废玻璃粉(渣)呈无规则鳞片状,表面光滑,吸水率为零[1]。将磨成一定细度的废玻璃粉替代粗、细骨料制备水泥基材料,对水泥基材料的诸多性能具有显著的影响[2-5]。
流动性是水泥基材料的重要性能指标,影响其施工性能和硬化性能。为了促进废玻璃粉在水泥基材料中的应用,废玻璃粉对混凝土以及水泥砂浆流动性的影响受到了广泛关注。Wang等[6]发现混凝土坍落度随废玻璃砂的掺量(即质量分数)增大而降低。Metwally[7]将研磨到一定细度的废玻璃粉替代部分水泥拌制混凝土,发现随着废玻璃粉掺量的增加混凝土的和易性明显降低。Topcu等[8]认为使用废玻璃渣作为粗骨料对混凝土的和易性没有明显的影响。Limbachiya[9]等用废玻璃渣代替天然砂拌制混凝土的掺量超过20%时,混凝土的和易性和稳定性降低。郝文秀[10]认为废玻璃粉掺量为20%时,废玻璃混凝土与普通混凝土具有相似的性能。Soliman等[11]发现掺入适量的废玻璃粉可以有效改善混凝土的流动性和耐久性,同时可以减少水泥的水化热,有利于混凝土的施工。
本文中将磨成一定细度的废玻璃粉作为辅助胶凝材料替代部分水泥,研究废玻璃粉的粒径和掺量对水泥胶砂的流动性的影响,以及水胶比和掺量对混凝土坍落度的影响,为废玻璃粉广泛应用于水泥基材料提供参考数据。
1 实验
1.1 原材料
水泥:P·O 42.5普通硅酸盐水泥,水泥的化学组分如表1所示。
表1 水泥的化学组分
Tab.1 Chemical composition of cement
组分CaOSiO2Al2O3Fe2O3SO3MgO质量分数/%64.4321.145.783.592.351.52
骨料:水泥胶砂实验用砂为标准砂,表观密度为2 670 kg/m3。混凝土坍落度实验用砂为河砂,表观密度为2 580 kg/m3。卵石最大粒径为40 mm,表观密度为2 650 kg/m3。碎石最大粒径为30 mm,表观密度为2 710 kg/m3。
废玻璃粉:将废玻璃瓶放入SM-500型碾磨机进行碾磨。采用筛分实验将废玻璃粉筛分为0～38、>38～53、>53～75、>75～150、>150～300 μm这5种粒径范围,实验前将其烘干,在干燥条件下保存。粗骨料粒度分布曲线如图1所示。图2为废玻璃粉的SEM图像,可以看出,废玻璃粉颗粒呈现不规则状,表面比较光滑。表2为用X射线荧光法(XRF)测定的废玻璃粉的化学组分。
图1 粗骨料粒度分布曲线
Fig.1 Particle size distribution curve of coarse aggregate
图2 废玻璃粉的SEM图像
Fig.2 SEM image of waste glass powder
表2 废玻璃粉的化学组分
Tab.2 Chemical composition of waste glass powder
组分Na2OSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2OTiO2SO3质量分数/%10.1465.356.783.595.421.511.481.620.05
1.2 样品
1.2.1 水泥胶砂样品制备
为研究废玻璃粉不同粒径和掺量对水泥胶砂拌合物流动性能的影响,根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》中的有关规定,称取水泥450 g、水225 g、标准砂1 350 g。
分别用0～38、>38～53、>53～75、>75～150、>150～300 μm 5种不同粒径范围的废玻璃粉按质量分数取代率取代水泥,即废玻璃粉的掺量分别取为0、10%、15%、20%时拌制水泥胶砂,每种废玻璃粉粒径条件下水泥胶砂组分如表3所示。
表3 水泥胶砂组分
Tab.3 Component of cement mortar g
组分废玻璃粉掺量010%15%20%水225225225225砂1 3501 3501 3501 350废玻璃粉0456890水泥450405382360
1.2.2 混凝土样品制备
混凝土的设计坍落度为55～70 mm,根据JGJ 55—2000《普通混凝土配合比设计规程》确定混凝土的用水量。
