再生玻璃粉增强聚丙烯泡沫混凝土的制备及性能研究

Study on Preparation and Properties of Recycled Glass Powder Reinforced Polypropylene Foam Concrete

摘要

研究旨在深入探究再生玻璃粉掺量对泡沫混凝土复合材料性能的影响，重点分析其对聚丙烯泡沫混凝土力学性能、耐久性及热学性能的提升效果，尤其是其在增强材料抗裂性、抗冻性和保温性能方面的作用。采用不同质量分数（0、10%、15%、20%、25%）的再生玻璃粉替代水泥，设计聚丙烯泡沫混凝土样品并测试其抗压强度、抗拉强度、抗冻融性能、孔隙结构和热导率等性能指标。结果表明：在10%~15%质量分数范围内，随着再生玻璃粉掺量的增加，聚丙烯泡沫混凝土的抗压强度和抗冻融性能得到显著提升。再生玻璃粉质量分数为15%时，泡沫混凝土的抗压强度达到9.3 MPa，抗冻融循环后的强度保留率为90%，质量损失率降至8%。再生玻璃粉的加入有效提高了聚丙烯泡沫混凝土的抗裂性和抗拉强度，并改善了材料的韧性。然而，当其质量分数超过15%时，聚丙烯泡沫混凝土的力学性能和耐久性出现下降趋势。在聚丙烯泡沫混凝土中使用再生玻璃粉替代水泥的最佳质量分数为10%~15%，能够显著改善力学性能和耐久性。研究结果为废玻璃资源化利用和泡沫混凝土性能优化提供新的思路和方向。

Abstract

The study aims to thoroughly investigate the impact of recycled glass powder content on the properties of foamed concrete composite materials, with a particular focus on the enhancement of mechanical properties, durability, and thermal properties of polypropylene foamed concrete, especially in terms of improving crack resistance, freeze-thaw resistance, and thermal insulation performance. The research involved designing polypropylene foamed concrete samples with different mass fractions of recycled glass powder (0, 10%, 15%, 20% and 25%) as a replacement for cement, and testing their compressive strength, tensile strength, freeze-thaw resistance, pore structure, and thermal conductivity. The results indicate that within the mass fraction range of 10% to 15%, the compressive strength and freeze-thaw resistance of polypropylene foamed concrete significantly improve with the increase in recycled glass powder content. When the mass fraction of recycled glass powder is 15%, the compressive strength of the foamed concrete reaches 9.3 MPa, with a strength retention rate of 90% after freeze-thaw cycles and a mass loss rate reduced to 8%. The addition of recycled glass powder effectively enhances the crack resistance and tensile strength of polypropylene foamed concrete, and improves the material's toughness. However, when the mass fraction exceeds 15%, the mechanical properties and durability of polypropylene foamed concrete tend to decline. The optimal mass fraction range for using recycled glass powder as a cement replacement in polypropylene foamed concrete is 10% to 15%, which can significantly improve mechanical properties and durability. The findings provide new insights and directions for the utilization of waste glass and the optimization of foamed concrete properties.

Graphical abstract

关键词

再生玻璃粉 / 聚丙烯泡沫混凝土 / 力学性能 / 耐久性能

Key words

Recycled glass powder / Polypropylene foam concrete / Mechanical properties / Durability performance

随着全球建筑业的飞速发展，混凝土的需求量急剧上升。然而，混凝土生产过程中水泥的大量使用不仅消耗大量自然资源，还会排放大量的CO₂^[1-2]。据统计，水泥生产的CO₂排放量约占全球人为CO₂排放总量的8%^[3]，这对环境造成巨大压力。因此，在减少水泥用量的前提下提升混凝土的性能成为建筑材料领域亟待解决的课题之一。

泡沫混凝土作为一种轻质、高保温隔热性的建筑材料，在非承重结构和保温隔热应用中表现出色，近年来备受关注^[4-5]。然而，泡沫混凝土的孔隙率较高，力学性能和耐久性较差，在部分工程中的应用受限^[6-8]。同时，泡沫混凝土的制备仍然严重依赖传统水泥作为胶凝材料，这在一定程度上限制其环保性和可持续发展的潜力^[9]。为此，近年来，研究人员添加各种增强材料，特别是高分子材料，来改善泡沫混凝土的性能。聚丙烯纤维作为一种常见的高分子材料，因具有高强度、良好的弹性模量和耐腐蚀性^[10-11]，在泡沫混凝土中得到了广泛应用^[12-13]。聚丙烯纤维能够显著提高泡沫混凝土的抗裂性、抗拉强度和抗冻性，并且与水泥基体和其他骨料之间具有较好的界面结合力^[14-15]。研究表明，聚丙烯纤维的引入能够有效改善泡沫混凝土的韧性，减少干缩、温差变化等因素导致的裂缝，从而提升其结构稳定性和耐久性^[16-17]。

