废弃玻璃（共6篇）
废弃玻璃 篇1
摘要：研究了废弃玻璃细骨料取代率对废弃玻璃细骨料混凝土拌和物坍落度和硬化废弃玻璃细骨料混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量的影响规律。试验结果表明,随着废弃玻璃细骨料取代率的增大,其立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量总体呈降低趋势;废弃玻璃细骨料混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度与普通混凝土的破坏形式及变化规律相类似。
关键词：废弃玻璃细骨料,混凝土,强度
0前言
随着经济的发展,城市的废弃玻璃日益增多,这些废弃玻璃部分被重新加工成新玻璃,大部分被作为废物填埋掉。因此,将废弃玻璃作为混凝土骨料再生利用正在成为人们关注的热点[1,2,3,4]。废弃玻璃混凝土的研制,不仅开辟了废玻璃回收利用的新途径,而且节约了有限的砂石资源,有益于国家节能减排目标的实现。因此,笔者对废弃玻璃作为细骨料的混凝土基本性能进行了试验研究,以期为废弃玻璃资源化利用提供参考。
1 试验概况
试验用原材料有42.5R级普通硅酸盐水泥,28d抗压强度51.2MPa;天然细骨料为河砂,细度模数2.6;天然粗骨料为连续级配的碎石,最大粒径25mm;碎玻璃来自废品回收站收购的废弃玻璃,经人工破碎为细骨料,其物理特性见表1。
参考JGJ 55—2000《普通混凝土配合比设计规程》的配合比设计方法,按等体积废玻璃替代砂子,并将废玻璃质量计入砂率公式的设计方法进行设计。所有试件采用0.43的同一水灰比,细骨料取代率从0、20%、40%、60%、80%到100%变化,废弃玻璃细骨料混凝土配合比见表2。
kg/m3
废弃玻璃细骨料混凝土拌合物均采用容量为50L的搅拌机进行机械搅拌,试件经振捣成型后,在标准条件下养护3d、7d、14d和28d后取出进行相关试验。立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验采用边长150mm的标准立方体试件,轴心抗压强度和弹性模量试验分别采用150mm×150mm×450mm和150mm×150mm×300mm的标准棱柱体试件,试验方法按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行[5]。
2 试验结果与分析
2.1 坍落度
图1为混凝土拌和物坍落度的变化规律。从图1(a)可看出,随着废弃玻璃细骨料的不断增加,混凝土的坍落度不断增大,当废弃玻璃细骨料取代率为100%时,其坍落度为普通混凝土的1.56倍。对比研究废弃玻璃细骨料混凝土与普通混凝土拌和物在成型过程中的表观现象发现,废弃玻璃细骨料混凝土的坍落度大于普通混凝土坍落度主要是因为废弃玻璃表面较光滑,与其他骨料组成砂浆可在粗骨料之间起滚珠与润滑作用,减少粗骨料之间的摩擦力,故废弃玻璃细骨料混凝土的流动性较大。另外,废弃玻璃细骨料吸水率较普通砂的吸水率要低得多,因此,随着废弃玻璃细骨料取代率的不断增加,混凝土的和易性较好,故废玻璃细骨料可配制流动性大的混凝土。
从图1还可看出,当废玻璃细骨料取代率为40%时,其坍落度变化率最大。废玻璃细骨料混凝土的坍落度随着废玻璃细骨料取代率的增加而逐渐降低。当废玻璃细骨料取代率为20%~60%时,其坍落度变化率较大。故若只考虑坍落度问题,用废弃玻璃细骨料配制高流动性混凝土,其最佳掺量为20%~60%。
2.2 抗压强度
图2为废弃玻璃细骨料混凝土立方体抗压强度(fgcu)随废玻璃细骨料取代率、养护龄期的变化规律。从图中可看出:随着废弃玻璃细骨料取代率的不断增加,立方体抗压强度呈不断降低趋势。当废弃玻璃细骨料取代率在0~20%时,其立方体抗压强度与普通混凝土抗压强度差别不大,当废弃玻璃细骨料取代率为100%时,其立方体抗压强度约比普通混凝土下降25%左右。随着龄期的不断延长,废弃玻璃细骨料混凝土的立方体抗压强度逐渐增大,且增长幅度较普通混凝土要大。当废弃玻璃细骨料取代率为20%时,其3d立方体抗压强度约为普通混凝土的85%;28d时,其立方体抗压强度基本与普通混凝土相同。
考察废弃玻璃细骨料混凝土立方体抗压强度的试验过程发现:随着荷载的逐渐增大,试块的应力不断增加,在其水平方向产生膨胀变形,竖直方向产生压缩变形。当加载至试件极限荷载的80%~90%时,在试件上端的受压区附近且平行于受力方向处首先出现裂纹,随着荷载的不断增加,裂缝由上端向下端两侧发展,形成一个八字形。随后,裂缝向混凝土内部扩展,试件表层开始剥落。当荷载达到峰值应力或超过峰值应力时,裂缝数量不断剧增,且裂缝宽度也不断增大。当应力超过峰值点后,混凝土试块破坏严重,出现平行于荷载方向的裂缝,并形成斜裂缝且迅速发展,贯通整个截面,最终形成两个相对的角锥破坏面。
图3为废弃玻璃细骨料混凝土轴心抗压强度(fgc)随废玻璃细骨料取代率的变化规律。从图3可看出:随着废弃玻璃细骨料取代率的不断增加,试件的轴心抗压强度呈先略有增大而后不断降低的趋势。废弃玻璃细骨料取代率在20%以下时,试件的轴心抗压强度略大于普通混凝土试件,但差别不大。从试验过程可发现:初始加载时,由于棱柱体试件受到的荷载较小,内部微裂缝尚未发展,处于稳定阶段,试件表面没有出现肉眼可见的裂缝。随着荷载的不断增加,试件侧面两端角部出现第一条肉眼可见的裂缝,并从竖向向中间发展。随着荷载的继续加大,裂缝不断发展,当荷载加大到极限荷载时,裂缝迅速发展,并贯穿试件,棱柱体试件混凝土剥落,形成一条主斜裂缝,构件沿着斜裂缝破坏。
2.3 劈裂抗拉强度
混凝土轴心抗拉强度试验在实际工程中往往被劈裂抗拉强度试验所代替,从而间接得到其轴心抗拉强度。通过对废弃玻璃细骨料混凝土试件进行劈裂抗拉强度试验发现:废弃玻璃细骨料混凝土试件高度中部首先出现竖向裂缝;之后,随着荷载的增加,裂缝贯穿试件两端;再后,试件发出清脆的劈裂响声,并被劈成对称的两部分。观察破坏面可发现,破坏截面非常平整,破坏荷载很小。废弃玻璃细骨料混凝土劈裂抗拉强度(fgt)随废玻璃细骨料取代率的变化规律见图4。从图4可看出:随着废弃玻璃细骨料的不断增加,废弃玻璃细骨料混凝土的劈裂抗拉强度不断降低;当废弃玻璃细骨料取代率在20%左右时,其劈裂抗拉强度与天然骨料混凝土的劈裂抗拉强度基本相同。
2.4 弹性模量
图5为废弃玻璃细骨料弹性模量的变化图,从图中可看出:随着废弃玻璃细骨料取代率的不断增大,混凝土的弹性模量不断降低;当细骨料全部为废弃玻璃时,试件的弹性模量比细骨料全部为天然骨料的混凝土降低11%。当废弃玻璃细骨料取代率在20%左右时,弹性模量与普通混凝土基本相同。
3 结论
(1)随着废弃玻璃细骨料取代率的增大,混凝土拌合物的流动性逐渐增大,坍落度也不断增大。
(2)废弃玻璃细骨料混凝土试件的立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度与普通混凝土试件的破坏形式及变化规律类似。
(3)随着废弃玻璃细骨料取代率的增大,试件的立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度总体均呈降低趋势;但取代率在20%之内时,其强度与普通混凝土相差不大。
(4)随着废弃玻璃细骨料取代率的增大,弹性模量先稍有增加而后不断降低。
(5)从试验结果来看,废弃玻璃取代砂作为混凝土细骨料可能是可行的,但配合比及耐久性能有待进一步优化及研究。
参考文献
[1]Zhen HE,Zongjin LI and Guohua CHEN.Waste Glass Man-agement and Application of Glasphalt in Hong Kong,Final Re-port Submitted to Hong Kong SAR Government.2004,6.
