《Sustainable Materials and Technologies》：Experimental and thermodynamic insights into the pozzolanic role of high-volume recycled ground waste glass in the hydration of sustainable cement binders
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Arkabrata Sinha|Dayou Luo|Souvik Das|Richard Mulcahy|Jianqiang Wei
美国佛罗里达大学可持续基础设施与环境工程学院，盖恩斯维尔，佛罗里达州
摘要
再生碎玻璃作为一种未充分利用的潜在替代性胶凝材料（SCM）已经受
Arkabrata Sinha|Dayou Luo|Souvik Das|Richard Mulcahy|Jianqiang Wei
美国佛罗里达大学可持续基础设施与环境工程学院，盖恩斯维尔，佛罗里达州
摘要
再生碎玻璃作为一种未充分利用的潜在替代性胶凝材料（SCM）已经受到关注，然而关于其在胶凝系统中的火山灰活性机制、对水化过程的影响以及相变行为，尤其是在高替代比例下的研究仍然不够充分。阐明这些机制对于实现大量使用玻璃粉末至关重要，因为这可以显著减少混凝土中的二氧化碳排放，并缓解对传统胶凝材料（如粉煤灰和矿渣）日益增长的供应压力。本研究通过结合实验和热力学分析，研究了两种再生碎玻璃火山灰（RGGP）替代最高50%水泥时的性能，探讨了其火山灰活性，阐明了其在改变水泥水化动力学中的作用，并量化了水化产物的演变。热重分析（TGA）和定量X射线衍射（QXRD）的结果表明，RGGP的氢氧化钙（CH）消耗能力高达135.5克/100克，且在高取代比例的R3体系中，结晶态和非晶态C-S-H的含量分别增加了32%和19.7%。在RGGP的存在下，水泥的总体诱导期延长了39.2%，放热量增加了24.3%，表明水化反应得到了显著增强，同时非晶态物质的含量增加了41.5%。与实验数据一致，热力学模拟显示，在含有5%至50%玻璃火山灰的水泥体系中，随着玻璃火山灰反应程度的增加（DOR），会形成新的反应产物，包括钠长石、水铁矿和水合镁硅酸盐。当水泥水化程度（DOH）为80%时，当分别替代50%和30%的水泥时，玻璃火山灰完全将CH转化为水合钙硅酸盐的阈值分别为22.1%和52.7%。
引言
混凝土是世界上最基础且使用最广泛的建筑材料，其生产过程导致了全球8%的二氧化碳排放，其中水泥的生产是造成混凝土碳强度的主要因素[1]。部分用替代性胶凝材料（SCMs）如粉煤灰（FA）[2]、硅灰（SF）[3]、稻壳灰（RHA）[4]和矿渣[5]替代水泥已被证明是一种有效的方法，可以降低混凝土的碳足迹，并提高其可持续性和性能。将工业和日常生活产生的固体废物进行升级利用不仅可以将废物从填埋场转移出去，还能减少对原生材料的依赖，促进资源效率，符合循环经济的原则，并降低环境影响。在当前用于混凝土的废物资源中，再生废玻璃因其丰富的可用性、广泛的分布和独特的非晶硅特性而被认为是具有前景的选择，这种特性使得其在水泥体系中能够发生火山灰反应。废玻璃是一种不可 biodegradable 的材料，来源于玻璃容器、平板玻璃和E玻璃等废弃物，这些废弃物占据了大量的填埋空间。然而，它的利用率极低，据2018年的数据显示，美国有61.6%的废玻璃被丢弃在填埋场，只有25%的废玻璃被回收[6][7]。将废玻璃升级为高价值的火山灰以减少水泥的使用，不仅有助于减少填埋废物，还有助于提升混凝土的性能，从而带来双重好处。
再生碎玻璃作为火山灰（RGGP）在改变化学浆体和硬化混凝土性能方面的作用取决于多种因素，包括玻璃的类型、化学成分、颗粒大小以及水泥的替代比例。最常见的废玻璃类型是钠石灰玻璃，通常由含有70–73% SiO?和约13% Na?Oeq的容器和平板玻璃制成，而E玻璃的SiO?含量较低（约60%），CaO含量较高（约21%）[8]。相比之下，硼硅酸盐玻璃的Na?Oeq含量约为45%，当使用活性骨料时，可能会引发有害的碱-硅反应（ASR）[9]。颗粒大小的作用已被广泛报道：粒度小于约45–75微米的玻璃粉末表现出显著的火山灰活性，可以提高混凝土强度并减轻ASR；而粒度大于约300微米的颗粒在胶凝系统中的火山灰活性较低[10][11][12][13]。