于玻璃顆粒表面的棱角多于砂子，所以一方面加大了細(xì)集料的比表面積，降低了拌合物中的自由水含量，減少了流動(dòng)性；另一方面，多棱角的幾何形狀無益于顆粒的流動(dòng)，因此在宏觀上表現(xiàn)為坍落度的下降。

　　二、對力學(xué)性能的影響

　　力學(xué)性能是混凝土作為結(jié)構(gòu)材料的重要性質(zhì)，隨著廢玻璃取代砂的比率加大，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢。

　　1、對立方體抗壓強(qiáng)度的影響

　　研究表明，當(dāng)廢玻璃取代砂的取代率不超過20%時(shí)，廢玻璃混凝土的抗壓強(qiáng)度約為普通混凝土抗壓強(qiáng)度的95%左右，抗壓強(qiáng)度下降不明顯。當(dāng)取代率在20%~75%之間時(shí)，廢玻璃混凝土的抗壓強(qiáng)度變化曲線近似呈直線下降。當(dāng)取代率超過75%時(shí)，廢玻璃混凝土的抗壓強(qiáng)度為普通混凝土抗壓強(qiáng)度的65%左右，抗壓強(qiáng)度下降明顯。由此可知，用取代率不超過20%廢玻璃取代天然砂制作混凝土是可行的。當(dāng)取代率不超過20%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度下降不明顯。隨著取代率（20%~75%）的逐漸增加，混凝土抗壓強(qiáng)度下降的較快，這主要是由于天然細(xì)集料逐漸減少，廢玻璃逐漸增多，而廢玻璃表面較光滑，與硬化后的水泥石粘結(jié)強(qiáng)度較小，當(dāng)有外力作用于混凝土上時(shí)，易在水泥和細(xì)集料的界面處發(fā)生破壞，從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度下降。

　　2、對軸心抗壓強(qiáng)度的影響

　　某學(xué)者研究表明利用廢玻璃等體積取代混凝土中的砂時(shí)，當(dāng)廢玻璃取代率為50%時(shí)，廢玻璃混凝土與普通混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度相差較?。划?dāng)廢玻璃取代率為高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，廢玻璃混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為普通混凝土的1.23倍。另有學(xué)者利用廢玻璃等質(zhì)量取代混凝土中的砂，隨著廢玻璃的取代率的不斷增加，廢玻璃混凝土試件的軸心抗壓強(qiáng)度先略有加大而后不斷降低。當(dāng)廢玻璃取代率在20%以下時(shí)，廢玻璃混凝土試件的軸心抗壓強(qiáng)度略大于普通混凝土試件，但差別并不大。

　　3、對彈性模量的影響

　　某學(xué)者用廢棄鋼化玻璃等體積取代混凝土中的砂時(shí)，隨廢玻璃取代率的加大，混凝土的彈性模量加大。取代率為50%廢玻璃混凝土與普通混凝土的彈性模量相差不多，約為普通混凝土的1.09倍。取代率為高標(biāo)準(zhǔn)的廢玻璃混凝土的彈性模量為普通混凝土的1.19倍。三組混凝土彈性模量差異的原因可能是玻璃與水泥漿體的粘結(jié)性更好；并且由于玻璃和砂的性質(zhì)不同，所以混合集料與水泥的粘結(jié)性沒有單一玻璃集料與水泥粘結(jié)性好。此外，彈性模量的變化也與廢玻璃的組成種類有關(guān)，某學(xué)者用普通玻璃等質(zhì)量取代混凝土中的砂時(shí)，廢玻璃集料混凝土的彈性模量低于普通混凝土。這是由于玻璃集料自身的彈性模量小，脆性非常大，舒緩玻璃集料混凝土應(yīng)變能力弱的緣故。

　　4、對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

　　在實(shí)際工程中，往往用劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)代替混凝土軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，從而得出混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。通過對廢棄玻璃細(xì)集料混凝土試件進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)：首先，有豎向裂縫在廢棄玻璃細(xì)集料混凝土試件的高度中部出現(xiàn)；之后，隨著荷載的慢慢上升，裂縫不斷加大，直至貫穿試件的兩端；隨著一聲清脆的劈裂響聲，試件被劈成對稱的兩個(gè)部分。通過觀察試件的壞面，我們不難可以發(fā)現(xiàn)，試件的的整個(gè)破壞截面非常平整，并且其破壞荷載很小。通過不斷增加廢棄玻璃細(xì)集料的用量，可以發(fā)現(xiàn)其劈裂抗拉強(qiáng)度是不斷降低的；當(dāng)維持廢棄玻璃細(xì)集料的取代率在20%左右時(shí)，廢棄玻璃細(xì)集料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與天然集料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度基本一致。