混凝土拌合物中碎石的最大粒径为30 mm,卵石的最大粒径为40 mm,砂率为33%,选取水胶比分别为0.40、0.45、0.50、0.55、0.60。选用水泥胶砂实验中所确定的废玻璃粉最佳粒径范围(即38～53 μm),废玻璃粉掺量分别设为0、10%、15%、20%[12]。废玻璃粉最佳粒径条件下的2种类型混凝土组分如表4所示。
表4 2种类型混凝土组分
Tab.4 Component of two types of concrete g
水胶比组分废玻璃粉掺量碎石混凝土010%15%20%卵石混凝土010%15%20%水1951951951951701701701700.40石1 1501 1501 1501 1501 1931 1931 1931 193砂567567567567596596596596废玻璃粉04974980436485水泥4884394143904253823613400.45石1 1871 1871 1871 1871 2241 2241 2241 224砂585585585585603603603603废玻璃粉04465870385776水泥4333893683463783403213020.50石1 2161 2161 2161 2161 2661 2161 2161 216砂599599599599624624624624废玻璃粉03959780345168水泥3903513313123403062892720.55石1 2391 2391 2391 2391 2871 2871 2871 287砂611611611611634634634634废玻璃粉03654710314762水泥3553193012843092782622470.60石1 2591 2591 2591 2591 3041 3041 3041 304砂621621621621642642642642废玻璃粉03349650294357水泥325292276260284255241227
1.3 方法
1.3.1 水泥胶砂流动度测试
根据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测量水泥胶砂的扩散直径。用卡尺在胶砂底面相互垂直的方向各测量1次,计算平均值并取整得到胶砂流动度[13]。流速测试参考Okamura等[14]和Fung等[15]所采用的方法及仪器,测试时打开装满水泥胶砂的漏斗底盖,记录水泥胶砂自由流出所需的时间,并以水泥胶砂拌合物体积除以流出时间计来算流动度率。
1.3.2 水泥胶砂屈服应力测试
采用RST-SST软固体测试流变仪进行剪切测试[16]。实验由2个剪切周期组成,第1个周期对水泥胶砂样品进行预剪切。第2个周期对试样进行实际测量并记录数据。在75 s内流变仪转速从0增加到50 r/min,然后在75 s内流变仪转速下降到0[17]。
表5为水泥胶砂流动性测试和屈服应力测试的数据结果。
表5 水泥胶砂的流动性和屈服应力
Tab.5 Fluidity and yield stress of cement mortar
废玻璃粉掺量/%粒径范围/μm水泥胶砂流动度/mm流动速率/(mL·s-1)屈服应力/Pa00^382353295.5>38^532353295.5>53^752353295.5>75^1502353295.5>150^3002353295.5100^382373186.4>38^532392616.9>53^752312167.5>75^1502221577.9>150^300219888.1150^382282987.5>38^532322587.7>53^752231958.1>75^1502161488.3>150^300199948.6200^382272908.0>38^532302308.3>53^752191818.6>75^15018313991>50^300185829.3
1.3.3 混凝土坍落度测试