与传统胶凝材料（如粉煤灰和硅灰）相比，RGGP在低替代比例（<40%）时对化学浆体的新鲜性能有更强的影响[14][15][16][17]，但在高剂量下可能会降低流动性[18][19]，同时由于其较低的水分吸收率和较慢的反应动力学，还会延迟初凝和终凝时间[20][21][22]，并且在减少混凝土收缩方面也表现出相对更好的效果[23]。RGGP体系中的混凝土强度发展很大程度上取决于替代比例和粒度；10–25%的水泥替代通常可以通过火山灰反应和稀释效应之间的平衡来提高强度[14][24][25][26]；更细的钠石灰玻璃（<38微米）可以在保持强度的同时实现高达30%的替代比例并减少ASR膨胀[27]，尽管较高的替代比例可能会由于玻璃在水泥基质中的反应程度有限而降低机械性能[28]。就耐久性相关性能而言，10%的RGGP替代可以减少16.7%的水分吸收，在更高替代比例下这一效果更明显，这是由于火山灰和填充剂效应共同作用导致的孔结构致密化[14][16][29]；然而，在中等替代比例（20–30%）时，渗透性和孔隙率通常会降低[30][31]。这些发现突显了RGGP作为可持续胶凝材料替代水泥的潜力，尽管在高比例替代水泥时，混凝土的物理和机械性能会受到一定程度的影响，这仍是一个关键挑战。
最近的研究表明，细磨的废玻璃主要通过溶解碱性孔溶液中的非晶硅参与水泥水化，然后与氢氧化钙（CH）发生火山灰反应形成 secondary C–S–H，从而有助于长期强度和微观结构的致密化[32][33]。除了火山灰反应外，玻璃粉末还可以通过稀释和异质成核效应改变水泥的水化动力学，加速早期熟料的水化同时降低总放热量，这取决于颗粒大小和替代比例[33][34]。然而，值得注意的是，大多数现有研究主要关注宏观性能或有限的替代比例，而高体积玻璃粉末体系中水化动力学、相组成和反应机制的耦合演变却很少被探讨，因此迫切需要建立对再生玻璃火山灰如何与水泥水化相互作用以及在高替代比例下控制水化产物形成的机理理解。
为了填补上述知识空白，本研究调查了两种具有不同颗粒大小分布和成分的RGGP，阐明了它们的火山灰活性及其在水泥水化中的作用。为了了解高体积RGGP在水泥基质中的性能，最多替代了50%的水泥。通过等温量热法量化反应热，并通过定量X射线衍射（QXRD）和热重分析（TGA）确定CH的消耗量，分析了RGGP的火山灰活性。通过等温量热法评估水化动力学，使用QXRD和TGA量化水化产物，并通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱表征水化产物的化学键，研究了RGGP在水泥水化中的作用。此外，还利用热力学模拟来阐明RGGP在不同水泥替代比例和温度下改变反应产物演变的作用。本研究的结果预计将提供对RGGP在水泥体系中火山灰作用的深入实验和计算理解，并揭示RGGP的颗粒大小和成分以及温度如何影响火山灰反应、水泥的水化行为和相演变，从而验证未来在混凝土中大量替代水泥使用再生废玻璃的可行性。
部分内容摘要
材料
本研究调查了符合ASTM C150标准的I/II型普通波特兰水泥（由Quikrete生产）以及两种类型的再生碎玻璃火山灰RGGP1和RGGP2。激光衍射测得的水泥和RGGP的颗粒大小分布如图1a所示。可以看出，水泥的中位颗粒大小（d50）和比表面积分别为12.02微米和1.66平方米/克。研究了两种RGGP的作用
火山灰反应热
图2a和b分别显示了在23°C下反应前5小时和7天内，R3 RGGP混合物的热流和累计放热量与RGGP质量的归一化值。两组数据显示，在加入混合成分后立即出现快速线性增长，在5分钟内达到峰值，随后迅速下降，在2小时后几乎降至可以忽略的水平（图2a）。最初的放热可能是由于非晶硅的快速溶解及其立即
结论
填补关于RGGP在改变水泥水化动力学和反应产物演变方面的知识空白，特别是在高体积掺入时的作用，将为利用其丰富的可用性、广泛的分布和独特的非晶硅特性，将其升级为混凝土火山灰铺平道路。用RGGP替代水泥有望显著减少二氧化碳排放并提高混凝土的性能
CRediT作者贡献声明
Arkabrata Sinha：数据整理、正式分析、调查、方法论、验证、可视化、撰写——原始草稿。Dayou Luo：正式分析、调查、验证、撰写——原始草稿。Souvik Das：调查。Richard Mulcahy：概念化、项目管理、资源协调。Jianqiang Wei：概念化、数据整理、正式分析、资金筹集、方法论、资源协调、监督、撰写——审阅和编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢马萨诸塞州交通部（MassDOT）研究计划的支持，该计划获得了美国联邦公路管理局（FHWA）和美国州规划和研究（SPR）基金（ISA: INTF00X02024A0122821）的资助。
