CN114538846A - 一种低碱硅反应的玻璃水泥砂浆、混凝土及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低碱硅反应的玻璃水泥砂浆、混凝土及制备方法。包括经过表面预处理的玻璃细骨料；所述的表面预处理为：使用饱和Ca(OH)2溶液对玻璃颗粒进行浸泡。本发明能将玻璃细骨料的替代率提升至100％，且化学试剂简单，有利于实现规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别是一种低碱硅反应的玻璃水泥砂浆、混凝土及制备方法。
背景技术
玻璃是最常见的生活和工业垃圾之一，在城市固体废弃垃圾中占7％左右。截至2018年底，我国年均废玻璃产量为1880万吨，其中近900万吨的废弃玻璃尚未被回收利用。这不仅造成了大量的资源浪费，而且增加了环境负荷。另一方面我国天然砂石资源由于多年来的开采及国家对环境保护意识的加强，可开采范围及数量日趋减少。但建筑砂石作为建筑基础材料之一，其用量一直在增长，天然砂石的开采面临着资源减少和环境保护的双重压力，急需寻找新的资源来代替天然砂石。实践表明，由于废玻璃具有高硬度和优越的物理性能，可以用来取代部分骨料制作玻璃混凝土，弥补天然砂石之不足，同时实现了废玻璃的回收利用，对于降低能耗，节约原料和防止环境污染都将起到巨大的推动作用，具有显著的经济、社会和环境效益。
但是由于废弃玻璃中含有大量的活性SiO2，在混凝土内部高碱性环境下易与水泥中的碱(KOH，NaOH)发生碱硅反应(Alkali-Silica Reaction,ASR)，生成具有吸湿性的碱硅凝胶，导致固相体积的增加，且吸水膨胀应力的产生易引起混凝土开裂甚至破坏。因此，为保证混凝土性能，玻璃骨料的替代率一般需控制在30～50％范围内，这就限制了玻璃骨料在混凝土中的利用，阻碍了玻璃混凝土的推广与应用。基于此，采用有效措施来抑制玻璃混凝土的碱硅反应，实现废弃玻璃在混凝土中的高效回收利用，具有重要的现实意义。
专利CN109534745B公开了一种低碱硅酸反应膨胀的高掺量废弃粉碎玻璃自密实混凝土制备方法，依次使用强氧化剂、强碱、次氯酸钠、脱水剂等化学试剂对天然甲壳素高聚物进行改性处理，合成出聚乳酸碱硅酸反应抑制剂,通过浸泡使玻璃细骨料表面覆盖一层聚乳酸膜，减缓了玻璃中活性SiO2的溶出速度，进而降低了玻璃细骨料的碱硅反应，使玻璃细骨料替代率达到了50～70％，所制备的高掺量废弃粉碎玻璃自密实混凝土也具有比传统自密实混凝土更好的坍落流动度和力学性能。但该方法化学试剂使用较多，流程繁琐，且对混凝土其余性能存在潜在影响，难以实现规模化生产。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种低碱硅反应的玻璃水泥砂浆、混凝土及制备方法。本发明能将玻璃细骨料的替代率提升至100％，且化学试剂简单，有利于实现规模化生产。
本发明的技术方案：一种低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，包括经过表面预处理的玻璃细骨料；所述的表面预处理为：使用饱和Ca(OH)2溶液对玻璃颗粒进行浸泡。
前述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆中，所述的玻璃颗粒的粒径为1.18～4.75mm。
前述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆中，所述的饱和Ca(OH)2溶液的温度为60～80℃，表面预处理时间为1～14d。
前述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆中，玻璃水泥砂浆在使用过程中，进行低湿除水。
前述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆中，低湿除水的过程如下：在相对湿度为10～50％的低湿度环境中放置1～12h以去除10～50％的水分。
