废弃玻璃粉在混凝土中的应用机理及ASR风险.pdf
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1、第3 3 卷 第2期 2 0 1 6年 2月 长江科学院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e V0 1 3 3 No 2 F e b 2 0 1 6 d o i : 1 0 1 1 9 8 8 c k y y b 2 0 1 4 0 8 7 1 2 0 1 6 , 3 3 ( 0 2 ) : 9 4 9 9 废弃玻璃粉在混凝土中的应用机理及 A S R风险 李丽华 。 任增乐 , 杨俊超 , 刘数华 ( 1 湖北工业大学 土木工程与建筑学
2、院, 武汉4 3 0 0 6 8 ; 2 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点试验室 , 武汉4 3 0 0 7 2 ) 摘要: 废弃材料广泛应用于土木工程领域 , 废弃玻璃粉用作混凝土辅助胶凝材料符合我国建材的可持续发展要 求。在大量文献调研的基础上, 分析废弃玻璃在混凝土中应用的可行性。结果表明, 玻璃在复合胶凝材料水化硬 化过程中不仅具有一些特殊的作用机理, 还存在 A S R风险。由于含有大量的无定性二氧化硅, 玻璃用作骨料时容 易引发碱一 骨料反应, 但磨细成粉料可用作活性辅助胶凝材料。因此, 本文提出将废弃玻璃粉磨成粉体材料用作混 凝土辅助胶凝材料, 并探讨废弃玻璃粉在复合胶凝材
3、料水化硬化过程中的作用机理及 A S R风险。将废弃玻璃磨细 成粉料, 既可以解决玻璃骨料的碱一 骨料反应问题, 还能发挥其火山灰作用 , 改善混凝土的性能。 关键词: 废弃玻璃粉; 混凝土; 胶凝材料 ; 作用机理; A S R 中图分类号: T U 5 2 8 0 4 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 1 - 5 4 8 5 ( 加1 6 ) 0 2 - 0 0 9 4 - 0 6 1 研 究背景 随着工业和生活水平的发展 , 产生的废弃玻璃 越来越多 , 不仅 占用大量处理用地 , 而且污染环境 。 联合 国统计数据表 明, 全球 固体废渣 中 7 为废弃 玻璃 J 。欧美发达
4、国家废弃 玻璃 占城市垃圾 总量 的4 一 8 ; 美 国 2 0 0 5年产 出约 1 2 8 0万 t , 但只有 2 7 5 万 t 得到回收利用 ; 我国每年产出约 4 5 0 7 0 0万 t ; 香港 每天 产 出约 3 0 0 t , 9 8 以垃圾 填 埋处理 J 。而填 埋 处 理 费 用 较 高 , 在纽 约, 每 处 理 1 t 废弃玻璃 , 材料回收部 门收取 的费用为 4 5美 元【 卜 引。而且 , 由于污染 、 颜 色混杂及成本等原 因 , 并不是所有回收玻璃都能用于生产新玻璃。大量废 弃玻璃不能再利用 , 是社会资源的巨大浪费。 回收废弃玻璃材料在土木工程 中的
5、应用前景极 好 : 用量大 、 品质要求低 、 工程分布广 。已有成功应 用典范 , 如粉煤灰、 矿渣等 , 一度曾是处理难题 , 而今 却因能改善混凝 土的性能 , 成 为有价值 的商 品 J 。 现在 , 如何将废弃玻璃用作混凝土原材料则成为新 的挑战 。 钠钙玻璃应用最广, 在所有废弃玻璃中, 钠钙玻 璃约占8 0 。钠钙玻璃含 S i O , N a 0和 C a O的比 例分别为 7 3 , 1 3 和 1 0 _ 8 , 为 了调整颜色和获 得某些特殊功能 , 生产时还常掺加少量添加剂。玻 璃( 本文均指钠钙玻璃) 是无定形 的, 并含有大量 的 硅和钙 ; 理论上只要粉磨到一定细
6、度 , 将具备火山灰 活性 , 甚至胶凝性 , 可用作混凝土辅助胶凝材料。同 时 , 也正因为玻璃含有大量的无定形二氧化硅 , 还将 带来碱一 硅反应( A S R) 风险。 由于玻璃粉在化学成分 、 颗粒特性等方面与传 统辅助胶凝材料差别较大 ( 如含碱量 高、 针片状颗 粒多等 ) , 因而在硅酸盐水泥环境 中的水化特性 、 作 用机理及其对混凝 土性能 的影响机制差异也较大 ; 另外 , 玻璃粉的 A S R还可能给混凝土结构带来灾难 性破坏。而 目前针对玻璃粉用作混凝土辅助胶凝材 料的研究主要停留在火 山灰活性 层面, 其 它方 面的 作用机理还很少考虑; 复合胶凝材料水化硬化的理 论