[2]Larsen,D.A.,Feasibility of Utilizing Waste Glass in Pave-ments,State of Connecticut Department of Transportation.Re-port No.343-348.1989.
[3]Case studies for the use of post consumer glass as a con-struction aggregate,CWC.1997.
[4]KOU S C,PONN C S.Properties of self-compacting concretepre-pared with recycled glass aggregate[J].Cement and Con-crete Composites,2009,31(2):107-113.
[5]中华人民共和国建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T50081普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
泡沫玻璃与固体废弃物的循环利用 篇2
早在20世纪30年代,法国Saint-Gobain就开始研制用玻璃粉(过0.9mm筛)加发泡剂(碳酸钙),加热到850～860℃,经发泡、退火制成轻石状的泡沫玻璃,并于1935年申请了第一个专利[1]。与此同时,前苏联也研制了泡沫玻璃,并于1939年在门捷列夫化工学院中间试验厂生产[2]。到1941年,美国匹茨堡康宁公司以碳素作为发泡剂,研制出了气孔结构封闭的闭孔型泡沫玻璃。1945年日本的旭玻璃公司和日本硝子公司以碳酸钙为发泡剂,联合开发出了具有现代意义的连通气孔的开孔型泡沫玻璃制品[1]。
我国于1955年在沈阳陶瓷厂开始试制泡沫玻璃,1970年大连玻璃制品厂研制了保温泡沫玻璃。1975年沈阳陶瓷厂与大连轻工业学院合作研制生产国家重点工程急需的吸声泡沫玻璃,125～1600Hz平均吸声系数达0.5以上[3]。1978年以后,泡沫玻璃生产厂家增加不少,但由于大部分工厂规模小、产品质量低、能耗高、经济效益低,经营不久后不少工厂就开始破产重组[4]。由此可见,我国泡沫玻璃的研制虽然起步较早,但发展较缓慢,在20世纪90年代初期,生产的产品质量还达不到发达国家的水平,生产能力也有限,并且应用范围窄,主要用于工业保温领域。直到20世纪90年代中后期,泡沫玻璃质量才达到美国ASTM标准要求,并形成了一定规模的生产能力,产品不仅可供国内市场,而且从2001年起开始供应加拿大、美国市场,2002年开始供应韩国、英国、新加坡、沙特阿拉伯市场[5]。
尽管泡沫玻璃在发展过程中也存在着不少问题,但它广阔的发展前景是不容忽视的。国内每年生产的泡沫玻璃供不应求,市场空缺很大;同时建筑保温节能技术越来越受到人们的关注,建筑工程对防水防潮、隔音降噪和装饰美化的要求也不断提高,因此这些因素决定了泡沫玻璃在未来必然会面临巨大的发展机会。
1 泡沫玻璃的制备
泡沫玻璃是由许多球状密封的或相互连接的微孔结构组成,属多孔玻璃的一个品种。其表面呈结晶状,十分坚硬,但不透明,内部充满无数微小气孔,也就是均匀的气相和固相体系。气孔占总体积的80%～90%,气孔大小为0.5～5mm,也有小到几微米的[6]。
泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和促进剂等,经过细磨、混合后,放入特定的模具中,再经过预热、熔融、发泡、退火等工艺制备而成的。典型工艺流程如图1所示[7]。
图2是生产泡沫玻璃的窑炉构造示意图,将原料放置在耐热的钢制内衬中,以5～8K/min的升温速度升温到发泡温度,然后恒温到发泡结束。之后在600℃退火30min,使形成的气-固相结构稳定,之后随炉冷却即可。整个发泡过程通过特制的光学仪器进行监控[8]。
泡沫玻璃的原料大多采用废弃物,如废弃玻璃、粉煤灰、炉渣或天然矿物如火山灰、云母、珍珠岩等,发泡剂可用炭黑系列或者碳酸盐系列等[9,10,11]。
2 泡沫玻璃的性能及其应用
2.1 热学性质
泡沫玻璃的热导率比较小,一般在0.035～0.139W/(m·K)之间,特别是含闭口气孔多的泡沫玻璃,热导率很小,所以可用作保温、隔热材料。泡沫微晶玻璃的热导率为0.29W/(m·K),比普通泡沫玻璃高。
泡沫玻璃的传热包括玻璃的孔壁和气孔中的气体。孔壁是固相,以传导为主,而气孔中的气体,除了传导以外,主要是对流和辐射。泡沫玻璃中气孔很多,传热主要以气孔中气体的对流和辐射为主,对流和辐射的传热效率很低,因此泡沫玻璃的热导率很小。
泡沫玻璃与其他无机材料易于结合,施工容易,防水、防火、保温效果较佳。目前,隔热泡沫玻璃主要应用在:工业与民用建筑如住宅、厂房、公共建筑、露天屋顶、冷藏库等工程;承压条件下的隔热隔冷及防潮工程如电厂大烟囱内壁、地下工程(如隧道)的隔冷隔水等;工程管道如城市露天燃气管道的隔热隔冷、防雨防火。
我国将泡沫玻璃外保温技术用于大型工业装备和特种房屋墙体的保温隔热已有20多年的历史,如大庆化肥厂的Φ21m×21m的大型露天储槽的泡沫玻璃外保温系统、青岛四方车辆研究所的+60～-60℃温度反复交替变化的环境试验室的泡沫玻璃墙面保温系统;又如上海龙华肉联厂冷库的泡沫玻璃外墙保温系统、嘉兴大众住宅公司的商品住宅的泡沫玻璃外保温墙面等都经过了多年使用,无一脱落损坏。在连接青海和西藏铁路沿线所有的护坡、隧道、路基的防建工程等处,全部采用的是利用碎玻璃生产出的泡沫玻璃[12,13]。
2.2 声学性质
泡沫玻璃是一种刚性多孔材料,具有许多微小的间隙和连续的气孔,因而具有一定的通气性。当声波入射到泡沫玻璃表面时,主要是2种机理引起声波的衰减:首先是由于声波产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动,造成与孔壁的摩擦,紧靠孔壁的空气受孔壁的影响不易动起来,由于摩擦和粘滞力的作用,使相当一部分声能转化为热能,从而使声波衰减;其次,小孔中的空气与孔壁之间热交换引起的热损失也会使声能衰减。这就使泡沫玻璃具有良好的高频吸声性能。
