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淄博溪源玻璃制品有限公司

 

超高性能混凝土中用玻璃砂替代石英砂

作者:淄博溪源玻璃制品有限公司 浏览: 发表时间:2021-01-06 09:48:34

  大量的玻璃由于其高破坏潜力、混色而难以被回收利用,或者回收利用的成本很高[1]。绝大多数玻璃在垃圾场做填埋处理,但这不合理,因为玻璃本身不能被生物降解,对环境不友好[2]。随着对环境保护的日渐重视,人们逐渐将注意力集中到如何将固体废弃物转换为混凝土的组分上来。对一些固体废弃物再利用,不仅能节约资源和能源,还能改善混凝土的性能。玻璃颗粒磨细成最大粒径小于75um的玻璃粉,可以发挥其火山灰活性,从而改善浆体的微观结构及混凝土的长期强度和耐久性。研究表明,玻璃粉的火山灰活性取决于其细度。相对于水泥水化而言,玻璃粉的火山灰反应在早期进行得很慢,但是后期的火山灰反应会加速[5-16]。另外,在磨细玻璃粉中并没有观察到碱-集料反应。

  由于废弃玻璃的吸水率较低,与自然砂石的密度相近,废弃玻璃在混凝土中常被作为粗细集料使用[18]。由于玻璃砂可以通过细化粒度来提高其结构特性,在混凝土中用玻璃砂替代天然砂可以获得更好的机械性能。Park等[19]用30%的玻璃砂替代普通砂制得了抗压强度、劈裂抗拉和抗折强度与传统混凝土相近的混凝土。他们也观察到,即使在更高的替代比例下,玻璃砂也不会显著地影响强度。作者指出,些许的强度降低是由于水泥与玻璃砂的粘合力小于水泥与天然砂的粘合力所致,这是因为玻璃砂的吸水率相对较低。在Turgut和Yahlizade关于生产铺面板材的研究中发现,用玻璃砂替代20%的天然砂可以显著提高抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度。作者将这一结果归因于玻璃砂的火山灰活性。

  由于玻璃具有很低的吸水率,含有玻璃砂的混凝土的吸水率显著降低,可以显著提高混凝土的耐久性[21]。用玻璃砂制备的铺面板材也具有较低的吸水率[20]。

  虽然上述试验研究证明废弃玻璃可以作为集料应用于混凝土中,但是其应用依然受水泥浆体中高碱孔溶液和废弃玻璃的活性二氧化硅之间的碱集料反应(ASR)导致的破坏性膨胀所限制。波特兰水泥中碱与集料中二氧化硅的反应生成的硅凝胶不仅因为膨胀导致开裂,也会降低混凝土的强度,缩短其使用寿命[17]。Jin等[17]发现,粒径在1.18mm到2.36mm的玻璃砂产生的膨胀最大,而粒径更大或更小时,则具有更小的膨胀量。Idir等[22]发现,采用粒径大于1mm的玻璃砂时会生成ASR凝胶,但是采用颗粒更细的玻璃砂时会因发生火山灰反应而生成C-S-H凝胶。的确,当玻璃砂的粒径小于1mm时,颗粒周围会形成一层不膨胀的ASR凝胶,使得颗粒与水泥相连接更紧密[22]。减少碱集料反应的常规方法有采用低碱水泥、掺加掺合料、阻止水进入混凝土以及对集料进行改性[23,24]。当粉煤灰掺量为20%时,可以显著降低混凝土中玻璃砂导致的ASR膨胀[25]。Lam等[26]发现,混凝土中掺入10%的粉煤灰就可以阻止含玻璃砂的铺面板材的ASR破坏。Shayan和Xu也发现在砂浆中用10%的硅灰和超过20%的玻璃粉替代水泥可以保证没有不良的ASR膨胀。

