废玻璃掺入方法对水泥基胶凝材料物理、力学和微观结构性能的影响

《Materials》：Effect of Waste Glass Incorporation Methods on the Physical, Mechanical and Microstructural Properties of Cementitious Binders Jurgita Malai?kien?, Karolina Beker? and Jelena ?kamat

　　

在以往的研究中，研究人员发现，用来自各种电子和家用设备的分散玻璃（dispersed glass）替代水泥是具有挑战性的，因为混合物中会形成团聚体（agglomerates）。因此，本研究通过应用不同的废玻璃掺入方法来解决这一问题：在常规的霍巴特型搅拌机（Hobart-type mixer）中混合、在强力的艾里希型搅拌机（Eirich-type mixer）中干混干组分，以及利用超声处理（ultrasonic treatment）将玻璃颗粒分散在水中。采用这3种废玻璃掺入方法，研究人员比较了硬化水泥浆体（hardened cement paste）的密度（density）、抗压强度（compressive strength）、相组成（phase composition）和微观结构（microstructure）。研究人员分析了来自电视屏幕、洗衣机、荧光灯和太阳能板的4种玻璃的影响。结果表明，用超声波将荧光灯玻璃分散在水中表现出最佳性能，而对于其他玻璃类型，强力混合更为有效。在这些条件下，样品的抗压强度提高了约24%，并且与其他玻璃掺入方法相比，获得了更致密的微观结构。

**论文解读：废玻璃掺入方法对水泥基胶凝材料性能的影响**

**研究背景与问题**

工业生产和工艺加速发展导致人类产生大量难以分解的废弃物，其中废玻璃因其耐腐蚀、不易降解等特性，在垃圾填埋场中可存在数百年。不同来源的废玻璃（如电视屏、洗衣机、荧光灯、太阳能板）化学成分差异显著，且常含有有害重金属（如铅），回收再利用面临挑战。同时，水泥工业因高温煅烧（最高1450°C）和大量使用CaCO₃而成为CO₂排放最高的行业之一。将废玻璃磨细后部分替代水泥成为可持续建材的研究热点：含有超过60% SiO₂的玻璃粉可参与二次水化反应（火山灰反应），生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶。然而，既有研究表明，细玻璃颗粒在水泥基混合物中易发生团聚（agglomeration），形成多孔结构并导致微裂纹，反而降低力学性能。不同研究中混合方法与分散手段的差异（如Hobart搅拌机、Eirich强力搅拌机、超声分散等）导致结果缺乏可比性，尚未系统解析分散方法对不同类型废玻璃-水泥体系行为的影响。

**研究目的与意义**

为克服上述问题，研究人员系统考察了三种掺入方法（常规Hobart混合、Eirich强力混合、超声预分散于水）对四种废玻璃（电视屏玻璃TV、洗衣机玻璃WM、荧光灯玻璃FL、太阳能板玻璃SP）水泥基胶凝材料物理、力学及微观结构的影响。研究在统一实验条件下（水胶比0.35，30%水泥质量被替代，养护7、28、90天）进行，旨在揭示玻璃类型与掺入方法的交互作用机制。该论文发表于《Materials》期刊，为废玻璃在水泥基材料中的高效利用提供了关键技术路径，具有重要的环保与工程应用价值。

**关键技术与方法**

研究人员从立陶宛的AB Akmen?s cementas获取波特兰水泥CEM I 42.5R，从UAB Atliek? tvarkymo centras获得四种废玻璃（TV、WM、FL、SP）。主要技术方法包括：（1）玻璃粉体制备：每种玻璃在实验室球磨机中球磨2小时，平均粒径分别为7.2 μm（TV）、12.9 μm（WM）、7.0 μm（FL）、20.8 μm（SP）。（2）三种掺入方法：a. 常规混合：干料在Hobart搅拌机中混合2分钟，加水再混合3分钟；b. 强力混合：干料先在Eirich搅拌机中干混5分钟，再转移至Hobart搅拌机干混3分钟、加水混3分钟；c. 超声分散：先将150 g玻璃粉分散在175 g水中（22 kHz，1分钟），再与水泥在Hobart搅拌机中混合3分钟。（3）性能测试：测定新鲜浆体的流动扩展度；养护7、28、90天后测试密度与抗压强度（Tinius Olsen液压机）；利用X射线衍射（XRD，Cu-Kα，λ=0.1541837 nm）分析相组成；利用扫描电子显微镜（SEM，Thermo Fisher Scientific Quattro S）观察微观结构。