根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行试验。混凝土试样从搅拌机出来后分3层均匀地装满整个坍落度筒,然后垂直平稳地提起坍落度筒,当混凝土试样不再继续坍落时测量出筒高与坍落后混凝土的最高点之间的高度差即为混凝土坍落度值[18-19]。
2 结果与讨论
2.1 废玻璃粉对水泥胶砂流动性的影响
2.1.1 对流动度的影响
为了研究废玻璃粉对水泥胶砂流动度的影响,根据表5拟合出回归曲线,得到相应的回归方程和相关系数,表6为废玻璃粉掺量与水泥胶砂流动度的拟合方程。
表6 废玻璃粉掺量与水泥胶砂流动度的拟合方程
Tab.6 Fitting equation of waste glass powder dosage and fluidity of cement mortar
废玻璃粉掺量/%拟合方程R210y10=217.45+34e-0.012x0.88515y15=232.95-0.113x0.92720y20=316.68x-0.0870.897
通过表6可以看出,随着废玻璃粉的掺量的增大,相关系数的平方R2值不断增大,最大值为0.927,表明水泥胶砂流动度受到废玻璃粉掺量的很大程度的影响。
根据表5和表6绘制出不同掺量条件下废玻璃粉粒径与水泥胶砂流动度的关系曲线,如图3所示。
图3 不同掺量条件下废玻璃粉粒径与水泥胶砂流动度的关系曲线
Fig.3 Relationship curve between particle size of waste glass powder and fluidity of cement mortar under different dosage conditions
由图3可看出,废玻璃粉掺量为10%、粒径范围小于53 μm时,废玻璃粉对水泥胶砂的流动度具有增大作用; 不同废玻璃粉掺量的水泥胶砂流动度值随着废玻璃粉粒径范围的增大皆呈现减小趋势; 3种废玻璃粉掺量下的流动度值一开始减小的趋势较为明显,但粒径大于150 μm后,掺量为10%和20%的水泥胶砂流动度值减小的趋势变缓,而掺量为15%的水泥胶砂流动度仍保持同样的下降趋势。
为研究废玻璃粉粒径对水泥胶砂流动度的影响,根据表5拟合得到回归曲线方程:y=235-becx,表7为推导出的废玻璃粉粒径与水泥胶砂流动度的拟合方程。
表7 废玻璃粉粒径与水泥胶砂流动度的拟合方程
Tab.7 Fitting equation between particle size of waste glass powder and fluidity of cement mortar
废玻璃粉粒径范围/μm方程参数bcR20^380.0010.4390.441>38^530.0340.2510.528>53^750.4070.1850.762>75^1500.0570.3410.850>150^3004.7600.1220.901
由表7可以看出,随着废玻璃粉粒径的增大,R2值不断增大,最大值为0.901,表明较大粒径的废玻璃粉掺入水泥胶砂后严重的影响到了流动度的变化。
根据表5和表7绘制出不同粒径范围条件下废玻璃粉掺量与水泥胶砂流动度的关系曲线,如图4所示。
图4 不同粒径范围条件下废玻璃粉掺量与水泥胶砂流动度的关系曲线
Fig.4 Relationship curve between dosage of waste glass powder and fluidity of cement mortar under different particle size ranges
从图4可以看出,随着废玻璃粉掺量的增大,水泥胶砂流动度值减小;废玻璃粉粒径在0～75 μm范围内时下降速度较为平缓,在>75～300 μm范围内时流动度值下降速度最快;废玻璃粉掺量为10%时,粒径范围为0～38、>38～53 μm时,废玻璃粉的添加增大了水泥胶砂流动度,粒径范围为>38～53 μm时水泥胶砂流动性的增强效果更好。
2.1.2 对流动速率的影响
为了研究废玻璃粉对水泥胶砂流动速率度的影响,根据表5拟合废玻璃粉与水泥胶砂流动速率的关系曲线,得到相应的回归方程:y=axb。表8为推导出的废玻璃粉与水泥胶砂流动速率的拟合方程。
表8 废玻璃粉与水泥胶砂流动速率的拟合方程