  近年来,随着混凝土技术的发展,出现了像超高性能混凝土(UHPC)这样的新一代混凝土。超高性能混凝土是一种具有高力学性能、高延展性和高耐久性的混凝土[27]。典型的超高性能混凝土由水泥、硅灰、石英粉、石英砂和钢纤维等组成[28]。纤维的掺入可以显著提高超高性能混凝土的抗折强度和延展性。超高性能混凝土的抗压强度一般大于150MPa,抗折强度可以达到15MPa,弹性模量可达45GPa,可以实现最小的长期徐变[28,29]。超高性能混凝土可以抵抗冻融循环破坏和除冰盐侵蚀而不会出现可见的损伤,而且氯离子几乎不能渗透[30-32]。这些优异的性能主要是通过提高剔除粗骨料、增加堆积密度、提高匀质性、优化微观结构和掺入纤维实现[27,28]。目前,超高性能混凝土在建筑中的应用主要是预应力或预制混凝土构件,例如轻质桥梁、海洋平台、预制墙体、混凝土修复、城市家具及其他建筑应用。

  获取颗粒级配满足超高性能混凝土匀质性和最佳堆积密度要求的石英砂是制备超高性能混凝土的难题。在缺少符合级配要求的石英砂时,通常采用的方法是粉碎粗砂或岩石,由于粉碎过程中会产生粉尘,所以既费时耗能又造成严重污染。根据加拿大环境部的报告,石英砂粉尘会对环境产生短期和长期的双重影响。此外,国际癌症研究组织(IARC)已经将职业暴露的可呼吸石英归类为第一类致癌物质。美国国家毒理学计划将可吸入大小的结晶二氧化硅归类为人类致癌物质。这些归类的基础是人类研究所掌握的充分证据。研究证明暴露于可呼吸的结晶二氧化硅的工人的患肺癌概率会显著增加。基于这些数据,应该采用紧急措施,采用其他安全无害的材料代替石英砂。虽然超高性能混凝土是一种创新的耐用材料,但其制备需要大量天然石英砂。若用玻璃砂替代天然石英砂,则可以显著减少对环境的影响。

  本文研究目的在于用玻璃砂部分或全部替代石英砂以制备超高性能混凝土。文中玻璃砂替代石英砂的效果通过测量混凝土的堆积密度、新拌性能、抗压强度、碱集料反应以及微观结构等进行评价。除此之外,试验还考查了常规养护和蒸汽养护对超高性能混凝土抗压强度的影响。

  2 研究意义

  为了应对自然资源的短缺和寻找保护环境的新途径,现代建筑的可持续发展要求采用非常规和创新材料或者循环利用废弃材料。用玻璃砂取代超高性能混凝土中的石英砂不仅可以利用废弃玻璃,也能减少由于制备石英砂带来的成本压力和环境压力。采用玻璃砂替代石英砂,能降低石英砂的用量,避免因采用石英砂而增加的运输费用,大幅度降低超高性能混凝土的成本。将玻璃砂作为超高性能混凝土中石英砂的替代产品,更可以避免由于磨制石英砂而导致的环境危害和致癌风险。

  3 试验部分

  发展超高性能混凝土的技术关键在于不免去普通混凝土和高性能混凝土所采用的粗集料和大粒径砂,而只采用最大粒径小于600微米的石英砂[27]。因此,相对于普通混凝土和高性能混凝土而言,薄弱的界面过渡区得以减小,而且实现了最紧密的堆积和最佳的性能。在超高性能混凝土中采用的较粗颗粒是最大粒径小于600微米的石英砂,因此,优化玻璃砂级配的主要目标是使其接近石英砂的级配,以获得特定的颗粒组合,实现最优的堆积密度。

  为使玻璃砂获得最优的堆积密度,磨制玻璃砂时将其尺度划分为3个区间:序号为GS1的粗砂,粒径在320微米到600微米之间;序号为GS2的中砂,粒径在160微米到320微米之间;序号为GS3的细砂,粒径在80微米到160微米之间。基于Sedran和De Larrard方程计算单元、二元和三元组合的堆积密度,得到玻璃砂的最佳堆积密度。基于堆积密度计算结果,选择了3组具有最高堆积密度的GS1,GS2和GS3的3元组合。三组的颗粒平均粒径分别为225、275和350微米,在传统超高性能混凝土中100%取代石英砂。最优玻璃砂组合的选择,不仅要考虑最高堆积密度,还要考虑新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的力学性能和耐久性。

  玻璃砂的最佳组合可以通过堆积密度和混凝土的性能测定结果来确定,并在超高性能混凝土中以不同的比例(0%,50%和100%)取代石英砂。从混凝土的堆积密度、工作性、力学性能、碱集料反应和微观结构等方面来研究玻璃砂替代石英砂的影响。

