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    废弃玻璃混凝土

    发布: 江苏省硅酸盐学会 人气:377 次 时间:2019/11/13 12:16:39 关闭
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    经过三次工业革命的推动,社会得到飞速发展, 社会生活也得到极大发展,然而人们产生的废弃物 越来越多,废弃玻璃就是其中之一。目前,根据联 合国的统计,废弃玻璃在全球固体废渣中的比重为 7%1]。在西方发达国家中,废弃玻璃占城市垃圾总 量的4%~8%2005 年美国废弃玻璃的产量约1280 t ;同样的,我国废弃玻璃产量情况也不乐观。我 国每年产生的废弃玻璃总量有1040 t,占固体废 物总量的5%。西方国家从20 世纪60 年代就开始 回收利用废玻璃,已经取得显著的成就,如表1 所示。 欧美等发达国家的废玻璃回收率达70% 以上,而其 中瑞士则高达90%。在废弃玻璃的回收方面,我国 起步较晚,较西方发达国家差距大,并且大量的废 弃玻璃被丢弃未被合理处理。因此,在这一方面, 我国应积极的向西方学习,学习他们的先进工艺和 经验,不断加大我国在这一领域的工作力度和研究 力度,并结合与我国实际情况相结合,研究出适合 我国的路子。



    在实际生活中,废弃玻璃的回收利用的途径有 很多,其中之一就是将废玻璃应用到制造水泥混凝土制品中。废玻璃应用到混凝土及其水泥制品中 的研究,始于上世纪60~70 年代的欧美等发达国家。 在初始阶段,废玻璃主要用于替代混凝土中的粗集 料、细集料等,此种工艺可以大大降低混凝土的表 观密度(约为原来的1/2),值得一提的是,这种混 凝土的其他性能并未显著降低。近几年,西方发 达国家就将玻璃粉用作水泥替代物用于混凝土的生 产做出了一系列研究,并取得不小的进展,然而我国 却缺少这一方面的研究。现有研究表明,当废玻 璃粉具有一定的细度就会表现出火山灰活性,甚至 可以用来替代一定的水泥等作为辅助胶凝材料。因 此,这一方面的研究实际意义重大,一方面可以减少天然材料的用量,另一方面能够回收利用废弃玻璃。 降低水泥生产的能耗,减少碳排放,因此具有环保 和经济的双重效益。



        玻璃的主要原料有石英砂、纯碱、石灰石、长 石等,这些原料在1550~1600 的高温下经过熔 融、成型、冷却、固化等阶段最终得到透明非晶态 的产物。玻璃的化学成分主要有SiO2Na2OCaO Al2O3 及少量K2OMgO 等,此外还有各式各样的特 殊性能玻璃是通过加入某些金属氧化物、化合物制成的。不同的化学成分玻璃的特性也不尽相同,常见的有以下几种玻璃:碱硅酸玻璃、硼硅酸玻璃、 铝硅酸玻璃、钠钙玻璃、硅质玻璃、铅玻璃、钡玻 璃等,钠钙玻璃是其中最为常见的,其化学组成大 致为73% SiO213% Na2O 10% CaO。研究表明 天然砂石和玻璃不仅硬度模数非常接近而且密度相 差也不大,这就为废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 冲击载荷时其破坏的屈服延伸阶段并不明显。玻璃 在破碎后呈现多棱状的表面,粒径在1.5mm~5mm 范围内时其脆性非常大,并不适于进行搅拌;然而 当粒径<1.5mm 时其脆性得到了非常大的改善,与砂子并没有多大的差异。此外玻璃有良好的耐腐 蚀性和耐酸性,因此废玻璃混凝土的耐久性也得到 了满足。综上所述,废玻璃用于配制混凝土是完全可行的。


    废玻璃取代集料对混凝土性能的影响


    1对和易性的影响


    等体积取代:试验研究表明用废玻璃取代砂 的混凝土仍为塑性混凝土,且随着废玻璃取代率的增 加,混凝土的坍落度增大。当废玻璃取代率为50% 时, 废玻璃混凝土的坍落度为普通混凝土的1.21 倍;当 废玻璃取代率为100% 时,废玻璃混凝土的坍落度为 普通混凝土的1.34 倍[6]。且废玻璃混凝土粘聚性良 好,保水性良好。废玻璃混凝土拌合物无稀浆析出, 用振捣棒敲打废玻璃混凝土锥体的侧面时,锥体逐渐下沉。


