废弃玻璃粉在活性粉末混凝土中的应用研究.pdf
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1、2 0 1 1 年 第 8 期 (总 第 2 6 2 期 ) Nu mb e r 8i n 2 01 1 ( To t a 1 No 2 6 2) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I N I CLE d o i : 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 8 0 2 7 废弃玻璃粉在活性粉末混凝土中的应用研究 曲超 ,高 志扬 ,刘数华 ,赵迪 ,曾季才 ,黄 昌满 ( 1 武汉大学 水资源与水 电工程科学 国家重点实验室 ,湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ; 2 河海
2、大学 水文水资源 与水利工程科学 国家重点实验室 ,江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要: 活性粉末混凝土( R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e , 简称 R P C) 是近年来受到广泛重视的一种新型复合材料, 力学性能优越, 具有优良 的抗压、 抗弯、 抗裂和耐久性能。 随着建筑业以及其他行业的高速发展 , 玻璃由于其独特的性能而被广泛地使用, 使得废弃玻璃大量增加。 国内外对废弃玻璃应用于混凝土的制备做了大量研究 , 分析了利用废弃玻璃粉制备R P C的可行性和环保经济方面的意义以及确定了玻璃 粉掺量的最佳配合比。 结果表明玻璃粉
3、应用于活性粉末 昆 凝土的制备有技术性能优越 、 节约成本、 便于推广和减少污染的优势, 但仍有很 多 问题未研究 。 关键词 : 活性粉末混凝土 ;废弃玻璃粉 ;环保 ;最佳配合 比 中图分类号 : T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 8 2 0 3 Appl i c a t i on r e se ar ch o f obs ol e t e gl a s s du s t u se d i n RPC QUC h a o , G AOZ h i - y a n g , L J 【 , S
4、h u h u a , Z HA0Di , Z E NGJ i c a i , HU ANGC h a n g - ma n ( 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r E n g i n e e ri n g S c i e n c e , Wu h a n U n i v e r s i t y , Wu h a n 4 3 0 0 7 2 , C h i n a 2 S t a t e Ke yLab o r a t o r yo f Hy d
5、r o l o g y Wa t e r R e s o urc e s a n dHy d r a u l i c E n g i n e e ri n g , Ho h a i U n i v e r s it y, N a n j i n g2 1 0 0 9 8 , C h i n a ) Ab s t r a c t : R e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e( R P C) h a s r e c e i v e d e x t e n s i v e a e n t i o n i n r e c e n t y e a r s I
6、t i s a n e w t y p e o f c o mp o s i t e ma t e ri a l wh i c h h a s C X c e l l e n t c o mp r e s s i o n, b e n d i n g, c r a c k r e s i s t a n c e , d ur a bi l i t y a nd o t h e r p r o p e rti e s W i t h t h e r a p i d d e ve l o p me n t o f c o ns t r u c t i o n a n d o t h e r i n
7、 d u s t r i e s, g l a s s ha s b e e n wi d e l y u s e d b e c a u s e o f i t s u n i q u e p r o p e r t i e s wh i c h l e a d t o a s i g n i fic a n t i n c r e a s e i n wa s t e g l a s s Lo t s o f s t u d i e s h a v e be e n d o n e o f wa s t e g l a s s t o b e u s e d i n t h e p r e
