环境科学与生态技术4（2020）100064审查废玻璃作为水泥基材料集料的回收利用Edward Harrison，Aydin Berenjian*，Mostafa Seifan新西兰汉密尔顿怀卡托大学科学与工程学院工程学院我的天啊N F O文章历史：2020年8月13日接收，修订版2020年2020年10月19日接受关键词：废玻璃细骨料换砂火山灰活性水泥回收替代品A B S T R A C T玻璃是由沙子等自然资源制成的常见材料 尽管大部分废玻璃被回收用于制造新的玻璃产品，但仍有很大一部分被送往填埋场。玻璃是一种不可生物降解的有用资源，占用宝贵的土地填充空间。为了应对即将填埋的废玻璃，需要研究替代回收形式。建筑业是世界上最大的二氧化碳排放行业之一，生产水泥所产生的二氧化碳占全球的8%。沙子的使用在很大程度上消耗了用于制造砂浆或混凝土的自然资源。本文探讨了将废玻璃掺入水泥基材料中的可能性。发现废玻璃不适合作为生产熟料的原材料替代品和粗骨料，这分别是由于在窑中产生的液态和光滑的表面区域。当在水泥基材料中掺入玻璃细颗粒时，由于有利的火山灰反应有利于机械性能，因此发现了有希望的结果。发现20%的水泥可以用20 μ m的废玻璃，而不会对机械性能产生有害影响。高于30%的替代量可能会导致负面影响，因为CaCO 3的量不足，无法与玻璃中的二氧化硅反应，称为稀释效应。随着废玻璃的细骨料替代量增加超过20%，机械性能按比例下降;然而，高达20%的结果与传统混合物相似。©2020作者（S）。出版社：Elsevier B.V.代表中国环境科学学会这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。1. 介绍玻璃的一个巨大问题是用于诸如饮料瓶的应用的一次性用途，这是玻璃的主要用途之一。据估计，2016年废玻璃占全球城市固体废物的5%[1]，全球和各地区的回收率各不相同。2017年，欧洲的玻璃回收率为71.48%，个别国家从98%（斯洛文尼亚和比利时）到9%（土耳其）不等2017年，美国的玻璃回收率为26. 63%，其中52. 9%的玻璃容器用于填埋[3]。玻璃废料是不可生物降解的，永久地填满了土地填埋场的宝贵空间。由于回收实践欠佳，将玻璃废料弃置于填埋场增加了对天然资源的依赖，耗尽了海滩等资源以生产更多玻璃产品。随着对土地填埋空间的需求不断增加，土地填埋税可能会上升，以促进更好的回收习惯。寻找替代*通讯作者。电子邮件地址：aydin. waikato.ac.nz（A. Berenjian）。废玻璃的再利用方法可以降低处理成本，同时确保土地填埋和自然资源的寿命。作为土地填埋的替代方案，玻璃可以通过两种系统重新利用：闭环或开环。在闭环系统中，玻璃可以通过操作返回计划重新使用玻璃容器或从回收的碎玻璃制造新的玻璃产品来回收[4]。在玻璃生产中，每使用10%的碎玻璃（按重量计），碳排放和能源消耗分别减少5%和3%[5]。这是玻璃回收的理想形式，因为玻璃可以无限回收，如果它避免污染，包括食物垃圾污染或交叉颜色污染。再处理商设定碎玻璃污染的可接受限度，以确保最终产品的质量。琥珀色和绿色容器玻璃含有添加剂，这些添加剂会降低透明容器玻璃的质量或使最终产品变色，因此避免不同颜色的玻璃混合非常重要[6]。因此，玻璃容器的颜色分选被证明是玻璃回收过程中的重要步骤，在透明、绿色和琥珀色玻璃容器之间进行分选。开环系统是废玻璃被重新利用为替代产品，然后在使用结束时进行处理https://doi.org/10.1016/j.ese.2020.1000642666-4984/©2020作者。由Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.comE. Harrison，A. Berenjian和M. 西凡环境科学与生态技术4（2020）1000642超过130万个回收啤酒瓶[13]。然而，玻璃的高二氧化硅含量看到了碱-硅反应（ASR）的可能性，这可能导致混凝土膨胀，导致裂缝的形成为了防止这种情况发生，需要进行12个月的实验室研究和测试，以获得正确的混合比例，从而成功完成项目[14]。本综述将探讨过去的研究到水泥基材料中的废玻璃的用途和不同的影响，已经发现调查这种回收方法的可行性。2. 玻璃的特性和碎玻璃的加工方法2.1. 玻璃的物理和化学特性[4]的文件。这些材料可以包括通常由玻璃纤维制成的天花板隔热材料[7]。开环系统是最不理想的回收形式，因为它结束了持续的回收过程。然而，如果玻璃废物没有进行颜色分类或质量受损，其他形式的玻璃回收往往无法进行。玻璃废料的另一种开环回收形式可以在建筑行业中通过在水泥基材料中实施。 