为了进一步优化泡沫混凝土的性能并减少水泥的使用量，研究人员开始利用工业废弃物来部分替代水泥。再生玻璃粉作为一种工业废弃物，因含有较高的硅酸盐成分，具有类似于火山灰材料的活性，被认为是一种优质的水泥替代品^[18-20]。利用再生玻璃粉替代部分水泥不仅有助于减少碳排放，还能够有效利用废弃玻璃，减少废物堆积，符合可持续发展理念^[21]。尽管再生玻璃粉在改善材料性能方面表现出一定的优势，但不同质量分数如何影响材料的抗压、抗折强度、吸水率、孔隙率等关键性能指标尚未得到系统的研究，尤其在高质量分数下，材料的微观结构变化、力学性能衰减及耐久性能的变化机制仍不明确。本研究旨在探讨再生玻璃粉质量分数对聚丙烯泡沫混凝土复合材料性能的影响，研究其对聚丙烯泡沫混凝土力学性能、耐久性以及热学性能等方面的提升效果。通过优化配方，以期为聚丙烯泡沫混凝土的应用提供更为优质的性能表现，并推动其在绿色建筑材料中的推广应用。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚丙烯纤维，单丝状，密度2.3 g/cm³，直径9~11 μm，熔点850 ℃，莱芜晶凯工程材料有限公司；发泡剂，K12，CAS号151-21-3，中轻化工股份有限公司；水泥，P·O 42.5，烧失量1.06%，密度3 100 kg/m³，比表面积376 m²/kg，广东清新水泥有限公司；废玻璃，收集于废品回收厂。

1.2 仪器与设备

水泥搅拌机，HX-15，沈阳建工仪器设备厂；TA热导率仪，FOX 200，北京五洲东方科技发展有限公司；万能试验机，WE-100B，浙江中科仪器有限公司；电子显微镜，PH100，凤凰光学公司；高速搅拌器，LK-2018-1，莱州泽霖化工机械厂；数控水泥养护箱，SHBY-40B，浙江辰鑫机械设备有限公司；天平，FA2004B，上海精科仪器有限公司；游标卡尺，量程0~150 mm，分度值0.02 mm，桂林量具刃具有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 再生玻璃粉的制备

首先，对从建筑废料或废弃玻璃容器等来源收集废玻璃进行清洗和除杂，以去除其表面的污染物和杂质。随后，采用破碎机将清洁后的玻璃初步破碎成小碎片，并采用球磨机或辊磨机进行细磨，直至达到所需的粒径。接着，利用筛分或气流分级技术对玻璃粉进行颗粒分级，以确保其粒径的均匀性。最后，将制备好的再生玻璃粉在干燥、密封条件下储存，以防吸潮和污染。

1.3.2 复合材料的制备

表1为聚丙烯泡沫混凝土和再生玻璃粉增强聚丙烯泡沫混凝土的配方。

根据表1配方，首先称取水泥、再生玻璃粉、细骨料等固体材料，并将其加入搅拌机中进行干拌，确保材料均匀混合。之后，加入预先称量的水、减水剂、发泡剂和泡沫稳定剂，继续搅拌至浆体均匀无结块。在搅拌过程中，加入固定量的聚丙烯纤维，并确保其在浆体中均匀分布。混合完成后，迅速将浆体倒入模具中，并轻轻振动模具以排除多余气泡，确保泡沫混凝土的密实性。随后，将模具置于温度为(20±2) ℃、湿度≥95%的标准养护条件下进行固化养护，养护周期为28 d。养护结束后，进行后续的性能测试，包括抗压强度、抗拉强度、热导率、抗冻融性等，以评估复合泡沫混凝土的各项性能。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：参照JG/T 266—2011进行测试，将养护之后的试样在烘箱中烘干至恒重后，采用万能试验机测定试样的抗压强度和抗折强度，加载速率为0.5 kN/s。抗压强度试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体；抗折强度试样尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的梁形。