　　三、對堿集料反應(yīng)的影響

　　將廢玻璃破碎后用作集料是目前廢玻璃用于水泥制品生產(chǎn)的主要途徑，但是用作集料會有一些缺點(diǎn)，其中重要的原因是玻璃中含有活性SiO2等能夠與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2等堿溶液發(fā)生堿集料反應(yīng)。堿集料反應(yīng)是目前混凝土研究的一大難題，由于其一旦發(fā)生所帶來的損失是無法彌補(bǔ)的，因此廢玻璃混凝土的研究一度無法進(jìn)行下去?；炷良现械幕钚猿煞郑ɑ钚許iO2或活性Al2O3）與水泥、外加劑、摻合料或者水中的堿（主要是Na2O和K2O）所發(fā)生的反應(yīng)稱為堿集料反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物通常會吸水膨脹從而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土膨脹開裂以至于失去設(shè)計(jì)性能。堿集料反應(yīng)按照參與的有害的礦物種類通?？梢苑譃閮煞N，一種是堿硅酸鹽反應(yīng)（Alkali-Silica Reaction，ASR），另一種為堿碳酸反應(yīng)（Alkali-Carbonate Reaction,ACR）。對于廢玻璃混凝土，明顯的就是ASR；ASR反應(yīng)的主要產(chǎn)物為堿硅酸鹽凝膠，反應(yīng)物則主要為活性SiO2和孔隙溶液中的Na+、K+等。集料中活性SiO2所有的呈任意網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅氧四面體使其有很大的表面積，因此K+較易破壞其中的硅氧鍵使其不能聯(lián)合而解體。

　　1、廢玻璃摻量的影響

　　當(dāng)廢玻璃不磨細(xì)并且在不摻加ASR舒緩劑的情況下，混凝土的ASR膨脹在廢玻璃渣取代砂等細(xì)集料或者粗集料達(dá)到什么樣的比率時(shí)才會發(fā)生目前并沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，但是ASR膨脹大小和廢玻璃摻量呈正相關(guān)的趨勢是基本可以確定的，當(dāng)廢玻璃的摻量加大時(shí)ASR膨脹值也會加大。

　　2、混凝土中堿含量的影響

　　發(fā)生ASR的必要條件之一是混凝土中含有一定的堿。當(dāng)混凝土中的堿含量得到有效的控制時(shí)，ASR反應(yīng)產(chǎn)生的危害將大大降低?；炷林械膲A含量對ASR反應(yīng)產(chǎn)物的組成，ASR反應(yīng)速率都有直接影響，影響到混凝土的膨脹破壞程度。水泥是混凝土中堿的主要來源，混凝土中的堿含量的高低取決于水泥堿含量的高低。固相中的堿一般認(rèn)為是不會參與ASR反應(yīng)的，但孔隙溶液中的堿可直接參與反應(yīng)。ASR反應(yīng)膨脹值與混凝土堿含量的定量關(guān)系現(xiàn)在并不明確，該方面的研究也尚處于起步階段。

　　3、玻璃顏色的影響

　　日常生活中有各式各樣不同顏色種類的玻璃，例如紅色、藍(lán)色、綠色、顏色等，這其中的顏色是由其所摻加的著色劑種類所決定的。著色劑大部分為過渡金屬的化合物，其不同的種類對ASR反應(yīng)的影響程度也有所不同。Cr2O3著色劑的摻加會使玻璃呈現(xiàn)綠色同時(shí)對ASR反應(yīng)也有舒緩作用，無色的硼玻璃對ASR反應(yīng)的影響要比顏色硼玻璃大。顏色對廢玻璃配制混凝土的影響只是表象，其根本為廢玻璃中的化學(xué)成分的影響，只有分析清楚這個(gè)因素才能從根本上理解并解決問題。

　　在一定的廢玻璃摻量、特定范圍的廢玻璃細(xì)度的條件下，廢玻璃混凝土的力學(xué)性能和堿集料反應(yīng)與普通混凝土相差不大。隨玻璃摻量的增加，坍落度加大，工作性能得到改善。所以，用廢玻璃部分代替天然集料制作混凝土是可行的。隨社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，廢玻璃的的排放量日益加大，混凝土的應(yīng)用也在增加，將廢玻璃應(yīng)用到混凝土中制作廢玻璃混凝土，不僅能減少污染，保護(hù)環(huán)境，還能減少天然集料的使用，節(jié)約資源，具有環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的雙重效益