7、体系也不完善 , 尚未涉及玻璃粉对胶凝体 系水化 动力学 的影响机制 ; 针对玻璃粉 的 A S R风险 , 仅粗 略地探讨颗粒尺度对反应走 向的影响 , 未确定 A S R 发生的条件及玻璃粉的化学反应模型。因此 , 只有 对废弃玻璃粉在复合胶凝材料水化硬化过程中的作 用机理及 A S R风险有着全面深刻的认识 , 才能正确 使用, 趋利避害。 废弃玻璃粉一旦用作混凝土辅助胶凝材料 , 将 具有重要的生态环境效益 : 回收废弃材料 , 减少堆放 占地 ; 部分取代水泥, 减少天然材料 的消耗 ; 减小水 收 稿日 期:2 0 1 4 - 1 0 - 1 3 ; 修 回 日 期:2 0 1 4
8、 1 0 2 8 主 项画 : 国 家自 然 科 莩 基 金 项目 ( 5 1 2 0 8 3 9 1 ) ; 湖 北 省 桥 梁 安 全 监 控 技 术 及 装 备 工 程 技 术 研 究中 心 基 金 项目 ( Q L Z X 2 0 1 4 0 1 6 ) ; 广 西 建 筑 新 能 源与节能重点实验室开放基金项目( 1 卜0 3 2 卜1 3 1 作者简介: 李 华( 1 9 8 o 一 ) 女, 湖北孝感人, 副教授, 硕士生导师, 主要从事土工合成材料和废弃材料等方面的应用研究, ( 电话)1 8 9 8 6 1 5 3 5 2 0 ( 电子信箱)r e s e a r c h m
9、a i l b o x 1 6 3 C O rn。 第 2期 李丽华 等 废弃玻璃粉在混凝土中的应用机理及 A S R风险 9 5 泥的生产能耗 ; 减小碳排放 。此外 , 在经济上可节省 废弃玻璃的处置费、 降低混凝土成本; 在技术上能改 善混凝土的工作性和强度等性能。符合我国建材的 可持续发展战略要求。 2 废弃玻璃在混凝土 中的应用研究 现状 废弃玻璃在混凝土 中的应用研究可追溯至 2 0 世纪 7 O 年代, 但主要成果是在最近 1 0 a 取得, 多年 的累积及其带来的环境问题促使各国逐渐重视对其 进行回收利用研究 。 最初曾将废弃玻璃部分替代骨料用于生产混凝 土 , 但遇到很多 问
10、题 , 。破碎玻璃骨料 多为针 片状 , 对新拌 混凝土 流动性不 利 引。颗 粒表 面光 滑, 导致界面薄弱, 使混凝土的力学性能降低: 使用 玻璃骨料后 , 混凝土强度发展较慢 , 2 8 d强度降低 ; 更主要 的是较大的玻璃颗粒( 如 1 2 mm) 在混凝土 孔隙溶液中易发生 A S R, 必须同时使用低碱水泥或 掺人大量火 山灰材料 ( 如粉煤灰) 的试件 1 a才能满 足膨胀性要求 埔 J 。 通过物理和化学处理 , 可抑制 A S R 。物理处理 主要是通过粉磨减小玻璃颗粒的尺寸, 随着颗粒尺 寸的减小, A S R风险显著降低; 而且, 当磨细玻璃或 玻璃粉用 于胶凝体系时,
11、 还能提高混凝 土的强 度 。化学处理通常是掺用某些盐、 酸或专利产 品等 , 这 在 砂 浆 棒 实 验 中 已被 证 明 能有 效 控 制 AS R L 1 0 1 。 。实际上, 除 A 1 0 和 C a O外, 玻璃与其 它火 山灰材料的主要成分含量相近 , , 可用作 A S R抑制组分材料 。 玻璃粉用作混凝土辅助胶凝材料的研究 尚处于 起步阶段 , 所取得 的成果极为有限 。当前成果主 要 体 现 在 不 同 颗 粒 细度 的玻 璃 粉 对 火 山 灰 活 性 , 1 1 , 2 5 - 2 8 和 A S R , 2 7 - 3 2 的影响。因此 , 在进行相 似 的处理后
12、, 如磨细、 添加激发剂及热处理等 , 可激 发玻璃粉的火 山灰活性 。玻璃粉颗粒越细 , 火 山灰 活性越高, 1 5 0 m是临界值, 当玻璃粉颗粒尺寸 1 5 0 m, 混凝土强度损失较大。基于 9 0 d标准养护 混凝土的抗压 强度可知 : 粒径 3 0 0 I z m 时 , 玻璃粉 开始表现 出火 山灰活性 ; 1 0 0 m时 , 火山灰活性 与粉煤灰相近 ; 6 0 0 m k g ) , 玻璃粉掺 量低于 4 0 时对混凝土强度影响不大, 且后期强度 更高。在 A S R方面 , 砂浆棒试验结果表 明, 只要玻 璃粉颗粒 8 0 0 I n k g ) , 效果较好 : 不