导热系数测试：参照GB/T 10294—2008的方法，采用TA热导率仪，利用热流计量法进行测试，测定范围为0.1~10.0 W/(m·K)。

干燥收缩性能测试：参照吴少财^[22]的方法进行测试，试样尺寸为50 mm×50 mm×200 mm，测定龄期设定为56 d。收缩率计算公式为：

收缩率=\frac{(L_t-L_{\mathrm{0}})}{L_{\mathrm{0}}}(1)

式(1)中：L₀为初始长度，mm；L_t 为对应龄期的长度，mm。

表观密度测试：采用排水法测定试样的表观密度。

吸水率测试：参照JG/T 266—2011的方法，测定吸水率。

气孔特性的测试：将试样中间锯断，使用400目砂纸进行打磨，除去表面粉体。采用电子显微镜获取照片，放大倍数为100倍，利用imageJ软件计算孔隙率和平均孔径。

耐酸碱性能测试：采用浸泡试验进行测试，试样为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，将样品置于1 mol/L的盐酸溶液中，浸泡72 h，使用天平测量试样的初始质量和最终质量，以计算质量损失率。确保每个质量分数的实验均重复3次，以获得可靠结果。

抗渗透性能的测试：采用水渗透试验进行测试，首先将养护好的泡沫混凝土复合材料试样裁剪为标准尺寸(100 mm×100 mm×100 mm)，在干燥箱中烘干至恒重。将试样固定在渗透试验装置中，保证水从试样的一个表面渗入。试验时，对试样施加0.5 MPa的恒定水压，保持72 h。在测试周期结束后，立即取出试样，使用游标卡尺沿渗透路径测量水渗透的深度，测试3次取平均值。

抗冻融性能的测试：采用快速冻融循环试验进行测试，试样为100 mm×100 mm×100 mm的立方体。将制备好的泡沫混凝土样品置于冻融试验箱中，设定温度在-20 ℃至20 ℃之间循环。每个冻融循环为在-20 ℃环境中冷冻4 h，随后在20 ℃水中融化4 h。每25个冻融循环后，取出样品并在恒温恒湿条件下烘干至恒重，测量其质量和抗压强度变化。以抗压强度保留率和质量损失率作为评价指标，分别计算冻融循环后抗压强度相对初始抗压强度的抗压强度保留率和质量损失率。

2 结果与讨论

2.1 再生玻璃粉质量分数对聚丙烯泡沫混凝土复合材料力学性能的影响

图1为聚丙烯泡沫混凝土及其复合材料的力学性能。

从图1可以看出，随着再生玻璃粉替代水泥质量分数的增加，聚丙烯泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度表现出显著的变化。未添加再生玻璃粉时，聚丙烯泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度分别为8.5、2.0 MPa。当再生玻璃粉的质量分数为10%和15%时，复合材料的抗压强度分别增加至9.0、9.3 MPa，抗折强度分别提升至2.1、2.3 MPa，表明适量替代有助于提高强度性能。这主要是由于再生玻璃粉的颗粒较细，能够在混凝土中起到微填充作用，填补了水泥基体中的微小空隙，提高了混凝土的密实度，从而增强了材料的抗压和抗折强度^[23]。此外，再生玻璃粉虽然自身的胶凝活性较低，但具有一定的火山灰性质，能够与水泥水化产生的氢氧化钙反应，生成更多的胶凝产物水化硅酸钙(C-S-H)，进而增强了材料的强度^[24]。然而，当再生玻璃粉的质量分数达到20%和25%时，复合材料的抗压强度分别降至8.8、8.0 MPa，抗折强度分别降至2.0、1.8 MPa，表现出下降的趋势。这表明适当质量分数的再生玻璃粉能够增强材料的力学性能，但过高质量分数的再生玻璃粉会导致材料的力学性能下降。这主要是因为再生玻璃粉虽具有一定的火山灰性质，但其胶凝活性远不及水泥，当其替代水泥的质量分数较高时，其与水泥水化产生的氢氧化钙反应不充分，生成的水C-S-H数量减少，难以提供足够的胶凝产物来维持材料的强度。