    等质量取代:试验研究发现废玻璃集料能够 改善混凝土的和易性,且随着废玻璃取代率的增加, 混凝土的坍落度增大。当用废玻璃集料等质量取代 砂时,废玻璃混凝土粘聚性良好,保水性良好。当 取代率为20%~60% 时,废玻璃集料混凝土坍落度变 化率较大。当取代率为40% 时,废玻璃取代砂的坍 落度是基准混凝土的1.22 倍,此时坍落度变化率最大,当取代率继续增大时,废玻璃集料混凝土坍落 度变化率逐渐降低。当取代率为100% 时,废玻璃取 代砂的坍落度是基准混凝土的1.50 倍。综上,当我 们仅考虑坍落度情况时,利用废玻璃混凝土配制强 流动性混凝土时的最佳取代率为20%~60%。废玻 璃集料的添加能使混凝土的坍落度增加的原因有二: 一是废玻璃表面比砂表面更加光滑,由废玻璃代替砂 能有效减少粗骨料之间的摩擦,从而增加混凝土的 流动性;二是废玻璃吸水率为0.17% 左右,砂、石的吸水率为1%~3%,且废玻璃的透水性要高于砂石。 然而亦有研究发现,废玻璃代替混凝土中天然细 集料时,随着取代率的增加,混凝土的坍落度反而 还会出现下降的趋势,但和易性依然符合设计要求, 与上述学者实验结论恰好相反,这可能与玻璃的几 何形状有关。由于玻璃颗粒表面的棱角多于砂子,所 以一方面增大了细集料的比表面积,降低了拌合物 中的自由水含量,减少了流动性;另一方面,多棱 角的几何形状无益于颗粒的流动,因此在宏观上表 现为坍落度的下降。


    2 对力学性能的影响


    力学性能是混凝土作为结构材料的重要性质,随着废玻璃取代砂的比率增大,混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度呈下降趋势。


    1 对立方体抗压强度的影响


    研究表明,当废 玻璃取代砂的取代率不超过20% 时,废玻璃混凝土 的抗压强度约为普通混凝土抗压强度的95% 左右, 抗压强度下降不明显。当取代率在20%~75% 之间 时,废玻璃混凝土的抗压强度变化曲线近似呈直线 下降。当取代率超过75% 时,废玻璃混凝土的抗压 强度为普通混凝土抗压强度的65% 左右,抗压强度 下降明显。由此可知,用取代率不超过20% 废玻璃 取代天然砂制作混凝土是可行的。当取代率不超过 20% 时,混凝土的抗压强度下降不明显。随着取代率(20%~75%)的逐渐增加,混凝土抗压强度下降 的较快,这主要是由于天然细集料逐渐减少,废玻璃 逐渐增多,而废玻璃表面较光滑,与硬化后的水泥石粘结强度较小,当有外力作用于混凝土上时,易 在水泥和细集料的界面处发生破坏,从而使混凝土的抗压强度下降。


    2 对轴心抗压强度的影响


    某学者研究表明利 用废玻璃等体积取代混凝土中的砂时,当废玻璃取代 率为50% 时,废玻璃混凝土与普通混凝土的轴心抗 压强度相差较小;当废玻璃取代率为100% 时,废玻璃混凝土的轴心抗压强度为普通混凝土的1.23 倍。 另有学者利用废玻璃等质量取代混凝土中的砂, 随着废玻璃的取代率的不断增加,废玻璃混凝土试件 的轴心抗压强度先略有增大而后不断降低。当废玻 璃取代率在20% 以下时,废玻璃混凝土试件的轴心 抗压强度略大于普通混凝土试件,但差别并不大。


    3 对弹性模量的影响


    某学者用废弃钢化玻璃等体积取代混凝土中的砂时,随废玻璃取代率的增大,混凝土的弹性模量增大。取代率为50% 废玻璃 混凝土与普通混凝土的弹性模量相差不多,约为普通 混凝土的1.09 倍。取代率为100% 的废玻璃混凝土 的弹性模量为普通混凝土的1.19 倍。三组混凝土弹 性模量差异的原因可能是玻璃与水泥浆体的粘结性 更好;并且由于玻璃和砂的性质不同,所以混合集料 与水泥的粘结性没有单一玻璃集料与水泥粘结性好。 此外,弹性模量的变化也与废玻璃的组成种类 有关,某学者用普通玻璃等质量取代混凝土中的砂 时,废玻璃集料混凝土的弹性模量低于普通混凝土。 这是由于玻璃集料自身的弹性模量小,脆性较大,抑制玻璃集料混凝土应变能力弱的缘故。