  在超高性能混凝土抗压强度试验方面还对比了两种养护条件(标准养护---温度为20±2℃,相对湿度100%;蒸汽养护---温度为90℃,相对湿度100%养护48h)的影响。

  下面将介绍本研究中的配合比优化方法、混合物组成、材料性能和测试手段。

  3.1 试验原材料

  水泥中C3A和C3S的含量和水泥细度对于控制混凝土的流变性至关重要。对于水泥用量很高的超高性能混凝土而言,影响更加显著。因此,本文选择具有低C3A和C3S的高抗硫酸盐水泥制备超高性能混凝土。

  配合比中的硅灰应符合CAN/CSA A3000标准的规定。

  所采用的石英砂密度为2.7 g/cm3,最大粒径小于600微米。以密度为2.73g/cm3,最大粒径小于13微米的石英粉作为填料。玻璃砂的最大粒径为600微米,其二氧化硅含量为73%,氧化钠含量为13%,密度为2.60g/cm3。各种原材料的化学物理特性和粒度分布如表1。石英砂和玻璃砂的形状和尺寸如图2所示。通过XRD分析发现,石英砂主要为晶体,而玻璃砂主要为非晶体,如图3所示。配合比中采用的聚羧酸系高性能减水剂的密度为1.09g/cm3,固含量为40%。

  3.2 拌合物组成及配合比优化

  由于颗粒结构对于超高性能混凝土的新拌性能和硬化后力学性能的兼顾都有显著影响,所以提高超高性能混凝土性能的技术关键是优化颗粒级配分布和堆积密度。超高性能混凝土的配制从设计所有颗粒组分的颗粒结构开始。本文试验中,UHPC的配合比设计基于CPM模型,如表2所示。另外,五组UHPGC的配合比是用不同种类玻璃砂替代石英砂而得。其中,水泥、硅灰、石英粉、水胶比和减水剂用量保持不变。

  3.3 测试方法

  采用10L容量的高能剪切搅拌机进行拌合物的拌和。为了获得均匀的拌合物而避免颗粒聚集,将所有的粉末材料先干拌10min,然后每间隔5分钟,分两次将水和减水剂的混合物加入到搅拌锅内。搅拌结束后,测试超高性能混凝土的新拌性能,包括混凝土温度、容重、含气量,并采用迷你坍落度桶测试流动性。

  超高性能混凝土的抗压强度采用50mm×50mm×50mm的立方体试件。对带模试件的表面进行覆盖,保存在温度23℃,湿度50%的环境中24h。脱模后,用两种不同的养护条件对试件进行养护:标准养护和蒸汽养护。ASR膨胀和质量变化测试参考ASTM C1260标准,被测试件为50QS和50GS。这各系列的试件采用的模具为20mm×20mm×275mm标准砂浆模具。试件带模养护条件与前述相同,在脱模后即进行第一次长度测量和质量测量并记进行录。试件在80℃水浴24h后测量其长度和质量并作为基准。之后将试件浸泡在80±2℃的NaOH溶液中,每天测量一次长度和质量,直到浸泡14天为止。采用SEM和EDS对试件的微观结构进行观测。

  4 结果与讨论

  4.1 采用堆积密度优化玻璃砂的颗粒级配

  基于文献中的公式计算单元、二元和三元组合的堆积密度。首先,确定每种单一材料的堆积密度。采用密集压实测试(ICT)方法测量粒径分布大于125微米的玻璃砂的干堆积密度。得到的3种玻璃砂GS1,GS2和GS3的单元堆积密度分别是0.56、0.55和0.50。GS1和GS2的结果稍微高与GS3。根据参考文献,这可能是因为粗颗粒间的摩擦作用,颗粒间的接触点较少更容易压实。

  三元组合的堆积密度曲线如图4(右)所示。可见,当GS1:GS2:GS3=49%:21%:30%或56%:24%:20%时,三元组合堆积密度最大,可以达到0.63。结果显示,GS3比例在10%到50%间增加时,堆积密度由于细颗粒对粗颗粒间隙的填充而增加。