泡沫玻璃在不同频率声波下的吸声效果是不相同的,对于低频(100～125Hz),声波吸声系数较低,对于高频,声波吸声系数则比较高。
目前,吸音泡沫玻璃在发达国家已广泛用于地铁、地下军事设施、隧道、工厂车间、音乐厅、剧场及大会堂等工程上,飞机场周围的建筑外墙面也已采用,用以降低飞机起落噪声对环境的污染。我国也在20世纪90年代的北京人民大会堂空调机房与送风管道上、上海市高架路两旁的吸音墙、上海地铁车站、上海游泳馆的吊顶和墙面、上海人民广场地下商场的空调风道和机房,采用吸音泡沫玻璃来消声隔声,其吸声降噪效果良好[13,14]。
2.3 吸水性
开孔型泡沫玻璃的吸水率可达50%～70%,有的甚至更高。由于其良好的吸水保水性能,日本Saga大学的Lu等将其应用于绿化工程。他们把泡沫玻璃板作为保水材料固定在岩石基的斜坡上[15],当坡面因失水变干时,泡沫玻璃板中储存的水分仍可继续供给土壤和树根,以满足植物的生长需要。同时由于这些泡沫玻璃板的交错拼接,还能阻止水土流失。
2.4 轻质、高强、不燃性
泡沫玻璃生产中的废品和切割加工后的边角料均可用作建筑中轻质填充材料,也可直接将泡沫玻璃制成粒状泡沫玻璃骨料,加入到混凝土中,以降低混凝土的质量,如钢筋混凝土锚,由于掺入泡沫混凝土骨料,其质量由760kg减至550kg,因而易于建造,同时运输成本也大为降低。
泡沫玻璃作为轻质建筑混凝土骨料的报道最先见于法国。随后许多国家进行了相关研究,俄罗斯Saving Techno-logies Ltd.公司研制出了粒状和板状泡沫玻璃,其中粒状泡沫玻璃可以直接用作轻质混凝土骨料,日本也有相关报道[15,16]。
3 固体废弃物在泡沫玻璃中的应用
在唐代,玻璃制品像玉石一样珍贵,只有王公贵族才能享用。如今,品种繁多的玻璃制品早已进入人们的日常生活中。与此同时,玻璃对环境的污染及对人体的伤害也成为一个不容忽视的环境问题。玻璃碎屑与废旧塑料一样,都是在环境中数十年甚至数百年久存不变的污染物质。它们一旦进入环境中,并不因风吹雨打或微生物作用而被降解。随着玻璃工业的发展和人们生活水平的提高,大量废旧玻璃制品被扔进垃圾中,成了不亚于“白色污染”的新公害。
世界各国的城市与玻璃工厂每天都有大量的各种玻璃废弃物与玻璃工业废料产生,欧美一些发达国家废玻璃量占城市垃圾总量的4%～8%。我国2003年城市生活垃圾排放量约为1.3亿t,虽未对其中的废玻璃进行具体统计,但经有关专家估计其中的废玻璃量约占2%,近260万t[17]。
21世纪的今天随着消费水平的大幅上涨,如此之多的废玻璃无论是倒入海里,还是埋在地下,都是一种暂时的处理办法。只有采取有效的措施,对废玻璃加以充分利用,重新变成各种产品,才是唯一的解决办法。此外,据美国天然气研究所报道,美国的玻璃产业每年都要消耗掉55亿m3的天然气,其中90%是用来熔制玻璃[18]。而每回收1t废玻璃就可节约100kg燃料,一个玻璃瓶被重新利用所节省的能量可使灯泡亮4h。因此,废玻璃回收所带来的社会效益和经济效益将是十分可观的。利用废玻璃为主要原料制备泡沫玻璃早在2000年就有过报道[19]。
3.1 利用粉煤灰研制泡沫玻璃
我国是个产煤大国,以煤炭为电力生产基本燃料。近年来,我国的能源工业稳步发展,发电能力年增长率为7.3%,随之而来的是粉煤灰排放量的急剧增加。据资料介绍,1995年粉煤灰排放量达1.25亿t,2000年约为1.5亿t,到2010年将达到2亿t,大量的粉煤灰不加处理,就会产生扬尘,污染大气;若排入水系就会造成河流淤塞,而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。因此,粉煤灰的处理和利用问题引起了人们广泛的注意。
粉煤灰是一种活性的硅酸盐瘠性料,具有火山灰的性质,既无可塑性和结合性,又具有较高的硬度与熔点[20]。粉煤的灰化学成分随煤种不同而有差异,较典型的粉煤灰的化学组成为:SiO2 43%～56%,Al2O3 20%～32%,Fe2O3 4%～10%,CaO 1.5%～5.5%,MgO 0.6%～2.0%,Na2O+K2O 1.0%～2.5%,SO3 0.3%～1.5%,烧失量3%～20%。从粉煤灰的化学组成上看,SiO2、Al2O3、CaO、MgO是制造玻璃所必须的氧化物,K2O、Na2O和Fe2O3能显著降低玻璃的熔化温度。从粉煤灰的矿物组成上看,主要有玻璃质(约占50%),另有莫来石、α-石英、硅酸二钙、三铝酸五钙等矿物。由于本身已含大量玻璃质,故粉煤灰的引入可降低玻璃的熔制温度,从而达到既节能又利废的目的。
Fernandes等[21]通过掺杂20%的粉煤灰制备了容重360～410kg/m3、抗压强度2.4～2.8 MPa的优质泡沫玻璃。Mangutoval等[22]以50%的粉煤灰制备了孔隙率达75%、弯曲强度和杨氏模量分别达到77MPa和29GPa的泡沫玻璃。方荣利等[23]以粉煤灰、碎玻璃为主要原料制备了泡沫玻璃,其抗压强度达3～5MPa。
3.2 利用硼泥研制泡沫玻璃
硼泥是以硼矿石为原料,生产硼砂以及硼酸等硼化工产品剩余的固体废弃物[24]。硼泥中含有氧化镁、氧化钙、氧化钠等碱性物质,未经过任何环保技术处理,且又是露天堆积排放,由于其粒度细、碱性强,故堆放之处寸草不生。硼泥堆积处由于渗透和雨水冲刷的作用还可使硼泥的污染成分进入水体,从而破坏硼泥堆积处的生态环境,造成硼化物生产区的严重环境污染[25]。生产1t硼砂约产生硼泥4t,随着对硼砂需求的不断扩大,硼泥这种固体废渣的排放量也急剧增大。所以无论从环境保护还是资源利用的角度看,对硼泥进行有效的综合利用研究都是非常必要和迫切的[26]。
硼泥中MgO含量偏高,但是,若将MgO按95%转化率转化成Mg(OH)2 后分离, 剩下的不溶性SiO2和沉淀性杂质的化学组成比粉煤灰更接近于玻璃组成。与玻璃相比,尽管镁渣中不含Na2O,但镁渣中含有硼酸/砂,可以部分代替Na2O起到助熔作用,从而降低纯碱添加量。更重要的是,硼泥颗粒尺寸通常都小于100目,无需研磨,与粉煤灰比降低能耗明显。因此以脱镁后的硼泥为原料制备泡沫玻璃前景十分可观。