    4 对劈裂抗拉强度的影响


    在实际工程中,往 往用劈裂抗拉强度试验代替混凝土轴心抗拉强度试 验,从而得出混凝土的轴心抗拉强度。通过对废弃 玻璃细集料混凝土试件进行劈裂抗拉强度试验,可 以发现:首先,有竖向裂缝在废弃玻璃细集料混凝 土试件的高度中部出现;之后,随着荷载的慢慢上升, 裂缝不断增大,直至贯穿试件的两端;最后,随着 一声清脆的劈裂响声,试件被劈成对称的两个部分。 通过观察试件的破坏面,我们不难可以发现,试件 的的整个破坏截面非常平整,并且其破坏荷载很小。 通过不断增加废弃玻璃细集料的用量,可以发现其 劈裂抗拉强度是不断降低的;当维持废弃玻璃细集 料的取代率在20% 左右时,废弃玻璃细集料混凝土 的劈裂抗拉强度与天然集料混凝土的劈裂抗拉强度 基本一致。


    3对碱集料反应的影响


     将废玻璃破碎后用作集料是目前废玻璃用于水 泥制品生产的主要途径,但是用作集料会有一些缺 陷,其中最重要的原因是玻璃中含有活性SiO2 等能 够与水泥水化产生的CaOH2 等碱溶液发生碱集 料反应。碱集料反应是目前混凝土研究的一大难题, 由于其一旦发生所带来的损失是无法弥补的,因此 废玻璃混凝土的研究一度无法进行下去。 混凝土集料中的活性成分(活性SiO2 或活性 Al2O3)与水泥、外加剂、掺合料或者水中的碱(主 要是Na2O K2O)所发生的反应称为碱集料反应, 其反应产物通常会吸水膨胀从而产生内部应力,导致 混凝土膨胀开裂以至于最终失去设计性能。碱集料 反应按照参与的有害的矿物种类通常可以分为两种, 一种是碱硅酸盐反应(Alkali-Silica ReactionASR), 另一种为碱碳酸反应(Alkali-Carbonate Reaction, ACR)。对于废玻璃混凝土,最为明显的就是ASR ASR 反应的主要产物为碱硅酸盐凝胶,反应物则主 要为活性SiO2 和孔隙溶液中的Na+K+ 等。集料中 活性SiO2 所有的呈任意网状结构的硅氧四面体使其 有很大的表面积,因此K+ 极易破坏其中的硅氧键使其不能联合而解体。


    1 废玻璃掺量的影响


    当废玻璃不磨细并且在 不掺加ASR 抑制剂的情况下,混凝土的ASR 膨胀在 废玻璃渣取代砂等细集料或者粗集料达到什么样的 比率时才会发生目前并没有明确的标准,但是ASR 膨胀大小和废玻璃掺量呈正相关的趋势是基本可以 确定的,当废玻璃的掺量增大时ASR 膨胀值也会增 大。


    2 混凝土中碱含量的影响


    发生ASR 的必要条 件之一是混凝土中含有一定的碱。当混凝土中的碱 含量得到有效的控制时,ASR 反应产生的危害将大 大降低。混凝土中的碱含量对ASR 反应产物的组成, ASR 反应速率都有直接影响,最终影响到混凝土的 膨胀破坏程度。水泥是混凝土中碱的主要来源,混凝土中的碱含量的高低取决于水泥碱含量的高低。固 相中的碱一般认为是不会参与ASR 反应的,但孔隙 溶液中的碱可直接参与反应。ASR 反应膨胀值与混 凝土碱含量的定量关系现在并不明确,该方面的研 究也尚处于起步阶段。


    3 玻璃颜色的影响


    日常生活中有各式各样不同颜色种类的玻璃,例如红色、蓝色、绿色、黄色等, 这其中的颜色是由其所掺加的着色剂种类所决定的。 着色剂大部分为过渡金属的化合物,其不同的种类对 ASR 反应的影响程度也有所不同。Cr2O3 着色剂的掺 加会使玻璃呈现绿色同时对ASR 反应也有抑制作用, 无色的硼玻璃对ASR 反应的影响要比黄色硼玻璃大。 颜色对废玻璃配制混凝土的影响只是表象,其根本 为废玻璃中的化学成分的影响,只有分析清楚这个 因素才能从根本上理解并解决问题。


    在一定的废玻璃掺量、特定范围的废玻璃细度 的条件下,废玻璃混凝土的力学性能和碱集料反应 与普通混凝土相差不大。随玻璃掺量的增加,坍落 度增大,工作性能得到改善。所以,用废玻璃部分 代替天然集料制作混凝土是可行的。 随社会经济的发展,废玻璃的的排放量日益增 大,混凝土的应用也在增加,将废玻璃应用到混凝 土中制作废玻璃混凝土,不仅能减少污染,保护环境, 还能减少天然集料的使用,节约资源,具有环保和 经济的双重效益




     
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