  虽然,配制超高性能混凝土时会优先选择更高的堆积密度,但是最大的堆积密度并不意味着最好的性能。考虑到混凝土的工作性,在最大堆积密度附近选择了3组(0.63、0.62和0.60),并根据其平均粒径进行分类。平均粒径(d50)分别为350微米,275微米和225微米,并分别编号为GS-350,GS-275和GS-225,它们的粒度分布如图5所示。

  4.2 玻璃砂颗粒级配对超高性能混凝土性能的影响

  超高性能混凝土系列1和空白组新拌混凝土的温度、容重、含气量和迷你坍落度值如表3所示。可以发现,采用GS-350和GS-225取代石英砂时,会导致超高性能混凝土工作性降低,坍落度从190mm分别降低到了175mm和170mm。采用GS-275时,超高性能混凝土的坍落度可以达到210mm。

  采用CS-350和GS-225的混凝土堆积密度会降低。根据文献中CPM模型计算得到的空白组、GS-350和GS-225的堆积密度分别为0.79,0.76和0.75。由于GS-350和GS-225中细颗粒(80微米-160微米)含量的增加,混凝土的工作性降低。这一方面是由于水泥和石英粉以及GS3中细颗粒的搭接导致。与GS-350和GS-225相比,含有GS-275的超高性能混凝土由于减少了GS3的含量,堆积密度较低,从而混凝土的工作性得到提高。相比于空白组而言,其工作性提高的主要原因是其具有更低的吸水率和光滑的表面。

  空白组浆体容重和掺有三组不同玻璃砂的容重基本一致,这主要是玻璃砂的比重和石英砂的比重基本相当,分别为2.75和2.60。

  相对于采用石英砂的空白组而言,采用玻璃砂的三组的具有相对较高的含气量。堆积密度最低的GS-350这组具有最高的含气量(5.5%),而堆积密度较高的GS-275具有一个较低的含气量(4.6%)。应该注意的是,这是由于搅拌过程中聚羧酸系高性能减水剂所引入的气体造成。试验中没有使用消泡剂。

  系列1和空白组在两种养护条件下的抗压强度,如图6所示。图中还显示了四组配方的堆积密度。总体而言,无论龄期或者养护条件,采用玻璃砂的超高性能混凝土抗压强度低于空白组。例如,空白组、GS-225、GS-275和GS-350的标准养护91天抗压强度分别为182,127,157和128MPa,蒸汽养护两天的抗压强度分别为204,164,182和153MPa。用石英砂制备的超高性能混凝土在这方面表现优于玻璃砂。另一方面,抗压强度的降低可能是由于堆积密度的降低导致的。实际上,当施加压力时,剪切和拉伸应力会在集料和水泥浆体的界面过渡区发展,并形成尺寸与集料的最大粒径成比例的微小裂缝[28]。对于玻璃砂而言,筛分测试长度为630微米,实际长度可达1毫米,如图2右图所示,在相同荷载或是较低强度下容易产生裂纹,而且,相比于石英砂的圆形表面,强度较低的玻璃砂的表面粗糙、细长和扁平化。另外,玻璃砂较低的强度可能是由于玻璃砂与水泥之间的粘合力小于石英砂与水泥之间的粘合力[19]。另外,强度降低可能是由于堆积密度的降低导致含气量的增加而引起的。含气量和堆积密度对抗压强度的影响如图7所示。随着堆积密度的提高,含气量降低,抗压强度提高。

  系列1中,采用GS-275的堆积密度(0.78)与采用石英砂的空白组的堆积密度(0.79)最为接近。采用GS-275的超高性能混凝土工作性要高于空白组,抗压强度也是系列1中最高的。它标准养护91天的强度可以达到157MPa,2天蒸汽养护可以达到182MPa,分别比空白组的14%和11%。基于这个结果,采用GS-275作为超高性能混凝土中石英砂替代比例的研究对象。

  4.3 玻璃砂的最佳石英砂取代比例

  通过对超高性能混凝土中石英砂用GS-275以不同比例(0,50%,100%)的替换,通过其对工作性、机械性能和耐久性的影响来选择玻璃砂的最佳石英砂替代比例。

  4.3.1 新拌性能

  50QS/50GS、0QS/100GS和空白组的新拌性能,包括迷你坍落度、容重、含气量以及混凝土温度如表3所示。随着玻璃砂的比例增加,坍落度提高,空白组、50QS/50GS和0QS/100GS的坍落度值分别是190、200、210mm,如图8所示。其主要原因是玻璃砂具有较低的吸水率和光滑的表面。含气量也有类似规律,含气量随着玻璃砂的比例增加而降低,这主要是由于随着玻璃砂的比例增加,堆积密度降低。