前述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆中，玻璃水泥砂浆在使用过程中，进行碳化养护。
前述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆中，所述的碳化养护为：在温度20～30℃、相对湿度60～75％密闭空间内，通入浓度为20～100％的CO2；碳化养护时间为1～72h，较优地，养护时间为1.5-72h。
前述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，按重量份计，包括：硅酸盐水泥300～350份、玻璃细骨料600～800份、水120～180份、减水剂0～6份。
一种玻璃混凝土，包括前述的玻璃水泥砂浆和1100～1300重量份粗骨料。
前述的玻璃混凝土的制备方法：将原料拌和成型后进行低湿除水；低湿除水后先进行碳化养护，再进行标准养护，即得。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过浸泡饱和Ca(OH)2溶液预处理玻璃细骨料，辅以碳化养护技术，有效降低了玻璃细骨料的碱硅反应，能将玻璃细骨料替代率提至100％，且整个方案使用的化学试剂种类简单，工艺流程简洁，有利于实现规模化生产，减少了废弃玻璃带来的资源浪费以及环境污染问题，具有明显的经济效益和环保价值。具体地，本发明取得了如下有益效果：
(1)本发明所选用的细骨料为废弃玻璃，通过玻璃骨料表面预处理技术和碳化养护技术的协同作用降低玻璃骨料的碱硅反应，能提高玻璃细骨料利用率至100％，避免了因传统填埋处理所产生的资源浪费和环境污染问题，且大幅降低混凝土成本。
(2)本发明所选用的废弃玻璃使用饱和Ca(OH)2溶液进行表面预处理，促使SiO2与碱性物质反应，预先在骨料表面生成一层致密的C-S-H凝胶保护层，通过阻碍骨料中活性SiO2溶出及碱性离子进入有效抑制了玻璃骨料的碱硅反应，同时加大了玻璃骨料与水泥基体之间的黏结力，增强了混凝土的力学性能。
(3)本发明所选用的碳化养护技术通过利用CO2与水化产物之间的反应，降低了混凝土内部碱性离子的浓度，与凝胶保护层配合，使其难以接触玻璃骨料中活性SiO2，同时碳化产物碳酸钙填充孔隙，阻碍了外部碱和水分的渗入，有效降低了混凝土中碱硅反应的发生和破坏，极大增强了废弃玻璃混凝土的耐久性能和体积稳定性，进一步扩大了废弃玻璃的使用范围。
(4)本发明采用的碳化养护技术，可吸收5-30wt.％的CO2，实现CO2在建筑材料领域的资源化利用，有助于降低建筑材料全寿命周期的碳排放，具有显著的环保价值和应用前景。
为了证明本发明的有益效果，发明人进行了表面预处理及碳化养护的试验验证，并按照ASTM-C1260-14《Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity ofAggregates(Mortar-Bar Method)》对玻璃水泥砂浆进行碱骨料反应膨胀测试。制备的废弃玻璃水泥砂浆试件(样品)尺寸为25mm×25mm×285mm，验证步骤如下：
(1)将回收的玻璃用自来水清洗，烘干，破碎得到粒径为1.18-4.75mm的玻璃细骨料；
(2)将玻璃细骨料浸泡在80℃饱和Ca(OH)2溶液中预处理14d；
(3)分别将两种(经表面预处理和未经表面预处理)675重量份的玻璃细骨料与300重量份的水泥(普通硅酸盐水泥)放入搅拌机，干混1min，再分别加入141重量份的水继续搅拌2min得到两种玻璃水泥砂浆。
(4)将得到的水泥砂浆分两层放入模具中，用振动台均匀振动1min；
(5)用塑料膜覆盖玻璃水泥砂浆，在室内环境下养护22h后脱模；
(6)将脱模样品放置在湿度为20～30％的环境中预处理(低湿除水)2h；
(7)将低湿除水后的样品分成两部分，一部分进行碳化养护，一部分进行标准养护。
所述步骤(7)中碳化养护条件为：CO2浓度20％，温度20℃,相对湿度65％；养护龄期为1h、1.5h、3h、24h和72h。
所述步骤(7)中标准养护条件为：温度20℃、相对湿度95％；养护龄期为3h、24h和72h。