3.3 利用废阴极射线管研制泡沫玻璃
随着现代社会经济的高速发展,家用电器的需求量也越来越大,仅中国在1998年就生产电视机阴极射线管和电脑阴极射线管共计4100万支,平均每支质量为18.5kg。到2003年电视机社会保有量达到4亿台,每年报废量超过600万台,且逐年递增。2005年阴极射线管产量已达到6600万支,产品大部分为大规格阴极射线管,平均每支质量为23.5kg。废阴极射线管的屏玻璃中含有5%～12%的BaO和6%～10%的SrO等重金属氧化物,锥玻璃中含有19%～35%的重金属氧化物PbO,因此废阴极射线管属于危险固体废弃物,必须妥善处理。目前,欧盟、美国、日本等对废阴极射线管的回收均制定了严格的法律法规。将含有重金属氧化物的阴极射线管制备成具有优良性能的泡沫玻璃是一种非常好的回收方法[27]。
田英良等[27]以废旧阴极射线管为主要原料,通过粉末烧结法制备泡沫玻璃,容重达到0.653g/cm3,抗压强度6.28MPa,抗折强度2.11MPa。Veloza等[28]使用电视上的阴极射线管制备出的泡沫玻璃,容重为0.36g/cm3,导热系数为0.0021W/(cm·K)。Bernardo等[29]用阴极射线管制备的泡沫玻璃,具有较高的性能,抗压强度可达2MPa, 容重0.13g/cm3。
3.4 利用煤矸石研制泡沫玻璃
煤矸石是煤炭开采、洗选过程中的废弃物。目前,我国的煤研石总堆积量达2.5Gt,并且还以每年130Mt的速度增加。大量废弃的煤矸石不仅污染水质,而且自燃后放出H2S、SO3 等有毒气体污染空气,造成酸雨。大量堆积的煤矸石还侵占了越来越多的耕地,构成了对环境和生态的双重破坏。美国、英国和德国等西方国家早已研究该问题的解决对策,目前,其煤矸石的利用率已达90%以上[30]。
煤矸石采集后,为降低粉磨能耗和产品中CaO的含量,需要剔除其中硬度大、易磨性差、块度大的岩石类矿物。利用煤矸石中含有的一定量可燃性成分,可以降低生产能耗;燃烧产生的气体,有利于发泡;在缺氧条件下裂解出的石墨,能降低玻璃液的表面张力,有利于泡沫的稳定。
肖秋国等[31]以煤矸石和废玻璃为主要原料研制的吸声泡沫玻璃,吸声系数达到0.57。
4 结语
随着石油、煤炭等不可再生资源的减少,房屋的保温设施要求越来越完善,而泡沫玻璃在保温、化学稳定性和耐高温低温性方面有着出色的表现,其良好的吸声保水性又使其在建材和绿化方面有着得天独厚的优势,因此未来市场前景广阔。目前我国的泡沫玻璃生产技术还不够成熟,存在着机械强度低、抗热冲击性差等缺陷,在生产工艺上仍然摆脱不了模具的束缚,而在国外已经有无模发泡的专利。但我国有丰富的尾矿资源,因此利用对环境造成严重污染的废玻璃和固体废弃物为主要原料,不仅解决了环境的污染问题,而且节约资源,降低能耗,既满足了环境友好型材料的大方向要求,又大大降低了成本,创造出了更加广阔的利益空间。
摘要：概述了泡沫玻璃的发展研究现状,介绍了利用碎玻璃制备泡沫玻璃的典型工艺流程,从热学性质、声学性质、吸水性和轻质、高强、不燃性等方面讨论了泡沫玻璃的性能及其应用,同时介绍了粉煤灰、硼泥、废阴极射线管和煤矸石等环境污染严重的固体废弃物在泡沫玻璃中的应用。以固体废弃物为主要原料制备泡沫玻璃,无论从理论上还是在实际应用中都是十分可行的。
废弃玻璃 篇3
废弃玻璃混凝土梁是指用废弃玻璃破碎成粗集料或者细集料制作混凝土,然后与绑扎好的钢筋一起在模具中进行浇筑形成的钢筋混凝土梁[5]。剪切破坏是结构构件一种常见的破坏形态。一般指构件在弯矩和剪力共同作用下沿斜裂缝发生的破坏, 故又叫做斜截面破坏。国内外学者也对目前一些新型材料梁的剪切破坏性能做了深入研究,但迄今为止,对以废弃玻璃为骨料的混凝土梁的相关研究还较少,因此对该部分的研究显得更为重要。
1试验概况
1.1实验材料
水泥采用本溪工源牌525水泥,石子采用普通碴石,表观密度为2 680 kg /m3,砂采用普通河砂,表观密度为2 640 kg /m3,玻璃采用沈阳耀华玻璃厂生产过程中的废弃碎玻璃,表观密度为2 500 kg /m3。 粗细玻璃集料均由人工破碎,如图1、图2所示。
1.2试件设计及制作
试验用混凝土采用相同的配合比,试件共分三组,第一组为普通天然集料梁3根LN-1、LN-2、LN3,第二组为用废弃玻璃替代粗骨料梁3根LC-1、 LC-2、LC-3,第三组为用废弃玻璃代替细集料梁3根LF-1、LF-2、LF-3。其中字母LN代表普通天然集料混凝土梁,LC代表用废弃玻璃代替粗骨料混凝土梁,LF代表用废弃玻璃代替细骨料混凝土梁。各组梁配筋均为纵筋2Ф16,架立筋2Ф12,箍筋为 Ф8@ 110,集料替代方式按等体积替代。其中详细配合比如表1所示。
1.3加载方式及测点布置
试验采用分配梁两点加载,剪跨比分别为1、2. 25、3。梁的支座采用两个滚轴作为支座,为避免支座与梁接触面处混凝土局部压应力过大而影响梁的承载力,支座与梁接触面加垫宽10 cm钢板,实验装置如图3所示。正式加载采用逐级加载方式[6],接近预估开裂荷载时,减小每级荷载增加幅度以便于准确得到开裂荷载。
2试验结果及分析
2.1试件破坏形态
实验过程中依剪跨比的不同发生斜压破坏、剪压破坏和受弯破坏。剪跨比为1时,试件LN-2发生斜压破坏,210 k N时出现第一条斜裂缝,方向约呈60°,340 k N时支座处混凝土见部分压碎,荷载继续增加,新的裂缝不断出现并向加载点及支座处延伸, 此时跨中最大裂缝宽度为5 mm,最终加载点与支座之间发生混凝土开裂,斜裂缝间混凝土被压碎,发生斜向受压破坏。试件LF-2、LC-2与LN-2类似均发生斜压破坏,但LC-2斜裂缝开裂荷载明显低于LF2与LN-2,梁端部受力筋与混凝土之间发生明显滑移,锚固区混凝土劈裂破坏严重。剪跨比为2. 25时,试件LN-1、LF-1、LC-1破坏特征是明显的剪压破坏,加载初期出现细小垂直裂缝和斜裂缝,斜裂缝开裂荷载相差不大,随荷载的增加斜裂缝不断向斜上方延伸,宽度不断加大,最终剪弯区段混凝土在剪压复合应力作用下达到极限强度而破坏,试件失去工作能力。剪跨比为3时,试件均发生受弯破坏,最终以跨中混凝土翘曲压碎而破坏。试件破坏形态见图4。