2.2 再生玻璃粉质量分数对聚丙烯泡沫混凝土复合材料耐高温性能的影响

导热系数能够进一步反映和表征材料的耐高温性能。图2为聚丙烯泡沫混凝土及其复合材料的导热系数。

从图2可以看出，聚丙烯泡沫混凝土复合材料的导热系数随着再生玻璃粉质量分数的增加而逐渐降低。未添加再生玻璃粉时，聚丙烯泡沫混凝土的导热系数为0.123 3 W/(m·K)；当再生玻璃粉的质量分数增加至10%和15%时，复合材料的导热系数分别降至0.110 1、0.100 2 W/(m·K)；继续提高再生玻璃粉的质量分数至20%和25%，复合材料的导热系数降至0.090 1、0.085 6 W/(m·K)。这表明再生玻璃粉的引入增强了材料的隔热性能。这是由于玻璃粉本身是一种非晶态材料，其导热性远低于传统的水泥基材料，因此当再生玻璃粉替代部分水泥时，材料整体的导热性能会下降，进而提高泡沫混凝土的隔热效果^[25-26]。此外，再生玻璃粉与水泥基体之间存在界面过渡区，界面过渡区的存在会对热流产生一定的阻隔作用，这种界面效应能够增加材料的热阻^[27]，使复合材料的整体导热性能下降。

2.3 再生玻璃粉质量分数对聚丙烯泡沫混凝土复合材料耐久性能的影响

在长期使用过程中，材料的干燥收缩可能会导致裂缝的产生，尤其在干燥环境下，这些裂缝会进一步扩大，从而削弱材料的力学性能和耐久性。本研究通过表征干燥收缩率来反映再生玻璃粉质量分数对泡沫混凝土复合材料耐久性能的影响。图3为聚丙烯泡沫混凝土及其复合材料的干燥收缩率。

从图3可以看出，随着再生玻璃粉质量分数的增加，聚丙烯泡沫混凝土复合材料的干燥收缩率呈现逐渐下降的趋势。未添加再生玻璃粉时，聚丙烯泡沫混凝土的干燥收缩率为0.10%；而当再生玻璃粉质量分数增加至10%、15%、20%和25%时，复合材料的干燥收缩率分别降至0.091%、0.083%、0.070%和0.065%。这表明再生玻璃粉的引入有效改善了材料的尺寸稳定性，减少了材料在干燥过程中的体积收缩。这可能是因为再生玻璃粉与水泥浆体之间形成的界面过渡区较为致密，能够有效抑制水分在界面区域的迁移^[28]且在较高再生玻璃粉质量分数时表现得更加明显，降低了水分的蒸发速率，从而减少了干燥收缩引发的应力集中的可能性，进一步增强了材料的抗收缩能力，使其尺寸稳定性得到显著增强。

2.4 再生玻璃粉质量分数对聚丙烯泡沫混凝土复合材料表观密度和孔结构的影响

表2为聚丙烯泡沫混凝土及其复合材料的表观密度和孔结构。

从表2可以看出，随着再生玻璃粉质量分数的增加，聚丙烯泡沫混凝土复合材料的表观密度呈现上升趋势，而吸水率和孔隙率呈现下降趋势。再生玻璃粉的质量分数为0~25%时，材料的表观密度从1 200 kg/m³增至1 350 kg/m³，吸水率从18.23%降至17.10%，孔隙率从25.11%降至21.55%。这表明再生玻璃粉的引入显著改善了材料的孔隙结构，提高了材料的密实性。再生玻璃粉的质量分数为0~25%时，材料的密实性改善最为显著，表观密度快速增加，吸水率和孔隙率显著降低。这可能是由于再生玻璃粉在混凝土中起到了微填充作用，同时其火山灰效应与水泥水化产物(如氢氧化钙)反应生成更多的C-S-H，进一步改善了孔隙结构和界面过渡区的致密性^[29]，从而降低了吸水率和孔隙率。然而，当再生玻璃粉的质量分数达到20%及以上时，虽然材料的表观密度继续增加，但其吸水率和孔隙率的下降幅度变缓甚至趋于稳定。这可能是由于较高的再生玻璃粉质量分数时，水泥用量不足，胶凝材料减少，再生玻璃粉的火山灰效应难以显著改善材料的孔隙结构，同时会造成材料内部应力集中，从而产生微裂隙，限制其性能的进一步提升。