若膨胀率大于0.10％，则认为碱骨料反应产生潜在有害膨胀，而膨胀率小于0.10％则认为碱骨料反应膨胀是无害的。上述玻璃骨料水泥砂浆制得的样品碱骨料反应膨胀率结果见表1。未经表面预处理玻璃细骨料在标准养护情况下的水泥砂浆膨胀率远超过0.10％，3h的膨胀率已经达到0.27％，存在显著的碱骨料反应破坏风险。对比发现玻璃细骨料表面预处理技术通过在骨料表面预先形成C-S-H凝胶(如图1和图2)起到一定的抑制碱骨料反应膨胀的效果，但膨胀率仍大于0.1％；配合碳化养护技术，发现碳化养护1h的水泥砂浆膨胀率有极大的降低，3h-72h甚至有轻微的收缩，证明玻璃骨料表面预处理技术和碳化养护技术复合应用可以达到最优的抑制玻璃骨料碱骨料反应的效果。
表1.碱骨料反应膨胀率
上述膨胀率低的原理为：
通过预先将玻璃细骨料浸泡在60～80℃的饱和Ca(OH)2溶液中，使其在玻璃细骨料表面生成一层致密的C-S-H凝胶，起到骨料保护层的作用，减缓了玻璃骨料中活性SiO2与水泥中的碱性离子接触，降低碱硅反应的发生。玻璃混凝土在碳化养护过程中CO2气体与水化产物发生化学反应，Ca(OH)2被消耗以及碳化脱钙的C-S-H吸附作用导致孔溶液中碱性离子Ca+,Na+,K+浓度降低，在预处理的玻璃骨料表面存在凝胶保护层的情况下，Ca+,Na+,K+难以进入凝胶层与骨料接触并反应，碱硅反应因此受到抑制；此外碳化产物CaCO3的填充作用使样品结构致密，孔隙率降低，阻碍外部环境中Na+,K+等离子和水分进入样品内部，及其向活性骨料表面扩散及接触，进一步降低玻璃骨料的碱硅反应，使得所制备的废弃玻璃样品表现出较低的碱硅反应膨胀。
此外，发明人还对玻璃骨料水泥砂浆制备的混凝土的性能进行了验证，验证过程如下：
按重量计，将1150份粗骨料、630份玻璃细骨料、300份水泥和120份水混合制成混凝土试件，混凝土试件尺寸为150mm×150mm×150mm；制备过程为：将经进行过上述步骤(2)表面预处理的玻璃细骨料与普通硅酸盐水泥、粗骨料先干混1min，再加入水(酌情加入减水剂)继续拌和2min；将拌和的浆料倒入模具、振捣、养护、脱模制得样坯，将样坯按上述步骤(6)进行低湿除水；之后再将样坯转入密闭碳化养护室中先进行碳化养护24h，再标准养护至28天，制得混凝土试件。
按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对混凝土试件的抗压性能进行测试，并以采用标准砂和标准养护的样品作为对照组。
根据实验结果，标准养护的标准砂混凝土28天抗压强度为30MPa，本发明的混凝土试件28天抗压强度为36MPa，强度提升120％。该结果表明：本发明除抑制玻璃骨料碱骨料反应外，还可以有效提高玻璃混凝土的力学性能，扩大玻璃混凝土的使用范围。
附图说明
图1是饱和Ca(OH)2溶液中预处理14d的玻璃骨料表面凝胶扫描电镜图；
图2是图1中各元素分布总谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种低碱硅反应的废弃玻璃混凝土，按重量份计，包括有以下组分：普通硅酸盐水泥300～350份，粗骨料1100～1300份、玻璃细骨料600～800份，水120～180份、减水剂0～6份；
所述粗骨料为天然碎石，其粒径为5-25mm。
所述减水剂为聚羧酸系减水剂。
上述低碱硅反应的废弃玻璃混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将废弃玻璃用自来水清洗、烘干、破碎，得到玻璃细骨料；
步骤(2)：将玻璃细骨料浸泡在饱和Ca(OH)2溶液中进行表面预处理；
步骤(3)：将预处理后的玻璃细骨料与普通硅酸盐水泥、粗骨料、水、减水剂按比例拌和，制备废弃玻璃混凝土；
步骤(4)：将废弃玻璃混凝土置于低湿度环境中进行低湿除水预处理；
步骤(5)：将预处理后的废弃玻璃混凝土转入密闭碳化养护室中先进行碳化养护，后经标准养护得到低碱硅反应的废弃玻璃混凝土。
步骤(1)所述玻璃细骨料粒径为1.18-4.75mm。
步骤(2)所述饱和Ca(OH)2溶液温度为60-80℃，玻璃细骨料预处理时间为1-14d。
步骤(3)所述拌和方式为将玻璃细骨料与普通硅酸盐水泥、粗骨料先干混1min，再加入水和减水剂，继续拌和2min。