2.2荷载-跨中挠度曲线
梁荷载-跨中挠度曲线如图5所示,三种不同材料梁在不同剪跨比下挠度随荷载的变化趋势基本相同。梁开裂之前,在相同荷载作用下玻璃细集料混凝土梁挠度略小于普通混凝土梁及粗骨料混凝土梁,加载初期梁挠度较小,曲线斜率较大,挠度增加缓慢。随着荷载的继续增加,混凝土梁发生开裂,挠度曲线斜率迅速减小,梁挠度增加较快,此时梁的抗弯刚度下降较快,最终破坏时曲线几乎呈水平。在相同挠度下,普通混凝土梁和玻璃细集料混凝土梁比玻璃粗集料混凝土梁承载能力高。相同剪跨比条件下,玻璃细集料混凝土梁与普通混凝土梁相应挠度曲线比较接近,说明二者的初始抗弯刚度几乎相同。
2.3荷载-箍筋应变曲线
梁荷载-箍筋应变如图6所示,在加载初期箍筋应变几乎为零,说明此时剪力大部分由混凝土承担,箍筋贡献较小。混凝土梁开裂后,箍筋应变迅速增长,曲线上出现明显拐点,说明开裂后剪力虽然由箍筋和混凝土共同承担[7],但由于此时部分混凝土退出工作,混凝土所承担剪力较未开裂时下降较多。 当剪跨比为1时,玻璃粗集料混凝土梁箍筋应变最先出现拐点,说明玻璃粗集料混凝土梁开裂荷载较普通混凝土梁和玻璃细集料混凝土梁低。当剪跨比为2. 25时,玻璃集料混凝土梁箍筋应变变化趋势基本相同,但玻璃细集料混凝土梁开裂荷载较高,玻璃骨料混凝土梁直至最终破坏箍筋应变刚达到1 000微应变,箍筋没有达到屈服强度,说明梁破坏时并没有达到抗剪极限承载力。当剪跨比为3时,玻璃集料混凝土梁箍筋应变变化趋势基本一致,梁开裂前相同荷载下普通混凝土梁箍筋应变比玻璃集料混凝土梁小; 开裂后,相同荷载下普通混凝土梁箍筋应变最大且增加较快,说明玻璃集料混凝土梁在此剪跨比条件下虽开裂荷载较低,但是带裂缝工作性能较好。
2.4抗剪承载力
我国《混凝土结构设计规范》中所规定的计算公式是根据剪压破坏形态而建立的,斜截面所承受的剪力设计值有三部分组成,如图7所示,其中主要考虑力的平衡条件 Σy = 0,即
式中: Vu是梁斜截面受剪承载力设计值,Vc是混凝土剪压区受剪承载力设计值,Vs是与斜裂缝相交的箍筋的受剪承载力设计值,Vsd是与斜裂缝相交的弯起钢筋的受剪承载力设计值,Vcs是混凝土与箍筋合计受剪承载力。
对于承受集中荷载的普通混凝土梁受力过程可以分为裂缝出现前后两个阶段,当荷载很小时,梁上无裂缝出现,纵筋和箍筋应力很小,混凝土几乎承担所有剪力,此时Vu≈Vc。斜裂缝出现后,与斜裂缝相交的箍筋限制了裂缝的开展,使骨料咬合力和销栓力都有一定程度的提高,梁截面的抗剪承载力得到提高,此时Vu= Vc+ Vs。
表2给出了相同剪跨比废弃玻璃混凝土梁与普通混凝土梁的抗剪承载力实测值。相同条件下玻璃细集料混凝土梁开裂荷载略大于普通集料混凝土梁,玻璃粗集料混凝土梁开裂荷载小于普通混凝土梁。原因是水泥水化反应中产生大量游离的氢氧根离子,与玻璃中富含的活性二氧化硅发生碱硅反应, 当玻璃作为粗骨料时,碱硅反应会产生膨胀,影响骨料与水泥桨的结构强度[8],同时玻璃表面的光滑度要大于天然骨料,骨料咬合力低,使混凝土本身抗剪承载力Vc降低,相当于使Vcs下降,降低了混凝土梁的开裂荷载; 而当玻璃粒径较小充当细骨料时,能阻止碱集料反应[9],提高混凝土的性能,相当于增大Vc的值,使玻璃细集料混凝土梁开裂荷载略大于普通混凝土梁。剪跨比相同条件下,玻璃细集料混凝土梁屈服荷载与极限荷载均与普通混凝土梁接近[10],玻璃粗骨料混凝土梁则比普通混凝土梁小。随着剪跨比的减小,玻璃混凝土梁极限荷载呈上升趋势,与普通混凝土梁相同。这是由于玻璃在破碎过程中会使玻璃产生微裂缝,降低了部分骨料强度,在浇筑过程中在水泥与骨料接触面形成薄弱区,在斜裂缝处容易被拉断,控制裂缝开展的能力较天然粗骨料差, 导致箍筋屈服较早,影响梁的抗剪承载力。
3结论
( 1) 玻璃集料混凝土梁的剪切破坏形态与普通混凝土梁并无本质区别。
( 2) 玻璃细集料混凝土梁与普通混凝土梁初始刚度基本相同,玻璃粗集料混凝土梁相对较小。
( 3) 玻璃细集料混凝土梁的开裂荷载略高于普通集料混凝土梁,玻璃集料混凝土梁极限承载力与普通混凝土梁接近。
( 4) 玻璃混凝土梁的抗剪承载力随剪跨比的增大逐渐减小,但不成线性关系,废弃玻璃细集料梁的抗剪承载力比普通混凝土梁高5% 左右,废弃玻璃粗集料梁抗剪承载力比普通梁低13% 左右。
参考文献
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废弃玻璃 篇4
目前, 最新的专利磨碎技术有望取代之前被认为并不经济的玻璃回收技术, 满足玻璃回收过程中所需的粉碎及研磨需求。总部设在英国的IIT公司已经研发出最新的集低能耗、小体型、强研磨力于一体的新型研磨设备。
这种高效, 功能齐全的设备不但适用于传统的矿物及其他材料的研磨, 同样也适用于玻璃回收程序, 能经济地将废弃玻璃转化为超微粒。最新的M系列磨粉机有着严格而先进的模块式设计, 能够研磨各种柔软度的材料 (硬度可达9.5莫氏) , 并且能以90%的概率标准使粉末大小达到45nm或更小。IIT公司已经成功地将废弃玻璃研磨到50～75μm, 有力的证明了这种实用的, 性价比较高的玻璃粉碎设备在回收应用例如砖块助溶剂生产和过滤应用中的可能性。轻小, 强力的M系列运用垂直材料流程以及特殊的滚筒总成离心研磨机理确保产生的能量达到最大的粒子磨削功率, 而不是依赖空气流通带动料物质与研磨介质来达到最大能效, 是当之无愧的节能王。研磨机的多级研磨功能是通过由模块数量和旋转辊速度应用控制的粒度尺寸控制和研磨模块相结合而达到的。这就意味着细磨技术不会像传统的研磨机那样占地面积过大而受到应用限制。反之, 随着传统颗粒材料到细粉的转变已经不再受研磨机体积和能耗的限制, 大量的粉末研磨应用程序现在已经可以轻松融入到之前难以应用的地区中。
(摘自中国建材新闻网)
废弃玻璃 篇5