2.5 再生玻璃粉质量分数对聚丙烯泡沫混凝土复合材料耐酸碱性能的影响

图4为聚丙烯泡沫混凝土及其复合材料的耐酸碱性能。

从图4可以看出，随着再生玻璃粉质量分数的增加，聚丙烯泡沫混凝土复合材料的耐酸碱性能显著提升，质量损失率从15.2%逐渐降至8.0%。这表明，再生玻璃粉的添加有效改善了材料的微观结构，增强了其抵御酸碱腐蚀的能力。尤其在再生玻璃粉质量分数达到15%和20%时，复合材料的质量损失率分别降至11.0%和9.5%，其耐酸碱性能显著提升。其原因如下：一方面，再生玻璃粉中的硅酸盐成分能够与水泥水化过程中产生的氢氧化钙发生反应，生成更多的C-S-H凝胶。C-S-H凝胶是混凝土主要的胶凝产物，不仅能够提高材料的致密性，还能够降低碱液与外界腐蚀性介质的接触面积，从而增强了耐酸碱性能。另一方面，玻璃粉本身是一种化学性质稳定的非晶态材料，能够在混凝土内部形成物理和化学屏障，抑制酸碱液体的进一步渗透。

2.6 再生玻璃粉质量分数对聚丙烯泡沫混凝土复合材料抗渗性能的影响

图5为聚丙烯泡沫混凝土及其复合材料的抗渗性能。

从图5可以看出，随着再生玻璃粉质量分数的增加，聚丙烯泡沫混凝土复合材料的抗渗性能显著提升。初始渗透深度为35 mm，当再生玻璃粉质量分数达到10%、15%和20%时，渗透深度分别降至32、28、24 mm，表明材料的密实度和抗渗性能得到明显改善。然而，当再生玻璃粉质量分数提高至25%时，渗透深度仅轻微降至23 mm，这表明材料的抗渗性能已接近饱和状态。这主要是因为再生玻璃粉在混凝土中通过火山灰反应生成C-S-H，进一步填补混凝土内部的微细孔隙和界面过渡区。这种化学反应不仅增强了材料的密实性，还对渗透性液体形成物理屏障。同时，再生玻璃粉的加入改善了水泥基体与聚丙烯纤维之间的界面结合，形成了更致密的界面过渡区。界面过渡区的增强显著减少了渗透路径的连接性，进一步提高了材料的抗渗能力。

2.7 再生玻璃粉质量分数对聚丙烯泡沫混凝土复合材料抗冻融性能的影响

表3为聚丙烯泡沫混凝土及其复合材料的抗冻融性能。

从表3可以看出，随着再生玻璃粉质量分数的增加，聚丙烯泡沫混凝土复合材料的抗冻融性能有所提升，尤其是当再生玻璃粉质量分数为15%时，其抗冻融性能达到最佳状态，抗压强度保留率为90%，质量损失率降至8%，表现出较好的抗冻融耐久性。随着再生玻璃粉质量分数进一步增加至20%及以上，复合材料的抗压强度保留率略有降低，质量损失率略有回升，这表明高质量分数再生玻璃粉可能对材料的抗冻融性能产生负面影响。这一结果表明，适度的再生玻璃粉质量分数有助于增强材料的抗冻融能力，而再生玻璃粉质量分数为15%，与抗压强度数据中的最佳质量分数一致。

3 结论

本研究系统探讨了再生玻璃粉替代水泥对聚丙烯泡沫混凝土复合材料力学性能和耐久性能的影响。结果表明：随着再生玻璃粉质量分数的增加，当再生玻璃粉质量分数为10%~15%时，聚丙烯泡沫混凝土的抗压强度和抗折强度达到最佳，其中15%质量分数的抗压强度较高，为9.3 MPa。此外，适量添加再生玻璃粉能够降低材料的表观密度、吸水率和孔隙率，同时增强了材料的抗冻融性能。当再生玻璃粉质量分数为15%时，抗冻融循环后的抗压强度保留率达到90%，质量损失率降至8%，表现出较佳的耐久性和尺寸稳定性。然而，当再生玻璃粉质量分数超过15%后，材料的力学性能和耐久性开始下降。主要原因在于高质量分数导致胶凝材料不足，再生玻璃粉的火山灰效应难以继续显著改善孔隙结构，从而削弱了材料的整体性能。综上所述，本研究推荐再生玻璃粉的质量分数为10%~15%，在此范围内，材料的力学性能、抗冻融能力和耐久性均达到平衡。本研究为再生玻璃粉在建筑材料中的高效应用提供了有力支持。此研究结果为聚丙烯泡沫混凝土的可持续发展提供了数据依据，同时为废弃玻璃的资源化利用和绿色建筑材料的开发提供了技术参考。

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