13、仅激发了玻璃粉的火山灰活性 , 而且反应产物稳定 , 未发生 A S R破坏 ; 在 9 0 蒸 汽养护 3 d后 , 试件的 抗压强度随超细玻璃粉掺量的增加而提高( 图 1 ) , 特别是水胶 比 w b 为 0 2条件下 , 强度增长显著。 蘸 0 5 1 0 1 5 2 0 玻璃粉掺量 ( a ) w b = O 2 0 l o 1 5 2 O 2 5 3 0 玻璃粉掺量 ( b ) w b = O 1 5 图 1 超细玻璃粉对超高性能水泥基材料 强 度的影 响 F i g 1 I nflu e n c e o f s u p e r fin e g l a s s po wd e r
14、o n c e me n t i t i o u s m a t e r i a l s t r e n g t h wi t h u l t r a - h i【 g h pe r f or m a nc e 图 2 ( a ) 为硬化浆体的 S E M照片, 图 2 ( b ) 为 图 2 ( a ) 方框内微细玻璃粉颗粒水化产物的E D X图 谱。从图2 可以看出: 经热处理后, 玻璃粉很快参与 水化 , 生成密实的低钙硅比 C - S - H凝胶 。 尽管所用玻璃粉的比表面积较高, 但其中仍会 有一些较 大尺寸颗粒 ( 这与玻璃 的脆性有关 ) 。从 S E M照片( 图 3 ) 来看
15、 , 较大玻璃颗粒表面已参与水 化 , 而且界面反应产物稳定 , 未引起破坏性膨胀 , 不 存在 A S R反应环 。 3 废弃玻璃在混凝土中应用研究 中 存在的问题 针对玻璃粉在混凝土中的应用机理, 当前研究 主要还停留在化学方面, 即火山灰反应。通过提高 玻璃粉细度和试件的养护温度, 可大大提高其火山 灰活性。但辅助胶凝材料的作用机理通常包括物理 和化学 2 个方面, 例如粉煤灰具有形态效应、 微集料 填充效应及活性效应 , 超 细石灰石粉混凝土的研究 第2期 李丽华 等 废弃玻璃粉在混凝土中的应用机理及 A S R风险 O H 一 的侵蚀下溶解; 释放出来的二氧化硅与溶液中 的氢氧化钙反
16、应生成 C - S - H, 直至氢氧化钙局部耗 尽 ; 此后 , 由于孔隙溶液 中二氧化硅浓度 的提高 , 生 成( N, K ) 一 S - H凝胶。而小颗粒在孔 隙溶液中则可 全部溶解 , 因而只发生火 山灰反应 , 碱进入 C S H 结构中 , 形成稳定的反应产物 。 大 颗 粒 i ; 蠢 c s H 析 出 出 、 、 : : U 一一一Cu Sz H一壶碗厦廛 K ) - S _- p 小 颗 粒 C _ H 析 出 O 稍 C S H 图 4 玻璃粉的化学反应示意图 F i g 4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f c h e mi c
17、a l r e a c ti o n o f g l a s s p owde r 图 4中玻璃粉的化学反应模型仅粗略地考虑颗 粒尺度对反应趋势的影响 , 这显然是不完整 的。玻 璃粉是否会发生 A S R, 不仅与其颗粒尺寸有关, 还 与其化学成分、 孔隙溶液及反应温度等因素相关。 因此, 还需完善玻璃粉的反应模型, 确定发生 A S R 的条件。 同时, 还应注意到玻璃粉的另一特点碱含 量高 加 。尽管有研 究表 明玻 璃粉 中碱 的短期 溶出很少 , 但还缺 少长期溶 出特性 , 也 未考 虑玻 璃粉细度和溶液温度等因素的影响。玻璃粉中碱的 溶 出不仅会影响水泥的水化进程 , 也将增加大
18、颗粒 的 A S R风险 , 在使用活性骨料时 , 还可能导致碱一 骨 料反应 ( A A R) E S 。因而 , 还需观测玻璃粉中碱 的长 期溶出特性及其对玻璃粉反应机制 的影响。 4 结 语 本文分析 了废弃玻璃 的化学组成与结构形态 , 由于含有大量的无定性二氧化硅 , 用作 骨料时容易 引发碱一 骨料反 应 ; 也正是 由于大量活性二氧化硅 的存在, 磨细成粉料可用作混凝土活性辅助胶凝材 料。将废弃玻璃磨细成粉料 , 既可 以解决玻璃骨料 的碱一 骨料反应问题 , 还能发挥其火山灰作用 , 改善 混凝土的性能。 进入 2 l世纪 , 水泥行业每年约排放 2 0亿 t C O ; 随着
19、 对碳排放 的 限制 E t 趋严格 , 需 寻找大量 的、 新的水泥替代材料, 而废弃玻璃粉恰好提供了一 种选择。尽管对水泥和传统辅助胶凝材料的水化机 理研究 le t 趋成熟 , 但对玻璃粉 的研究 尚处 于起步 阶 段。作为一种新型潜在辅助胶凝材料 , 玻璃粉在硅 酸盐水泥环境下不仅具有独特 的水化特性 , 还存在 A S R风险。因此需要开展一系列的理论分析和试 验研究, 深化对玻璃粉的认识, 为其在混凝土中的合 理应用提供科学依据。 参考文献 : 1 T O P C U I B, C A N B A Z M P r o p e r t i e s o f C o n c r e t
