废玻璃碎屑在透水混凝土中的试验研究

2018-05-31吴淑伟蒋元海程瑛豪於婕丁康张叡涵崔伟康

新型建筑材料 2018年3期

吴淑伟，蒋元海，程瑛豪，於婕，丁康，张叡涵，崔伟康

（1.嘉兴学院，浙江嘉兴 314001；2.湖州市交通工程建设集团有限公司，浙江湖州 313100）

0 引言

目前，我国正在建设资源节约型社会，在废玻璃碎屑的再利用方面做了大量探索，但是进展缓慢。据统计，在玻璃加工过程中，一方面，在切割、打磨、塑型的环节上，从玻璃原片上裁下来的边角废屑要占到生产总量的15%～25%，而定期停产产生的废玻璃碎屑则占到总量的5%～10%[1]；另一方面，因熔窑作业温度的突然波动、原料质量或配合比的变化以及工人操作失误等造成的非正常工作情况下也会产生废玻璃碎屑，对环境有潜在的危险。同发达国家相比，我国的废玻璃碎屑的重复利用率明显偏低，对废弃玻璃碎屑在混凝土领域应用的研究也几乎是空白。浙江省嘉兴市是我国16个试点建设海绵城市之一。在海绵城市建设中，透水混凝土能发挥对雨水吸纳、蓄渗和缓释作用，有效缓解城市内涝，削减城市径流污染负荷，节约水资源作用。将废玻璃碎屑替代石子运用到透水混凝土中是一种值得研究的新途径，不仅为减少城市固体垃圾找到了一种行之有效的处理方法，而且还对发展绿色环保型材料起到了推动作用，可以让废玻璃碎屑的利用率得到提高，让企业实现节能减排，减少企业经济损失和降低国家的能源损耗，符合国家提出的“绿色经济”理念，推动我国“海绵城市”的建设。研究将废弃玻璃碎屑替代天然粗集料来配制透水混凝土的设计思路，一方面可以有效减少石子的消耗，另一方面也开辟了有效利用废玻璃碎屑的新途径，符合可持续发展战略。并且使用废玻璃碎屑作为生产透水混凝土的原料，可以降低玻璃废弃物的处理成本，还可以提高公众玻璃废弃物回收利用意识，为循环利用玻璃提供更多的途径。

1 试验

1.1 原材料

水泥：“双狮”牌P·O42.5R水泥，28 d抗压强度42.5 MPa，比表面积 300 m2/kg，密度 3130 kg/m3；碎石：10～20 mm 连续级配，表观密度2700 kg/m3，紧密堆积密度1500 kg/m3；废玻璃碎屑（以下简称碎屑）：来自浙江福莱特股份有限公司，粒径通过该公司工厂现场处理成5～10 mm、10～15 mm两种；萘系减水剂：“灰霸”牌，粉体，减水率 18%～25%，细度（0.315 mm）＜10%，密度1120 kg/m3。

1.2 正交试验设计

以碎屑掺量、水灰比、碎屑的颗粒级配为因素，采用L9（33）正交试验方法研究其对透水混凝土强度和透水系数的影响[2]，碎屑掺量按占碎石和碎屑总质量计算。正交试验因素水平见表1，正交试验设计及具体材料用量见表2。

表1 正交试验因素水平

表2 正交试验设计及具体材料用量

1.3 性能测试方法

（1）本试验目标孔隙率确定为15%，孔隙率按式（1）计算：

式中：P——孔隙率，%；

M1——试件浸水饱和状态下在水中的质量，g；

M2——试件在饱和面干状态时的质量，g；

ρ水——水的密度，取1.0 g/cm3；

V0——试件的体积，cm3。

（2）抗压强度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学试验方法标准》进行测试。

（3）透水系数测试装置由实验室自行制备，如图1所示，按式（2）计算透水系数：

式中：KT——水温T℃时的透水系数，也是此时的渗流系数，mm/s；

Q1——t时间内流过透水混凝土试件的水量，mm3；

L——透水混凝土试件的厚度，mm；

A——透水混凝土试件的横截面积，mm2；

h——水头差，mm；

t——测试时间[3]，s。

图1 透水混凝土透水系数测试装置

2 试验结果与分析

正交试验结果见表3，极差分析见表4。

表3 正交试验结果

2.1 对抗压强度的影响分析

由表3、表4可以看出，随着碎屑掺量的增加，透水混凝土的28 d抗压强度降低，因为玻璃碎屑的表面非常光洁，相比普通的碎石集料，与水泥砂浆的粘结性差，因此碎屑的掺量越大，混凝土的强度越低；随着水灰比的增大，透水混凝土的28 d抗压强度降低，水灰比较大时，在同样的目标孔隙率下水泥的用量会变得较少，这本身就会降低透水混凝土的强度[4]；随着碎石骨料粒径的增大，透水混凝土的28 d抗压强度降低，这是因为骨料粒径越小，其比表面积越大，相同体积的透水混凝土其骨料和胶凝材料的接触面积就会变大，骨料和胶凝材料的界面粘结力越大，提高了透水混凝土的强度[5]。

表4 正交试验极差分析

水灰比对透水混凝土抗压强度的影响最大，碎屑的颗粒级配影响次之，碎屑掺量的影响最小。

2.2 对透水性的影响分析

由表3、表4可以看出，随着碎屑掺量的增加，透水混凝土的透水系数增大，因为相比普通的碎石集料，碎屑的表面非常光洁，与水泥砂浆的粘结性差，内部孔隙增大，因此碎屑掺量的增加，透水系数增大。随着水灰比的增大，透水混凝土的透水系数先增大后减小，因为水灰比较小时，同样的目标孔隙率下水泥的用量会变得越多，造成水泥浆较干硬、透水混凝土的流动性变差，骨料不能被水泥胶凝材料充分均匀的包裹，骨料之间的孔隙也会相应增多，这就提高了透水系数；水灰比过大时，情况刚好相反，透水系数会减小[6]。随着碎石骨料粒径的增大，透水混凝土的透水系数增大，这是因为骨料粒径越大越不容易达到密实状态，透水混凝土内部的孔隙也相应增多，透水系数从而得到提高。

碎屑的颗粒级配对透水混凝土透水系数的影响最大，水灰比的影响次之，碎屑掺量的影响最小。

2.3 综合分析

综合考虑抗压强度和透水系数，抗压强度不能太低，透水系数也不能太小，最优因素水平为：碎屑掺量20%，水灰比0.30，碎屑组成为5～10 mm、10～15 mm碎屑各占50%，最优水平组合下的透水混凝土的配合比（kg/m3）为：m（水）∶m（水泥）∶m（石）∶m（碎屑）∶m（减水剂）=127.37∶424.56∶1176∶294∶4.25，按此配比制得的透水混凝土抗压强度为21.1 MPa，透水系数为2.5 mm/s，符合CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土应用技术规程》的要求[7]。