废弃玻璃/铝基复合材料是利用人们生产和生活过程中产生的废玻璃 (碎玻璃、玻璃纤维厂的废弃物等) 和废铝料 (废旧易拉罐、牙膏皮、铝合金型材边角料等) , 通过特殊配方和工艺制备的一种新型环境材料。用废玻璃和废铝料制备复合材料是高附加值利用这两类废弃物的有效途径之一, 也是发展我国循环经济、推进我国静脉产业体系建设中具有独创性的一种思路[1]。
玻璃作为一种价格低廉的材料, 由于具有硬度高、摩擦系数小、抗咬和能力好的特点, 是一种优良的增强体;而铝具有比重小、导热性好、耐腐蚀等优点, 是一种优良的金属基体材料。玻璃增强铝基复合材料具有密度轻、比强度比刚度高、热膨胀系数低、热稳定性高, 并具有良好的导电性、耐磨性, 耐有机液体如燃料和溶剂的侵蚀, 可用常规工艺和设备进行成形等优点, 其应用已经开始渗入许多领域, 可望用于内燃机定时轮、运输带托辊、轴承座、运输管道等[2,3]。
本文采用搅拌铸造法制备了废弃玻璃/铝基复合材料, 研究了复合材料的微观组织及力学性能, 以期改进和优化复合材料的制备工艺并为今后复合材料工程化提供依据。
1实验方法
1.1实验原材料
将回收的废弃玻璃清洗、干燥、粉碎、球磨, 选用规格40目、100目、200目筛网筛分, 得到粒度为40～100目和100～200目两种玻璃粉。废旧铝质易拉罐经焖烧、压块、熔炼得到铝锭, 易拉罐全部熔化后平均化学成分如表1所示。
1.2复合材料的制备
先将铝锭加热至固液两相区 (650℃～680℃) , 在惰性气体保护下进行搅拌, 然后将玻璃粉预热 (500℃—550℃) 并以一定的速度加入到铝熔体中。玻璃粉末的添加量分别为5%、10%、15%、20%, 在合金的固液两相区边搅拌边加入, 待搅拌均匀后升温浇注成铸锭。
将铸锭加热到450℃, 再放入预热至350℃的模具中, 利用液压机将其墩粗, 得到直径为90mm的棒材, 再以一定的速度进行挤压, 挤压比为2∶1。
1.3复合材料性能测试
利用扫描电子显微镜观察其形貌及显微结构。采用标准短试样 (5mm×30mm) , 在MTS机上测试拉伸性能, 拉伸速度为0.1mm/min, 然后用扫描电镜观察其断口形貌。
沿挤压棒材的方向截取摩擦磨损试样 (6mm×7mm×16mm) , 在M 200型摩擦磨损试验机上进行性能测试。摩擦方法为滚动摩擦, 材料为退火45#钢, 表面硬度HB 300, 转速为 (180～200) r/min, 对磨时间为1h, 载荷为100N。磨损量用称重法测定:W=W1-W2, 其中W为磨损量 (g) , W1为试验前的重量 (g) , W2为试验后的重量 (g) 。
2结果与讨论
2.1复合材料的组织
图1所示为玻璃/铝基复合材料挤压态组织的显微结构照片。由图1 (a) 可见, 在复合材料中, 玻璃颗粒在材料中的分布较为均匀, 玻璃颗粒与铝基体的界面结合良好, 大多数的玻璃质点均匀地分布在铝基体中, 无明显的聚集现象, 基体与颗粒结合紧密, 颗粒无明显棱角, 缓和了应力集中, 有利于载荷的传递。但颗粒大小不均, 且颗粒多处存在尖角, 部分玻璃颗粒的外表面已出现熔融现象, 如图1 (b) 所示。
2.2复合材料的硬度与拉伸性能
表2列出了复合材料 (玻璃含量10%) 、玻璃及基体的抗拉性能和硬度。可以看出玻璃颗粒的加入并未提高基体的抗拉强度, 但硬度比基体有所提高。
玻璃颗粒作为增强相, 其含量、粒径、分布状况都会对复合材料的微观结构产生影响, 从而影响其力学性能。图2描述了玻璃含量及粒径对复合材料抗拉强度的影响。当玻璃添加量在0～10%时, 随加入量的增加, 复合材料的抗拉强度有线性增加的趋势;当玻璃添加量超过10%时, 粒度为100～200目的玻璃增强复合材料的抗拉强度呈直线下降趋势, 而粒度为40～100目的玻璃增强复合材料的抗拉强度在玻璃添加量超过15%时才出现下降。
在拉伸过程中, 基体表现出韧性断裂, 基体中存在韧性断裂后形成的“韧窝”样组织, 如图3所示。增强粒子表现出脆性断裂的特征, 整个材料的宏观断裂特征是脆性断裂, 断裂形式为起源于晶粒内部的孔洞、夹杂物和第二相粒子的准解理断裂 (或混合型断裂) 。其中, 颗粒的局部分布不均匀是导致复合材料断裂的一个主要原因。因为玻璃颗粒的聚集区往往是裂纹起始与优先扩展区, 总是伴随着缩松、气孔等铸造缺陷。在拉伸载荷的作用下, 颗粒聚集区及与其相邻的铸造缺陷中的裂纹和孔洞必然会聚合长大, 当长大到临界尺寸后就迅速扩展, 穿越整个玻璃颗粒聚集区, 然后再向界面及基体组织中扩展, 最终引起断裂。
2.3复合材料的摩擦、磨损性能
图4给出了复合材料的磨损量与玻璃添加量及其粒度的关系;图5给出了复合材料摩擦系数与玻璃添加量及其粒度的关系。与基体铝相比, 玻璃/铝基复合材料表现出较好的摩擦、磨损性能。复合材料在含量为0～15%区间时, 其耐磨性能随着玻璃颗粒含量增加而增加, 超过15%时, 由于颗粒添加困难且易夹杂或失败, 所以材料的耐磨性能呈下降的趋势;玻璃含量为20%所对应的值一般为大量颗粒浮出后基体材料的耐磨性能指标, 仅作参考。玻璃添加量在15%以内时, 在相同玻璃含量的情况下, 粒度小的复合材料耐磨性能比粒度较粗的好, 因为粒径较小, 单位体积内的颗粒数多, 表面积增大, 单位面积上承受磨损的颗粒面积大, 同时随着粒径的减小, 颗粒本身所具有的缺陷也在减少, 故耐磨性能较好。
3结论
(1) 采用废玻璃和废铝为原料, 利用搅拌铸造法制备了实用的复合材料, 为两种废弃物的再生利用提供了一种新的思路。
(2) 制备的复合材料界面结合良好, 颗粒在基体中的分布较均匀。复合材料的耐磨性能比基体有一定的提高, 可作耐磨、减磨材料;复合材料抗拉强度的提高并不明显, 玻璃含量为10%～12%时, 存在着最佳值。
(3) 玻璃颗粒的形状、粒度及加工裂纹的多少影响着复合材料的力学性能。
参考文献
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废弃玻璃 篇6