**研究结果**

**3.1 不同混合方法与废玻璃类型对浆体工作性的影响**

研究人员通过扩展度测试发现，混合方法对浆体工作性影响显著。TV玻璃经超声分散后扩展度最高（52 mm），接近对照组（50 mm），归因于颗粒均匀分散和团聚减少。WM和FL玻璃（粒径与TV相近）对分散方法的响应不同：强力混合未改善扩展度（WM甚至从34 mm降至32 mm），而超声分散仅带来适度提升。这与其较高的溶解度（电导率WM 6.23 mS，FL 8.21 mS）及界面溶解形成的胶凝层有关，该胶凝层增加了颗粒间摩擦力。SP玻璃（平均粒径20.8 μm，电导率2.12 mS）因颗粒较粗且形态规则，不同混合方法下扩展度差异极小。

**3.2 不同混合方法与废玻璃类型对密度和抗压强度的影响**

密度测试表明，所有含废玻璃的样品密度均低于对照组，降低幅度约0.5%–6%。TV玻璃经超声分散后密度最高（90天时仅低0.7%），WM和FL经强力混合后密度最高。抗压强度结果显示：7天时所有含玻璃样品强度均低于对照组；28天后WM经强力混合样品强度超过对照组约2.4%；90天后WM强力混合样品强度较对照组高约5.3%（93.8 MPa）。TV玻璃采用强力混合比常规混合强度高24.2%（81.5 MPa vs 65.6 MPa）。FL玻璃则因溶解度最高，超声分散效果最优。强度发展曲线分析表明，SP玻璃经强力混合或超声分散后90天强度较7天增长87%–90%，呈线性趋势；而常规混合呈指数增长且后期放缓。研究证实，分散方法改善颗粒分布促进了火山灰反应，但高碱含量（如FL玻璃中Na₂O）可能导致C-(N)-S-H等含钠凝胶形成，限制后期强度增长。

**3.3 混合方法与废玻璃类型对矿物组成和微观结构的影响**

XRD分析显示，所有混合物均存在未水化熟料矿物（alite C₃S，belite C₂S）、氢氧化钙（portlandite）及C-S-H非晶峰。含玻璃样品峰强普遍低于对照组，其中WM玻璃的portlandite峰强最低，与最高抗压强度对应（表明更多的portlandite被消耗生成C-S-H）。SP玻璃因溶解度低、portlandite峰最高。SEM分析表明，强力混合在所有玻璃类型（除FL外）中均获得更致密的基体，孔隙少、C-S-H凝胶发育；超声分散样品则常保留多孔结构，出现针状钙矾石（ettringite E）等早期水化产物。FL玻璃因高溶解度，超声分散后反而获得较致密微观结构。

**讨论与结论**

研究揭示，混合方法对废玻璃-水泥浆体流变性能的影响高度依赖玻璃类型：低溶解度的TV玻璃适合超声分散以获得最优工作性；高溶解度的WM和FL玻璃则需针对性处理，强力混合利于致密化。抗压强度和微观结构分析表明，强力混合通过减少团聚、促进均匀分布，有利于后期火山灰反应和C-S-H生成，尤其对WM和TV玻璃效果显著；而FL玻璃因高溶解性，超声分散反而最佳。XRD和SEM结果证实，混合方法显著影响水化进程与微观结构致密性。
研究人员总结认为，废玻璃的类型及其溶解度是决定最佳掺入方法的关键参数，为实际工程中废玻璃的高效利用提供了指导原则。