8、 p a r a t i o n o f c o n c r e t e a t ho me a n d a b r o a d Ana l y s e s t h e f e a s ibi l i t y a n d t he s i g ni fi c a nc e i n e n v i r o nme n t a l p r o t e c t i o n a n d e c o n o my o f ma ki n g RP C wi t h o b s o l e t e g l a s s d u s t , a n d d e t e r mi n e d t h e b e
9、 s t mi x p r o p o rti o n o f o b s o l e t e g l a s s d us t T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e g l a s s d us tu s e di nt hep r e p a r a t i o n o fRP C h a sma n y a d v a n t a g e s , s u c h a s e xc e l l e n tt e c h n i c a l p e r f o r m a n c e, c o s t s a v i n g, e a s yo
10、fp r o m o t i o n a n d r e d u c - i n g p o l l u t i o n Bu t m a n y pr o b l e ms s t i l l h a v e n o t b e e n s t u d i e d Ke y w or ds : r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e; o b s o l e t e g l a s s d us t ; e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n; b e s t mi x p r o p o r
11、t i o n 0 引言 随着建筑业以及其他行业的高速发展, 玻璃由于其独特的性 能广泛地被建筑、 化工、 设备、 日常生活等国民经济部门所使用, 使 得废弃玻璃大量增加。 我国每年城市的废弃玻璃约4 5 0 7 5 0 万 t , 占城市生活垃圾总量的3 5 。 玻璃主要成分是二氧化硅 、 氧 化钠和氧化钙, 它是用石英的砂子、 石灰石和钝碱等混合后 , 在 高温下熔化成型, 冷却后制成。 玻璃的化学性质稳定, 很难分解 , 用一般的卫生填埋方法埋入土地后 , 纵然千年之后也仍是玻璃。 国外的回收、 再利用已形成完善体系, 回收率在 7 0 以上 , 而我 国在此方面基本上处于空白, 回收率
12、几乎为零。 废弃玻璃作为一 种再生资源, 它的回收、 处理和再循环 、 再利用已变得越来越重 要 , 欧美和 E t 本 已走在我国的前面, 我国玻璃科技工作者必须 对废弃玻璃应用进行全面的研究和开发, 尽快建立自己的回收、 再利用体系。 只有这样才能节约资源 、 能源, 保护环境 , 实现建 材工业的可持续发展 目标 , 促进我国建材工业快速 、 健康地发 展。 在废弃玻璃数量不断增加 , 玻璃废渣千年不朽, 疯狂增长的 数量严重污染环境的情况下, 研究将废弃玻璃粉作为混凝土的 掺合料使用, 不仅为大量减少城市固体垃圾找到了一条有效途 径 , 而且还会对发展绿色环保型建筑起到重要的推动作用
13、, 具有 很 大的环境保护意义 。 同时 , 在我 国大型基础设 施规模 空前庞大 , 天然 集料 日益 短缺 , 而废 旧玻璃排放 量又 与 日俱增 的形势 下 , 研究将废 弃玻 璃粉替代天然集料来配制混凝土的思想 , 符合可持续发展的宏 观经济战略。 使用废弃玻璃作为生产混凝土的原料, 可以减少废 弃物处理成本, 保护环境, 节约大量天然集料 , 同时延长废弃填 埋场地的使用时间, 保护郊区土地资源 , 而且可以增加公众的 废弃物回收利用意识, 为循环利用玻璃提供更多的途径。 1 废 旧玻璃在 混凝 土 中的应 用历 史 据文献报道 l _ 2】 , 国外在 2 0世纪 6 0年代就尝试
