废玻璃基铺路砖性能的统计建模与优化：响应面法驱动的可持续建筑材料开发

本研究针对玻璃废弃物带来的环境压力，创新性地利用响应面法（RSM）优化废玻璃替代传统骨料的铺路砖制备工艺。研究结果表明，废玻璃掺量在30%时，28天抗压强度提升44.93%，吸水率降低4.2%，并通过RSM建立了高精度预测模型（R2均高于0.92）。该工作为废玻璃资源化利用提供了数据支撑和理论依据，对推动绿色建筑材料发展和实现可持续发展目标具有重要意义。

　　

随着全球城市化进程加速，建筑行业对天然骨料的需求急剧上升，导致自然资源过度开采和环境退化问题日益严重。传统混凝土铺路砖的生产不仅消耗大量砂石资源，其水泥生产过程还具有高能耗、高碳排放的特点。与此同时，城市消费产生的废玻璃数量巨大，却因分拣困难、颜色混杂等问题难以有效回收，大多被填埋处理，造成严重的环境负担。尽管玻璃本身可完全回收，但现实中的回收率仍较低，亟需开发创新性的回收利用技术。

在这一背景下，将废玻璃作为建筑材料的替代原料已成为研究热点。废玻璃主要成分为二氧化硅(SiO₂)，经精细研磨后表现出火山灰特性，能够提升复合材料的强度和耐久性。铺路砖作为广泛应用于人行道、停车场和景观设计的建筑材料，成为废玻璃资源化利用的理想载体。然而，废玻璃的掺入比例、颗粒尺寸和化学组成等因素都会影响其性能，特别是过量使用可能导致碱硅反应(ASR)，影响长期耐久性。因此，需要通过系统的实验研究和数据驱动的方法来评估和优化废玻璃铺路砖的性能。

在这项发表于《Next Materials》的研究中，来自印度Rajkiya工程学院的Baljeet Yadav、Saket Rusia等研究人员采用响应面法(Response Surface Methodology, RSM)对废玻璃基铺路砖的性能进行了统计建模和优化分析。研究团队通过实验设计，系统评估了废玻璃掺量(0%-100%替代细骨料)、养护条件等关键因素对铺路砖力学性能和耐久性的影响，并建立了高精度的预测模型。

研究人员采用的主要技术方法包括：使用当地回收的废玻璃制备玻璃骨料(WGA)，按照IS:383-2016标准进行级配设计；通过中央复合设计(Central Composite Design, CCD)安排实验方案；测定抗压强度、吸水率(依据ASTM C642)和超声脉冲速度(UPV)等关键性能指标；利用Design-Expert软件进行数据分析和模型构建；并通过方差分析(ANOVA)验证模型的显著性。

材料特性分析

研究使用了43级普通波特兰水泥(OPC)，其物理性能符合IS:8112-2013标准。细骨料采用天然河砂，粗骨料为最大粒径20mm的破碎角状骨料。废玻璃骨料(WGA)的细度模数为3.57，比重为2.45，吸水率为0.35%，颗粒尺寸分布与天然砂相似但质地更粗。

吸水性能研究

结果表明，废玻璃掺量对铺路砖的吸水率有显著影响。当掺量在25%以下时，吸水率明显低于对照组(0%掺量)，其中15%-25%掺量区间表现最佳，说明在此范围内材料结构更致密、孔隙更少。然而当掺量超过30%后，吸水率急剧上升，特别是在50%、75%和100%掺量时最为明显，表明材料结构劣化、孔隙增多。这种趋势在7天和28天养护期均保持一致，但28天样本的吸水率普遍较低，体现了持续水化作用的积极影响。

抗压强度测试

抗压强度随玻璃掺量的变化呈现先升后降的趋势。5%玻璃掺量时强度变化不大；10%掺量开始出现强度下降；15%掺量时强度明显受影响；20%掺量进一步降低强度；25%掺量时强度急剧下降；超过30%掺量后强度显著劣化。研究发现，适量废玻璃(10%-30%)的掺入可通过细颗粒的填充效应和硅质成分与水泥水化产物的反应增强CSH凝胶形成，从而提高抗压强度。但过量掺入(超过40%)会导致基质粘结性下降、脆性增加，限制其结构应用。

超声脉冲速度(UPV)分析

UPV测试揭示了材料内部密实度和结合状况的变化规律。废玻璃掺量在10%-15%时，UPV值达到或超过4.8km/s，表明材料质量"优良"。当掺量超过25%后，UPV值逐渐下降，表明内部孔隙和微裂纹增多。28天养护的样本UPV值普遍高于7天样本，证明强度随养护时间持续发展。

RSM建模与优化

通过响应面法建立了三个关键性能指标的预测模型：吸水率模型(R2=0.9513)、抗压强度模型(R2=0.9294)和UPV模型(R2=0.9766)。方差分析显示所有模型均显著(p<0.0001)，表明模型能有效解释响应变量的变化。研究还通过等高线图和3D表面图直观展示了废玻璃掺量与养护时间等因素的交互作用，为优化设计提供了可视化工具。

模型验证与性能分析

通过比较实际值与预测值，验证了RSM模型的准确性。统计性能指标显示：吸水率模型的均方根误差(RMSE)较低，抗压强度模型的预测R2为0.8786，UPV模型的精度值达到36.7173，均表明模型具有优秀的预测能力和可靠性。

研究结论表明，废玻璃作为细骨料替代材料在铺路砖中的应用具有技术可行性和环境效益。通过RSM优化确定的最佳掺量范围为20%-40%，在此范围内铺路砖表现出良好的力学性能和耐久性。适量废玻璃(10%-30%)的掺入可通过填充效应和火山灰反应改善微观结构，提高抗压强度和耐久性；但过量使用(超过40%)会导致性能下降。

这项研究的意义在于为废玻璃的资源化利用提供了科学依据和技术支撑，推动了建筑行业向可持续发展方向转型。通过统计建模和优化方法，研究人员不仅减少了试错成本，还加速了高性能环保产品的开发进程。该工作符合循环经济理念，为城市废弃物重新融入价值链提供了成功案例，对降低建筑材料隐含能耗和碳足迹具有重要意义。

未来的研究方向包括：与其他废弃材料(如粉煤灰、矿渣)复合使用以产生协同效应；开展真实环境条件下的长期耐久性评估；利用SEM、XRD和FTIR等微观分析手段研究反应机理和结合特性；以及进行全生命周期评估(LCA)量化环境效益。这些工作将进一步推动废玻璃在建筑材料中的广泛应用。