  4.3.2 抗压强度

  空白组、50QS/50GS和0QS/100GS的标准养护1、7、28、56及91天和蒸汽养护2天的抗压强度如图8所示。一般而言,蒸汽养护两天的抗压强度高于标准养护91天的。这是由于硅灰在高温下具有更高的火山灰活性。火山灰反应灰生产结构致密的C-S-H凝胶,促进强度发展。

  50QS/50GS的抗压强度与空白组的更为接近,91天标准养护和2天蒸汽养护的分别只差6%和4%,而0QS/100GS分别相差14%和11%。尽管存在这样的差距,其强度依然满足传统超高性能混凝土抗压强度大于150MPa的要求。如上面所说,这种强度降低主要是由于玻璃砂的细长和扁平化的形貌导致的。

  4.3.3 碱集料反应

  限制玻璃砂在混凝土中使用的主要因素是玻璃砂中活性硅物质与水泥浆体中高碱孔溶液发生碱集料反应导致破坏性的体积膨胀。出于这样的考虑,测量了50QS/50GS的ASR膨胀。加速碱集料反应是参考ASTMC1260标准进行的。16天的加速碱集料反应产生的膨胀变化如图9所示。16天的最大膨胀量为0.03%,相当于标准规定的无害膨胀(0.1%)的1/3。采用的高抗硫酸盐腐蚀水泥具有较高的碱含量(等效碱含量为0.9%),获得了这样较低的膨胀。含有玻璃砂的超高性能混凝土的ASR膨胀较低的原因主要是由于玻璃砂的最大粒径小于1mm。如此小颗粒的玻璃砂会发生火山灰反应生成C-S-H凝胶而不是ASR凝胶。的确,当颗粒粒径小于1mm时,会在颗粒表面形成不具有膨胀性的ASR凝胶,可以使的玻璃颗粒与水泥浆体有更好的粘合力[22]。

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  4.3.4 微观结构分析

  采用SEM观察蒸汽养护后的空白组样品和经过加速碱集料反应的50QS/50GS试样。所有样品均经过环氧树脂浸渍,抛光及涂敷,方便SEM分析。空白组试样(A,B)和50QS/50GS试样(C,D)的背散射扫面电子图像如图10所示。由于水胶比较低,可以看到大量未反应的水泥颗粒,石英砂粉末和硅灰。图中没有发现可见的毛细孔和裂纹,也没有看到Ca(OH)2晶体。超高性能混凝土就是基于最紧密堆积理论设计的,且其利用了火山灰矿物掺合料[49]。因此,它具有非常低的孔隙率,特别是连续孔孔隙率。在超高性能混凝土基体中也会观察到一些夹带的球形空气孔。大部分这些孔被认为是由于高性能减水剂的副作用导致的。图10中的黑点有可能是由于混凝土破碎时造成的。图中基本看不到界面过渡区,或者是过渡区很薄。


  5 结论

  通过本文研究工作,可得出以下结论:

  文献中的CPM模型可以应用于不同粒径分布的玻璃砂上,来获得具有理想粒度分布曲线的目标玻璃砂。

  本研究获得了具有理想粒度分布曲线的玻璃砂(即平均粒径为275微米的GS-275)。用该玻璃砂替代石英砂可以提高超高性能混凝土的工作性,而对强度影响不大。

  在超高性能混凝土中,较低的堆积密度会导致含气量增加,这不利于其抗压强度。

  本文超高性能混凝土最佳配合比是采用玻璃砂替代50%石英砂,这样可以保证与基准试件基本相当的工作性和力学性能。

  玻璃砂替代50%石英砂可以得到微观结构密实,没有碱集料反应膨胀的超高性能混凝土。由于超高性能混凝土渗透性极低,阻止了碱的侵蚀,具有良好的耐久性。

  玻璃砂可以有效地用于超高性能混凝土的生产,从而降低对石英砂的需求,并控制生产成本和降低对环境的影响。


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