废玻璃可用作水泥生产中的部分熟料替代物，细磨玻璃因其火山灰特性可用于生产波特兰水泥混合物，或用作水泥基材料中的填料替代物，作为砂浆或混凝土中的细骨料或粗骨料。水泥工业占全球排放量的8%，其中90%是由于熟料的生产[8，9]。波特兰水泥是通过将磨碎的熟料与石膏结合来制造的，石膏是一种用于控制水泥凝固速率的试剂。生产熟料的过程排放量很大，因为其需要强烈加热以促进煅烧，占水泥生产排放量的一半。石灰石（CaCO3的来源）和粘土（SiO2和Al2 O3的来源）的适当化学比例与其他材料（如页岩（Fe2 O3的来源））一起研磨形成生料[10]。然后将生料在高温（900° C）下在窑中加热，以允许CaCO3煅烧形成氧化钙（CaO），同时排出二氧化碳（CO2）的副产物[11]。温度升高到1450摄氏度，以允许矿物质，如硅酸钙（3CaO$ SiO2，C3S;2CaO$SiO2 ， C2S ） 、铝 酸 三钙 （3CaO$Al2O3 ， C3A ） 和铁 铝 酸四 钙（4CaO$Al2O3$Fe2O3，C4AF）形成并部分熔融以物理结合并形成熟料颗粒。在水泥基材料中处理废玻璃有可能创造一个更可持续的未来。目前，在商业规模上将废玻璃用于水泥基材料的试验是有限的;然而，可以找到一些案例，包括2012年伊利诺女王奥林匹克公园。奥林匹克交付管理局（ODA）将可持续性作为一个重点，旨在将混凝土碳足迹减少25%。由于强度的潜在损失，玻璃砂以0至15%的替代率取代了细骨料，这取决于所需的强度指定，平均2%的所用细骨料被玻璃取代。另一个例子是2010年完工的Lion Nathan啤酒厂。Lion啤酒厂在混凝土混合料中掺入了3500吨废玻璃，废玻璃可分为三种主要类型，钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃和铅玻璃，其化学成分见表1。钠钙玻璃通常用于制造容器玻璃（例如饮料瓶）和平板玻璃（例如窗玻璃），硼硅酸盐玻璃用于绝缘和实验室玻璃器皿，铅玻璃用于家用玻璃器皿。钠钙玻璃是主要焦点，因为由钠钙玻璃制成的玻璃容器添加剂可以加入到玻璃混合物中，以改善性能或将玻璃颜色从透明变为琥珀色、绿色或其他颜色。当观察图1中的CaO-Al2O3-SiO2三元相图时，发现在1000 ℃时，CaO-Al2O3-SiO2三元相图中的CaO-Al2O3-SiO2三元相图中的CaO-Al2O3-SiO2 三 元 相 图 中 的 CaO-Al2O3-SiO2 三 元 相 图 中 的CaO-SiO2 三 元 相 图 中 的 CaO-Al2O3-SiO2 三 元 相 图 中 的 CaO-Al2O3-SiO2三元相图中的CaO-SiO2三元相图中的CaO-SiO2三元相图中的 CaO-Al2O3-SiO2 三元相 图中的 CaO-SiO2 三元相 图中的CaO-SiO2三元相图中的CaO-SiO2三元相图中的CaO-Al2O3-SiO2三元相图中的CaO-SiO2三元相图中的CaO-SiO2三元相图中的CaO-Al2O3三元相图中的CaO-SiO2三元相图中 1，可以看出为什么玻璃具有掺入水泥基材料的潜力。SiO2是火山灰反应中的主要活性组分，玻璃中SiO2含量最多。2.2.加工碎玻璃玻璃可以回收利用，并在无限闭环循环中用于生产其他玻璃产品。回收过程从收集开始，在收集过程中，玻璃类型和颜色被分离，以确保用于预期用途的正确化学成分。回收玻璃必须不含其他污染物，如食物垃圾、灰尘和陶瓷，因为这些可能会导致最终产品中的杂质。碎玻璃然后可以与原材料混合然后在制造窑中在高温（1200至 1400摄氏度）下加热以熔化玻璃混合物[15]。然后，液态玻璃混合物离开窑炉，被吹制或压制成新的玻璃产品。生产玻璃的过程是资源和能源的沉重，但纳入废玻璃可以减少这些消耗。在制造过程中使用10%的碎玻璃cess可以减少5%的所需原材料[5]。3. 水泥材料由于玻璃的化学组成和潜在的火山灰活性，废玻璃具有用作部分熟料替代物或水泥添加剂以生产波特兰水泥共混物的潜力。本节研究了在这两种应用中使用废玻璃对机械性能的影响。Xie和Xi研究了在熟料生产中使用废玻璃作为潜在的粘土替代品[16]。他们发现，玻璃在窑中会有液相，这将对操作产生不利影响。虽然这两种材料的化学成分相似，但他们发现硅酸三钙（C3 S）的形成减少了，硅酸三钙是熟料中的主要粘合成分。还得出结论，用废玻璃代替粘土产生不希望的反应性化合物（NC8A3），缩写定义AlO氧化铝ASR碱-硅反应C3A铝酸钙C3S硅酸三钙CaCO3碳酸钙CaO氧化钙CO2二氧化碳粉煤灰GBFS粒化高炉矿渣GP玻璃粉NS天然砂SO氧化钠二氧化硫二氧化硅WG废玻璃E. Harrison，A. Berenjian和M. 