Tab.8 Fitting equation of flow rate of waste glass powder and cement mortar
废玻璃粉掺量/%方程参数abR2102 521.2-0.5690.990152 210.5-0.5490.987202 403.5-0.5870.985
从表8可以看出,水泥胶砂流动速率与废玻璃粉掺量之间具有很强的相关性,R2最大值为0.990,说明废玻璃粉的掺入对水泥胶砂的流动速率同样具有非常大的影响。
根据表5和表8绘制出废玻璃粉粒径与水泥胶砂流动速率的关系曲线,如图5所示。
图5 废玻璃粉粒径与水泥胶砂流动速率的关系曲线
Fig.5 Relationship curve between particle size of waste glass powder and flow rate of cement mortar
从图5中可以看出,随着废玻璃粉粒径的增大以及掺量的增加,水泥胶砂流动速率不断减小。当废玻璃粉掺量为10%时,相关系数达到最大值为0.990。随着废玻璃粉掺量的不断增大,相关性在不断减小。这一变化表明对水泥胶砂流动性产生增强效果的废玻璃粉最佳掺量为10%。
2.1.3 对屈服应力的影响
水泥胶砂的流动是在克服其自重、浆体内骨料之间的摩擦力以及胶凝材料之间的黏聚力下进行的,因此骨料颗粒的大小、形状以及所占比例均影响水泥胶砂的屈服应力。根据表5数据绘制出废玻璃粉粒径与水泥胶砂屈服应力的关系曲线,如图6所示。
图6 废玻璃粉粒径与水泥胶砂屈服应力的关系曲线
Fig.6 Relationship curve between particle size of waste glass powder and yield stress of cement mortar
从图6可以看出,相比于未掺入废玻璃粉的对照实验组,掺入废玻璃粉提高了水泥胶砂屈服应力;废玻璃粉的掺量越大,水泥胶砂屈服应力的提高越显著;同一掺量条件下,水泥胶砂的屈服应力随着废玻璃粉粒径的增大而增大,废玻璃粉影响屈服应力的临界粒径值为150 μm,大于此粒径后屈服应力增大不再明显。
图7为采用回归分析得到的水泥胶砂流动度与屈服应力的拟合关系曲线。由图7中可知,相关系数R2为0.847;水泥胶砂屈服应力与流动度呈现较强的负相关性。
图7 水泥胶砂屈服应力与水泥胶砂流动度的关系曲线
Fig.7 Relationship curve between yield stress and fluidity of cement mortar
2.1.4 小结与机理分析
综上,随着废玻璃粉粒径和掺量的增大,水泥胶砂流动度和流动速率皆呈现减小的趋势,而屈服应力逐渐增大; 废玻璃粉掺量为10%时,粒径范围为>38～53 μm对水泥胶砂流动度的增强效果最好。
废玻璃粉的掺入使得水泥浆体中固体颗粒的比表面积显著增加,从而降低了固体颗粒的水膜厚度[15],浆体内部阻力增大,使拌合物的流动度减小;当废玻璃粉的掺量较少时,水泥浆体中的水几乎全部与水泥、砂结合形成连续的水膜。当水泥浆体流动时,浆体内部水膜之间互相起着润滑剂的作用,宏观上体现为流动度和流动速率都较大。随着废玻璃粉掺量的不断增多,在拌制浆体时废玻璃粉均匀分布在水泥和砂之间,微观上表现为水泥浆体内部的水膜被分割得支离破碎,互相之间无法起到润滑的作用,反而受到废玻璃粉的阻碍作用,因此流动速率和流动度都减小了。
由于废玻璃粉具有憎水性,因此与亲水性的砂之间会产生排斥的位能[20],水泥胶砂浆体中集料相互挤压,联锁作用使得浆体内部摩擦阻力进一步增大,进而使得水泥胶砂的屈服应力持续增大。随着粒径的不断增大,废玻璃粉逐渐取代砂子在屈服应力产生中的作用[21]。当废玻璃粉粒径大于150 μm时,接近完全取代砂子的作用,使得浆体内部趋于稳定状态,因此屈服应力逐渐不再产生变化。
2.2 废玻璃粉对混凝土坍落度的影响
在设定废玻璃粉粒径范围为>38～53 μm的前提条件下,表9所列数据反映了废玻璃粉掺量和水胶比对2种混凝土坍落度影响。
表9 废玻璃粉掺量和水胶比对混凝土坍落度的影响
Tab.9 Influence of waste glass powder content and water-binder ratio on concrete slump