14、了将玻璃用 作混凝土骨料的研究, 但由于当时对碱一 硅反应( AS R) 机理及 抑制措施的研究还处于起步阶段 , 因此有关玻璃骨料混凝土的 研究没有取得实质性进展。 2 0世纪 9 O年代后, 随着固体废物处 收稿 日期 :2 0 1 1 J 0 2 2 1 基金项目:国家科技支撑计划课题( 2 0 0 8 B A E 6 1 B 0 5 ) ; 水文水资源与水利t程科学国家重点实验室开放研究基金( 2 叭0 4 9 O 6 1 1 ) 8 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 理问题的加剧 , 同时对处理废弃玻璃的成本考虑 , 发达国家的 许多学者开始 了更加
15、深入的废玻璃骨料混凝土研究。 研究表 明, 废弃玻璃完全可以作为混凝土骨料使用。 目前国内对玻璃混 凝土的相关研究还相对匮乏, 且大多数学术报道都局限于对国 外研究 成果 的介绍 。 朱惠英 , E wa n A B y a r L2 介绍 了英 国谢非 尔 德大学利用废弃玻璃研究高附加值预制混凝土产品情况, 试验 验证了废旧玻璃混凝土的可行性以及碱骨料反应的控制性及 无危害性。 2 废弃玻璃粉在 R P C 中的应用 2 1 RP C技术性能分析 R P C是 由法国 B O UY G UE S公 司于 1 9 9 3 年率 先研发成功 的一种超高强、 低脆性 、 高韧性、 高耐久性 、 低
16、收缩和徐变性能、 体积稳定性良好的水泥基复合材料 , 是继高强、 高性能混凝土 之后的又一种新型混凝土。 R P C通过减少材料内部缺陷, 改进混 凝土内部微观结构 , 获得高耐久性, 同时可获得 2 0 0 8 0 0 MP a 的超高抗压强度和 1 2 0 0 - 4 0 0 0 0 J m 的断裂能。 R P C的优越性 能使其在土木、 石油、 核电、 市政 、 海洋等工程及军事设施中有 广阔的应用前景。 R P C作为一种新型的水泥基复合材料, 具有优异的技术性 能。 经典的R P C原料一般为水泥、 细石英砂 、 磨细石英粉 、 硅粉、 细钢纤维和高效减水剂等。 它取消了传统混凝土中
17、的粗骨料 , 各级粒子尺寸范围小, 而相邻级的平均粒径相差却较大。 这种新 型的材料根据最大密实度理论, 使各种颗粒达到最大密实化 , 选 取的却是传统的原材料和传统的混凝土成型工艺, 国内外的研 究表明, R P C具有优越的力学性能、 韧性和耐久性能3 。 2 1 1 优异的力学性能 R P C具有很高的强度 。 根据 R P C的组分 、 养护方法和成型工 艺的不同, 可按抗压强度分为不同的等级。 不同强度等级的 R P C 所用的原材料与生产工艺有较大的差异。 其抗压强度远远超过 普通混凝土及一般高性能混凝土, 抗弯及吸能能力也大大提高, 抗弯强度为 H P C的 8 倍 , 延性及吸
18、能能力为 H P C的 3 0 0 倍 ; 同时由于含有钢纤维 , 对裂缝具有缝合作用, 使裂缝性能及延 性也大大改善。 可以减少钢筋用量 ,同时可以通过减小构件断 面尺寸减轻结构 自重 、 增加跨越能力 和增加有效使用面积 , 并可 以在设计 中采用更薄和更有创新性 的截面形状 。 2 1 2 优良的韧性 脆性是混凝土材料的一大缺陷, 而掺加了微细钢纤维 R P C 断裂能达 2 0 0 0 0 - 4 0 0 0 0 J m , 其裂能和抗弯折强度接近于铝, 只 比钢低一个数量级; 与普通混凝土相比, 其抗弯折强度高一个数 量级, 断裂能高 2 个数量级以上。 因此 R P C属于高断裂能
19、材料。 2 1 3 优异的耐久性 R P C水胶 比低 , 具 有 良好 的孔结 构和较低 孔隙率 , 使其具 有极低的渗透性、 很高的抗环境介质侵蚀能力和良好的耐磨性 能, 从而提高 R P C的耐久性。 R P C总的孔隙率非常低, 孔径分 布在纳米级上。 2 2 P P C的基本制备原理 R P C的基本配制原理是 : 通过提高组分的细度与活性使材 料内部的缺陷( 孔隙与微裂缝 ) 减少到最少, 以获得超高强度与 高耐久性 。 原材料中活性组分由优质水泥 、 硅粉、 细石英砂( 粒 径小于 1 mm) 等构成, 活性组分的粒径在 0 1 1 0 m之间, 另 外原材料还包括高效减水剂和短
20、细钢纤维等。 减少材料内部缺 陷的措施包括: ( 1 ) 去除粒径大于 1 mm的粗骨料 , 以改善内部结构的均 匀性 。 ( 2 ) 优选与活性组分相容性 良好的减水剂, 以降低水胶比 ( 一般控制在 0 2以下) 。 ( 3 ) 优 化整体活性 组分 的级 配 , 对于抗压强度 2 0 0 M P a 级 的R P C, 可选用优质活l 生 超细掺料部分代替硅灰。 ( 4 ) 成型过程中施加压力, 以提高内部结构的密实度。 ( 5 ) 掺入细短钢纤维, 以提高韧性和体积稳定性。 ( 6 ) 通过热养护来加速活性粉末的水化反应和改善微观结 构, 促进细骨料与活性粉末的反应 , 改善界面的黏结
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