随着经济的高速发展, 显示器产品的需求量日益扩大且更新换代速度加快, 导致大量阴极射线管(Cathode ray tube, CRT) 进入报废阶段。 2007 年美国报废的CRT电脑显示器占电脑相关设备总质量40%, 报废电视机中CRT类产品比例超过95%[1]。 据统计,我国2003 年电视机社会保有量达4 亿台, 电脑近2000 万台,每年报废量超过600 万台, 且逐年递增。 废阴极射线管的屏玻璃中含有5%~12%的Ba O和6%~10%的Sr O等重金属氧化物, 锥玻璃中含有19%~35%的重金属氧化物Pb O, 属危险固体废弃物, 必须妥善处理[2]。 直接填埋会使铅镉等重金属污染土壤和水体。 同时,动植物通过水体吸收各种重金属,随食物链逐渐累积富集,最终进入人体从而严重危害人群健康。 因此,废弃CRT玻璃的再生资源化处理成为一个亟待解决的问题。
CRT废玻璃是玻璃的一种, 由表1 可以发现,CRT废玻璃是一种标准的Pb O-Si O2体, 含有大量的硅和钙,与普通玻璃、粉煤灰和水泥的组成比较相似,还含有一定量的铅、钡。 由于含有铅、钡的玻璃比普通玻璃、普通混凝土具有对 γ 射线更好的屏蔽效果[3,4]。 潘智生[5]等人在此基础上率先提出了使用磨细废CRT玻璃代替现在广泛使用的重骨料制备防辐射混凝土的新思路。 防辐射混凝土由于采用密度大的矿物材料作集料,重混凝土易离析,易开裂,密实性差,工作性能和施工性能差,大量耗费有限的矿产资源,且采用重混凝土方法制备防辐射混凝土会加大建筑物自重,还会给建筑物抗震性能带来不利影响[6]。 将磨细废CRT玻璃代替重骨料制备防辐射混凝土能有效减轻重量,改善其性能。
2 废CRT玻璃作为骨料在混凝土中的应用
废CRT玻璃中含有大量的铅、钡,使其不仅具有比普通混凝土更高的防辐射性能,也更容易产生铅的浸出。 目前,国内外关于废CRT玻璃在混凝土中的应用主要是将磨细的废CRT玻璃作为细骨料或粒径为5~10mm的粗骨料应用于砂浆、重混凝土、自密实混凝土、聚合物混凝土中,并研究废CRT玻璃的掺量、 粒径和矿物掺合料对它们性能的影响。由于废CRT玻璃的特殊性,其应用于混凝土和砂浆主要进行三个方面的研究:①工作性能、力学性能和耐久性;②防辐射性能;③金属铅浸出值的大小。
2.1 工作性能、力学性能和耐久性能
2.1.1 工作性能和力学性能
由于CRT废玻璃和普通废玻璃的相似性,学者们一般借鉴现有的废玻璃混凝土研究来指导废CRT玻璃在混凝土中的应用研究。 文献[7]在水泥砂浆中掺入磨细的CRT废玻璃作为细骨料,分别代替50%、100%的普通砂,并和普通废玻璃砂浆、普通砂浆进行比较发现,CRT废玻璃砂浆的力学和工作性能与普通废玻璃砂浆基本相似。
(1)由于玻璃颗粒光滑的表面能减少内摩擦和其较低的吸水率,CRT废玻璃砂浆比普通砂浆具有更好的流动性。
(2)抗压强度与抗折强度随着CRT玻璃掺量的增加而降低,且取代率100%时,与普通砂浆相比,28d的抗压强度和抗折强度分别减少20%、30%。
文献[8]在不同集料的砂浆性能试验中发现,在100%取代砂的情况下, 普通玻璃砂浆比CRT玻璃砂浆的28d抗压强度强度高10%左右,抗折强度高20%。
文献[9]在砂浆中分别加入25%的粉煤灰、磨细矿渣, 研究其在不同CRT玻璃掺量下的砂浆性能,发现粉煤灰和磨细矿渣砂浆流动度随CRT玻璃的增加而增加,这与文献[7]的研究结果一致。 但CRT玻璃在0~75%掺量范围内,其抗压和抗折强度逐渐增长, 在100%掺量下, 其强度下降到不掺玻璃水平,这可能是由于CRT玻璃的加入改善了细骨料的级配。 文献[12]通过线性回归分析发现,CRT废玻璃砂浆的抗压和抗折强度,抗压强度和弹性模量具有良好的线性相关性。 文献[10] 还研究了不同粒径CRT废玻璃对砂浆力学性能的影响,发现粒径对抗压与抗折强度的影响较小,但流动性随粒径的减少而减少。
文献[11]将不同掺量的CRT废玻璃作为细骨料掺入重晶石混凝土中,得到其工作性能和力学性能的变化规律与废CRT玻璃砂浆比较相似。CRT废玻璃混凝土的工作性能随着CRT玻璃的增加而改善,抗压、劈裂抗拉和弹性模量与CRT玻璃的掺量成反比。 文献[12]将CRT废玻璃分别代替25%、50%、75%的砂掺入粗骨料为花岗岩的重混凝土中, 得到了与文献[11]相似的结论。
普通混凝土的抗压和抗折强度一般在龄期达到28d时趋于稳定,而CRT废玻璃混凝土的抗压和抗折强度在28d至90d还有很好的增长趋势,这是由于磨细的玻璃粉中含有大量的硅和钙,具有火山灰特性,且在90d内都具有很好的活性指数,有效增加了混凝土或砂浆90d龄期的弹性模量、抗压强度和劈裂抗拉强度。
2.1.2 耐久性
目前,国内外对废CRT玻璃混凝土和砂浆的耐久性主要集中在二方面:一是干缩率,二是ASR碱骨料反应。 CRT废玻璃含水率较小,能有效改善混凝土和砂浆的干缩率[7,11], 干缩率随着CRT玻璃掺量的增加而减小,在100%取代的情况,CRT玻璃混凝土和砂浆的干缩率比普通砂浆和混凝土小30%。干缩率还与CRT玻璃的粒径有关,由于粒径小的玻璃含水率高于粒径大的玻璃,因此,干缩率与CRT玻璃细骨料的粒径成反比。
玻璃骨料混凝土碱-硅酸反应(ASR)一直是耐久性方面的难题。 通常,普通混凝土ASR反应中的碱来自水泥,与骨料中的活性Si O2反应生成碱硅酸凝胶,反应生成物吸水膨胀导致混凝土破坏。 而玻璃混凝土ASR反应的碱和活性Si O2大部分来自骨料,但也大致适用于ASR理论。 目前,研究者们主要通过三种方法控制ASR的膨胀破坏。
(1)控制玻璃粒径。 一般粒径在600μm以下时,碱骨料反应的膨胀值能够得到很好控制。 文献[10]将CRT废玻璃磨成小于5μm (FA)、2.36μm(FB)、1.18μm(FC)、600μm(FD)4 种不同粒径,100% 代替细骨料掺入砂浆中进行试验发现,ASR膨胀值随粒径的减小而减小(图1),当粒径小于600μm时,膨胀值满足规范要求,与普通玻璃砂浆性能一样。 目前学者普遍认为,玻璃的安全粒径在300μm以下。