20、e C o n t ai n i n g Wa s t e G l a s s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , 2 0 0 4 , 3 4 ( 2 ) : 2 6 7 2 7 4 2 E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n A g e n c y Mu n i c i p al S o l i d Wa s t e Ge n e r a t i o n,Re c y c l i n g a n d Di s p o s al i n t h e U n i t e d
21、 S t a t e s : F a c t s a n d F i g u r e s f o r 2 0 0 5 R Wa s h i n g t o n , U S A:E n - v i ron me n t al P r o t e c t i o n A g e n c y( E P A) , 2 0 0 6 3 E n t e c C o n s u l t i n g L i mi t e d R e p o rt o n O n t a r i o B l u e B o x M a t e r i al R e c o v e r y F a c i l i t i e s
22、 R H e r t f o r d s h i r e , U K: E n t e c C o n s ult i n g L i mi t e d ,2 0 0 7 4 S I D D I Q U E R Wa s t e Ma t e r i al s and B y p r o d u c t s i n C o n c r e t e M N e w Y o r k : He i d e l b e r g , 2 0 0 8 5 曲超,高志扬,刘数华 废弃玻璃粉在活性粉末混 凝土中的应用研究 J 混凝土 2 0 1 1 , ( 8 ) , 8 2 8 4 6 L A M C S
23、, P O O N C S , C H A N D E n h anc i n g t h e P e rf o r m - a n c e o f P r e - c ast Co n c r e t e B l o c k s b y I n c o r p o r a t i n g W a s t e G l a s s A S R C o n s i d e r a t i o n J C e m e n t C o n c r e t e C o m p o s i t e s , 2 0 o 7 , 2 9( 8 ) : 6 1 6 6 2 5 7 S HI C J ,wu Y
24、Z ,R I E F L E R C, e t a 1 C h a r a c t e ri s t i c s a n d P o z z o l a n i c R e a c t i v i t y o f G l a s s P o w d e r s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , 2 0 o 5 , 3 5 ( 5 ) : 9 8 7 9 9 3 8 S H I C J , K E R E N Z A R e v i e w o n t h e U s e o f Wa s t e G l a s s e
25、s i n t h e P r o d u c t i o n o f Ce me n t an d C o n c r e t e R e s o u r c e s J R e s o u r c e s C o n s e r v a t i o nR e c y c l i n g , 2 0 0 7 , 5 2 ( 2 ) : 23 42 47 9 MA L H O T R A v M, M E H T A P K P o z z o l ani c and C e me n t i t i o u s M a t e ri a l s M N e w Y o r k :G o r
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