西凡环境科学与生态技术4（2020）100064表33不同类型玻璃的化学成分[15]。化学成分[%]钠钙玻璃硼硅酸盐玻璃铅玻璃透明琥珀绿SiO273.2e 73.5 71.9e 72.4 71.3 70e 8054e 65 Na2 O·K2 O 13.6e 14.1 13.8e 14.4 13.1 4e 813e 15 Al2 O3 1.7e 1.9 1.7e 1.8 2.2 7eMgO CaO 10.7e 10.8 11.6 12.2e eSO30.20e 0.24 0.12e 0.140.05e eFe2 O3 0.04e 0.050.30 0.56e eCr2 O3e0.01 0.43e e一氧化二硼PbOe e e e25e 30Fig. 1. 硅酸盐水泥、FA等级F和C、GBFS和玻璃粉的CaO-Al2 O3e SiO2玻璃中的碱（氧化钠）与备用的铝酸钙（C3A）反应。这种化合物会导致水泥灰凝结和硬化水泥的强度变差。然而，进一步的研究人员调查了通过部分取代废玻璃的熟料来减少水泥所需熟料的可能性。 Dv ora'k等发现火山灰高性能的精细玻璃可以通过在高速研磨机中研磨或机械活化来进一步提高[17]。他们还发现，共同研磨熟料和玻璃可以防止玻璃团聚体的形成，因此玻璃可以用于其火山灰特性，而不仅仅是作为填料的物理机械特性。Halbiniak和Major的研究结果进一步支持了这一点，他们得出的结论是，用熟料以7. 5%和15%的替代率（按重量计）研磨绿色或透明的废玻璃，在2、7和28天后显示出比纯水泥更高的抗压强度[ 18 ]。单独研磨玻璃和熟料显示出类似的结果，然而，从共研磨样品的抗压强度略有下降。发现含有废玻璃的所有样品产生比对照样品更高的抗压强度，其中由与熟料共研磨的15%透明玻璃组成的样品在28天产生最高的抗压强度（41.2MPa，与对照的36.8MPa相比这些研究人员发现，废玻璃可以用来限制熟料的需求，并用作部分替代品。但在替代原料生产熟料方面不合适掺入废玻璃将减少所需的熟料，这将减少产生的二氧化碳排放量并降低总成本。影响总结见表2。如果不取代纯熟料形成水泥混合物，废玻璃可因其火山灰特性用作部分水泥替代物。通过部分替代不同的火山灰材料来减少所需水泥的量是减少建筑行业排放的另一个可行的选择。目前，硅酸盐水泥的粉煤灰（FA）或粒化高炉矿渣（GBFS）混合物非常受欢迎;然而，另一种可能性可能是使用废玻璃。引入废玻璃作为火山灰活性促进剂将减少所需水泥的量，同时减少对FA或GBFS等其他材料的需求。Ali等人。[19]发现，较细的废玻璃颗粒会增加火山灰活性，其中含有40mm的废玻璃的样品，20m m和10m m在同一更换生产28天抗压强度分别为51.5 MPa、55.5 MPa和66.6 MPa。这得到了Shi等人的支持。[20]他们发现含有颗粒分布较细的废玻璃的样品在28天时产生的抗压强度高于颗粒分布较粗的样品。Z. Chen [ 21 ]的研究显示了类似的结果，其中增加废玻璃的研磨时间通常会增加样品在7天和28天时的抗压强度（如图所示）。 2）。Letelier等人[22]发现38m m是最大尺寸，允许替换30%的水泥（按重量计），而不会对机械性能产生不利影响，Shao等人[23]支持这一点，他们发现38m m允许替换30%的体积。Khmiri等人的研究结果[ 24 ]进一步支持了这一点，其中发现40 m m的废玻璃会降低抗压强度，但是，研磨至20 m m的废玻璃的高达20%的水泥替代物（按重量计）可以改善后期机械性能。Mosto Finejad等人[25]发现，用30%的水泥替代磨碎的废玻璃（按重量计）会显著降低28天和300天的抗压强度，强度分别降低40%和42%LetelierLetelier发现，在38mm处替换20%具有从28天到90天的最大抗压强度增加，在10%和30%的替换处具有相同粒度的样品显示出与参考样品相似的强 度 增加 玻 璃 粉取 代 水 泥 20% （ 重 量 ）也 是 Z.Ismail [26] andTejaswi et al.[27]，他发现尽管它降低了7天和28天的抗压强度，但它 高 于 75% 的 容 许 强 度 指 数 Shayan [28] 发 现 ， 用 废 玻 璃 粉（92.4%，15m m）替代水泥会降低28天抗压强度，随着替代百分比的增加，不利影响越来越大。28岁3728>28岁3728>28岁2080% 15028岁3728>28岁28二十，五十83% 1190600ee[Yeeeeee[三十四]五、十、十五、二十90% 4750
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