(2) 使用矿物掺合料。 文献[9] 在不同掺量的CRT玻璃砂浆中分别加入25%的粉煤灰、 磨细矿渣,证实粉煤灰具有比磨细矿渣更好抑制ASR的膨胀效果。 当CRT玻璃掺量不超过60%时,粉煤灰系列砂浆的28d膨胀值符合美国标准(ASTM C1206)要求。 在重混凝土中[19],当CRT废玻璃细骨料的掺量为75%时,25%的粉煤灰能够有效抑制碱骨料反应,且力学性能符合要求。 矿物掺合料抑制碱骨料反应方面,一直认为效果最好的是偏高岭土,但目前还没有偏高岭土对CRT废玻璃混凝土碱骨料反应的相关研究。 由于玻璃具有火山灰特性,文献[13]将磨细的玻璃粉作为碱骨料抑制剂加入到玻璃骨料混凝土,结果显示,当粒径小于120μm的玻璃粉掺量达到20%~30%时, 对ASR的抑制效果要比掺入10%硅灰好。
(3)含锂的碱、 盐, 如Li2CO3、Li OH等对玻璃混凝土的碱骨料反应具有很好的抑制作用, 文献[14]通过试验得到Li2CO3作为化学外加剂对玻璃混凝土碱骨料的膨胀抑制效果要好于粉煤灰,2%Li2CO3的抑制效果与20%的粉煤灰相当。 但目前将含锂物作为外加剂加入CRT废玻璃混凝土和砂浆中对碱骨料反应的抑制效果还没有相关研究。
2.2 铅的浸出值
废弃CRT玻璃中含有铅, 处理不当会污染土壤和水体。 将磨细的CRT废玻璃作为骨料掺入混凝土中,必须考虑铅的浸出。 CRT废玻璃砂浆的金属铅浸出值通常采用美国环境保护署毒性特性浸出方法(TCLP EPA Method 1311),且需要满足美国环境保护署毒性特性浸出规定要求(<5.0mg/L)。
CRT废玻璃混凝土金属铅的浸出值随CRT废玻璃含量的增加而增加[11],随粒径的增大而减小[10]。这是由于掺入的CRT废玻璃表面积越大,铅的浸出就越多。 学者们一般通过将磨细的CRT废玻璃在稀硝酸中浸泡后掺入混凝土中,能够很好控制铅的浸出,但废液会产生二次污染。 粉煤灰等矿物掺合料能有效的抑制铅的析出,这是由于粉煤灰等水化产物的p H值为11~12, 这个条件下金属铅的浸出能够得到很好抑制[15],再加上硅酸铅、火山灰反应产物的形成也有效抑制了金属铅的浸出[16]。
为了减少CRT废玻璃的铅的浸出,文献[17]将CRT废玻璃骨料应用于聚合物混凝土,这种新型混凝土CBC(CRT-biopolymer-concrete)能减少铅的浸出。 这是由于有机材料与无机材料产生了化学联动反应,抑制了铅的浸出。文献[18]研究了CRT废玻璃混凝土金属铅浸出值的影响因素, 发现p H值对铅的浸出有决定性作用,p H值在7~12 范围内时,铅的浸出最小,而有机物虽能减少铅的浸出,但效果不是很明显。
2.3 防辐射性能
防辐射混凝土由于密度大和含较多结晶水及轻元素,使其对 γ 射线和中子射线具有良好的屏蔽效果。 文献[19]通过试验验证发现其对X射线的屏蔽效果随着CRT玻璃掺量的增加而增强。 在完全取代普通砂的情况下[8], 其屏蔽效果为普通砂浆和普通废玻璃砂浆的两倍,但小于重晶石砂浆的屏蔽能力。 这是由于CRT废玻璃的表观密度约为3000kg/m3,高于普通废玻璃和混凝土,再加上含较高的Pb、Ba等重金属,使其具有较好的屏蔽能力。
2.4 废CRT玻璃在其它混凝土中的应用展望
2.4.1 CRT废玻璃自密实混凝土
CRT玻璃与普通玻璃都能有效改善混凝土的工作性能,增加流动性。 文献[20]将普通玻璃磨碎代替砂(取代率为10%、20%、30%),同时取代粒径为5~10mm的花岗岩(取代率为5%、10%、15%),并掺入25%的粉煤灰抑制碱骨料反应。 试验表明,当废玻璃掺量占骨料的45%时,废玻璃自密实混凝土的流动性满足规范要求,其抗压和抗拉强度,弹性模量与普通自密实混凝土相比减少5%, 并且粉煤灰有效抑制了玻璃的碱骨料反应,说明废玻璃应用到自密实混凝土中是可行的。 文献[21]通过将废玻璃作为细骨料代替10%、20%、30%、40%、50%的砂掺入自密实混凝土中,其试验结果与文献[20]相似。
文献[22]在上述基础上将CRT废玻璃作为细骨料掺入自密实砂浆中,发现其仍具有较好的工作和力学性能。 由于CRT废玻璃具有一定的防辐射性能,可以推测CRT废玻璃磨细代替骨料,能够增加自密实混凝土的防辐射性能。。
2.4.2 CRT废玻璃聚合物混凝土
文献[17]为减少CRT废玻璃的铅的浸出,将小于10mm的CRT废玻璃骨料应用于聚合物混凝土,这种新型混凝土CBC(CRT-biopolymer-concrete)不仅具有一定的抗压强度, 而且能够减少铅的浸出。文献[23]将环氧树脂和CRT废玻璃作为集料,分别加入粉煤灰和偏高岭土作为矿物掺料,对其性能进行比较分析,发现其具有良好的力学性能和耐化学腐蚀性能,CRT废玻璃的掺入, 还能在一定程度上降低工程造价。
3 存在的问题与发展趋势
(1)废CRT玻璃主要是作为细骨料应用于防辐射混凝土中, 或者作为5~10mm的骨料掺入聚合物混凝土中。 将磨细废CRT玻璃作为粗骨料掺入重混凝土中对其力学性能、防辐射性能和金属铅浸出值的大小还有待研究。 由于玻璃的火山灰活性,将磨细废玻璃粉作为矿物掺合料掺入混凝土中已有研究并取得一定成果,但把废CRT玻璃粉作为矿物掺合料的研究还基本处于空白阶段。
(2)ASR反应一直是影响玻璃混凝土推广应用的重要问题。 玻璃骨料的ASR反应与普通混凝土有不同之处,其产物中的碱金属大部分来自玻璃骨料而非水泥。 对于抑制CRT废玻璃混凝土的碱骨料反应,可借鉴玻璃混凝土在这方面取得的成果,从锂化合物、矿物掺合料等方面进行试验研究。
(3)CRT废玻璃颗粒是一种活性材料, 也是一种火山灰材料,掺入混凝土中同时发生碱骨料反应和火山灰反应,这两种反应作用效果截然相反。 文献[24]等借助扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱分析法(EDS)等手段分析普通玻璃混凝土发现,玻璃骨料内部裂隙之间发生的是碱骨料反应,而在玻璃骨料与浆体之间的过渡区域中发生的则是火山灰反应,两者同时并存。 CRT废玻璃混凝土研究中可将二者联合,从细观角度分析其作用机理。
(4)铅浸出值大小是CRT废玻璃混凝土必须要考虑的问题。 粉煤灰和磨细矿渣可减少铅的析出,其他矿物掺合料对CRT废玻璃混凝土铅浸出值的影响还有待研究。 如何找到一种矿物掺合料使其即能有效减少碱骨料反应,又能很好控制铅的浸出是以后CRT废玻璃混凝土研究需要考虑的问题。