废玻璃粉掺量/%水胶比坍落度/mm碎石混凝土卵石混凝土废玻璃粉掺量/%水胶比坍落度/mm碎石混凝土卵石混凝土00.4047170.4551390.5043670.55101 410.60120 62150.4022250.4540370.5035410.5541200.605079100.4051210.4556500.5061510.5570470.60117 115 200.4023130.4536310.5047630.5541330.605757
2.2.1 废玻璃粉掺量的影响
根据表9拟合出回归曲线,得到回归方程y=a+becx,表10为推导出的废玻璃粉掺量与混凝土坍落度的拟合方程。
表10 废玻璃粉掺量与混凝土坍落度的拟合方程
Tab.10 Fitting equation of waste glass powder dosage and concrete slump
组别废玻璃粉掺量/%方程参数abcR2碎石混凝土032.400.1111.260.7311053.102.26×10-525.000.9871557.45-802.9-7.810.8752063.83-557.9-6.580.852卵石混凝土057.15-3.74×105-22.800.7081038.722.08×10-836.700.8851524.750.2526.900.6082051.721.36×105-20.300.623
由表10可知,在废玻璃粉掺入量为10%时,碎石和卵石混凝土的相关系数R2值分别达到最大值0.987和0.885,说明废玻璃粉掺量最佳值为10%。
2.2.2 水胶比的影响
根据表9分别绘制出水胶比与碎石和卵石混凝土坍落度的关系曲线,如图8所示。
a)碎石混凝土
b)卵石混凝土
图8 水胶比与混凝土坍落度的关系曲线
Fig.8 Relationship curve between water-binder ratio and concrete slump
从图8可以看出,对于不同废玻璃粉掺量,2种混凝土坍落度均随着水胶比的增大而不断增大。其中,废玻璃粉掺量为0和10%时坍落度提高效果要好,一直保持持续稳定的上升趋势。水胶比在0.40～0.50范围内时,10%的废玻璃粉掺量对碎石混凝土坍落度提高效果要优于其余各组掺量。
2.2.4 小结
尽管受到水胶比的影响,但废玻璃粉掺量仍是影响混凝土坍落度的重要参数。碎石、卵石混凝土坍落度随着废玻璃粉掺量的增大而减小,随着水胶比的增大而增大。碎石混凝土的坍落度总体要好于卵石混凝土的。废玻璃粉掺量为10%、水胶比范围为0.40～0.50时,2种混凝土坍落度达到较优状态。2.2.3 混凝土种类的影响在水胶比分别取值为0.40、0.45、0.50时,废玻璃粉掺量与混凝土坍落度的关系曲线如图9所示。
a)水胶比为0.40
b)水胶比为0.45
c)水胶比为0.50
图9 不同水胶比条件下废玻璃粉掺量与混凝土坍落度的关系曲线
Fig.9 Relationship curve between waste glass powder dosage and concrete slump under different water-binder ratio conditions
从图9可以看出,碎石混凝土的坍落度总体要好于卵石混凝土的; 由图9 c)可见,水胶比为0.45、废玻璃粉掺量为10%时,卵石混凝土坍落度为50 mm,但仍低于碎石混凝土坍落度56 mm。
3 结论
1)随着废玻璃粉粒径和掺量的增大,水泥胶砂流动度和流动速率皆呈现减小的趋势,而屈服应力逐渐增大。
2)废玻璃粉掺量为10%时,粒径范围为>38～53 μm对水泥胶砂流动度的增强效果最好。
3)碎石、卵石混凝土坍落度随着废玻璃粉掺量的增大而减小,随着水胶比的增大而增大。碎石混凝土的坍落度总体要好于卵石混凝土的。
4)废玻璃粉掺量为10%、水胶比范围为0.40～0.50时,2种混凝土坍落度达到较优状态。
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