步骤(3)所述废弃玻璃混凝土依次经过拌和、倒入模具、振捣、养护、脱模得到。
步骤(4)所述废弃玻璃混凝土预处理方式为将混凝土置于相对湿度为10-50％的低湿度环境中去除10-50％的水分以方便CO2进入，预处理时间为1-12h。
步骤(5)所述密闭碳化养护室条件为温度20-30℃，相对湿度60-75％，CO2浓度20-100％，碳化养护时间为1-72h(较优地，养护时间为1.5-72h)。
步骤(5)所述标准养护为将混凝土置于温度20±5℃，相对湿度大于或等于95％的标准养护室中养护到标准龄期。
实施例2。一种低碱硅反应的玻璃混凝土，包括材料如下：
按重量计，1100份粗骨料、720份玻璃细骨料、300份水泥和120份水。
本实施例玻璃混凝土的制备方法同上述混凝土验证过程的制备方法。
采用砂浆棒快速法对拌合后的混凝土进行测试，14d膨胀率为0.028％。根据力学性能测试结果，混凝土试件28天抗压强度为38MPa。
实施例3。混凝土材料按重量计取1102份粗骨料、603份玻璃细骨料、300份水泥和150份水。
本实施例混凝土的制备方法同实施例2的制备方法。
采用砂浆棒快速法对拌合后的混凝土进行测试，14d膨胀率为0.012％。根据力学性能测试结果，混凝土试件28天抗压强度为28MPa。
实施例4。除玻璃细骨料在饱和Ca(OH)2溶液中表面预处理的时间为7d外，本实施例混凝土的材料配比和其余制备方法同实施例2的制备方法。
采用砂浆棒快速法对拌合后的混凝土进行测试，14d膨胀率为0.017％。根据力学性能测试结果，混凝土试件28天抗压强度为35MPa。
以上所述仅为本发明的具体实施例的部分内容，并不以此限制本发明，凡在本发明的设计思路上所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，其特征在于：包括经过表面预处理的玻璃细骨料；所述的表面预处理为：使用饱和Ca(OH)2溶液对玻璃颗粒进行浸泡。
2.根据权利要求1所述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，其特征在于：所述的玻璃颗粒的粒径为1.18～4.75mm。
3.根据权利要求1所述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，其特征在于：所述的饱和Ca(OH)2溶液的温度为60～80℃，表面预处理时间为1～14d。
4.根据权利要求1所述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，其特征在于，玻璃水泥砂浆在使用过程中，进行低湿除水。
5.根据权利要求4所述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，其特征在于，低湿除水的过程如下：在相对湿度为10～50％的低湿度环境中放置去除10～50％的水分。
6.根据权利要求1所述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，其特征在于，玻璃水泥砂浆在使用过程中，进行碳化养护。
7.根据权利要求6所述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，其特征在于：所述的碳化养护为：在温度20～30℃、相对湿度60～75％密闭空间内，通入浓度为20～100％的CO2；碳化养护时间为1～72h。
8.根据权利要求1－7任一项所述的低碱硅反应的玻璃水泥砂浆，其特征在于，按重量份计，包括：硅酸盐水泥300～350份、玻璃细骨料600～800份、水120～180份、减水剂0～6份。
9.一种玻璃混凝土，其特征在于，包括权利要求8所述的玻璃水泥砂浆和1100～1300重量份粗骨料。
10.一种如权利要求9所述的玻璃混凝土的制备方法，其特征在于，将原料拌和成型后进行低湿除水；低湿除水后先进行碳化养护，再进行标准养护，即得。
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