饒美娟，鄧靈敏，楊賀菲

(長江科學(xué)院a.材料與結(jié)構(gòu)研究所；b.水土保持研究所,武漢 430010)

含玻璃粉砂漿的ASR風(fēng)險及抑制效果研究

饒美娟a，鄧靈敏b，楊賀菲b

(長江科學(xué)院a.材料與結(jié)構(gòu)研究所；b.水土保持研究所,武漢 430010)

廢棄玻璃磨細(xì)成粉料后用作混凝土輔助膠凝材料,不僅可以控制ASR(alkali-silica reaction,堿-硅反應(yīng)),而且還能激發(fā)其火山灰活性。采用砂漿棒快速法,將玻璃粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂用作骨料,研究各種骨料替代率條件下的砂漿棒ASR膨脹率大小。摻量為50%時,14 d ASR膨脹率最大。將玻璃骨料與標(biāo)準(zhǔn)砂以1∶1比例成型試件,探討各種玻璃粉細(xì)度、摻量、養(yǎng)護(hù)溫度、齡期條件下對砂漿棒ASR反應(yīng)的抑制效果,粉磨時間越長,砂漿棒膨脹率呈降低趨勢,摻入粉磨1h玻璃粉在相同摻量下對砂漿棒膨脹率的抑制效果最明顯。養(yǎng)護(hù)溫度對砂漿棒早期膨脹率起主導(dǎo)作用。

玻璃粉；ASR；摻量；細(xì)度；抑制

2015,32(11):105-109

1 研究背景

自上世紀(jì)70年代起,已有將廢棄玻璃用于混凝土中的應(yīng)用研究[1-2],玻璃粉是一種新型潛在輔助膠凝材料,在硅酸鹽水泥環(huán)境下雖然具有獨特的水化機制,但也存在ASR風(fēng)險[3-5]。目前的研究中,主要通過物理和化學(xué)處理來抑制ASR。物理處理主要是通過粉磨減小玻璃顆粒的尺寸,隨著顆粒尺寸的減小,ASR風(fēng)險顯著降低,同時,當(dāng)磨細(xì)玻璃或玻璃粉用于膠凝體系時,還能提高混凝土的強度[6-8]?；瘜W(xué)處理通常是摻用某些鹽、酸或?qū)＠a(chǎn)品等,這在砂漿棒實驗中已被證明能有效控制ASR[9-11]。

廢棄玻璃磨細(xì)成粉料后用作混凝土輔助膠凝材料,不僅可以控制ASR,還能激發(fā)其火山灰活性[12]。本研究從玻璃粉的骨料替代率來探討玻璃粉的ASR風(fēng)險,同時研究不同摻量條件下,玻璃粉作為摻合料在不同細(xì)度和不同養(yǎng)護(hù)溫度下對ASR的抑制機理。

2 骨料替代率對ASR的影響

試驗中玻璃粉的獲得方法:將廢棄啤酒瓶經(jīng)過清洗、晾曬、破碎等工序處理后,用實驗室的球磨機粉磨得到。粉磨時要考慮試驗的具體設(shè)計及不同的時間。其主要化學(xué)成分見表1。

圖1是廢棄玻璃粉3種粉磨細(xì)度下SEM(Scanning Electron Microscope掃描電鏡)形貌,可以看出玻璃粉呈現(xiàn)不規(guī)則棱角形,表面光滑,細(xì)度越大,粒徑越小,級配越好。

將玻璃粉按照總骨料量的0%,10%,30%, 50%,70%,90%,100%摻入,水膠比為0.47。試驗采用砂漿棒快速法,膨脹率隨齡期的變化如圖2。

表1 玻璃粉的化學(xué)組成含量Table 1 Chemical components of glass powder %

圖1 玻璃粉的顆粒形貌Fig.1 Microscopic observation results of particle appearance of glass powder

圖2 不同玻璃骨料替代率砂漿棒膨脹曲線Fig.2 Curves of expansion rate of mortar vs.age in the presence of different replacement proportions of glass aggregate

圖2中,隨著玻璃骨料替代率的增加,砂漿棒的膨脹率呈增加趨勢,早期砂漿棒膨脹率以骨料替代率50%為最大,但是齡期28 d時卻是90%替代率砂漿棒膨脹率最大,但均與50%,70%替代率相近。雖然齡期14 d,所有摻量玻璃的膨脹率都＜0.1%,但是28 d齡期的50%,70%,90%替代率的砂漿棒膨脹率均＞0.2%,可知,玻璃粉高骨料替代率會產(chǎn)生ASR危害。

許多研究表明,隨著玻璃粉摻量的增加,膨脹率呈增加的趨勢,因為隨著玻璃粉含量的增加,活性二氧化硅的含量增加。但是不是所有的二氧化硅都參與了反應(yīng)生成堿硅酸凝膠。隨著摻量的增加,溶液中的二氧化硅的含量增加,比表面積增加,吸附更多OH-,從而沒有足夠的OH-參與堿硅酸反應(yīng),使堿硅酸凝膠的生成量降低。

3 養(yǎng)護(hù)條件對摻玻璃粉砂漿棒ASR反應(yīng)的影響

在骨料替代率試驗中,摻50%玻璃骨料無論14 d膨脹率還是28 d膨脹率都是相對較高的,試驗中全部采用50%玻璃骨料替代率,選取玻璃粉摻量0%,10%,30%,50%,粉磨時間為0.5,1,2 h,在40, 80℃條件下養(yǎng)護(hù),水膠比為0.47。圖3為養(yǎng)護(hù)溫度40℃時不同粉磨時間、不同玻璃粉摻量對ASR膨脹率的影響。

圖3 養(yǎng)護(hù)溫度40℃不同粉磨時間下不同玻璃粉摻量對ASR膨脹率的影響Fig.3 Effect of blending ratio of glass powder on ASR expansion rate of mortar with grinding durations under 40℃

由圖3可知,養(yǎng)護(hù)溫度為40℃時,砂漿棒膨脹增長率發(fā)展比較緩慢,隨著玻璃粉替代率的提高(粉磨0.5,1,2 h),砂漿棒的膨脹率均為下降趨勢,說明摻入玻璃粉能有效控制ASR反應(yīng)。對于摻入粉磨0.5 h和粉磨1 h的玻璃粉,抑制效果較為接近。對于粉磨1 h的玻璃粉摻量＞20%,抑制效果很好,對于粉磨0.5 h的玻璃粉,玻璃粉摻量＞30%有較好效果。這有可能是因為玻璃粉與石灰粉反應(yīng)生成低鈣硅比的水化硅酸鈣,其中水化硅酸鈣保留了一部分堿,從而減少了參與ASR反應(yīng)所需要的堿,降低了ASR反應(yīng)程度。但更合理的解釋可能是因為粉磨0.5 h以及1 h的玻璃粉具有良好的火山灰活性,在水泥基材料早期水化過程中發(fā)揮了火山灰效應(yīng),使得玻璃粉中的活性成分更多的參與了火山灰反應(yīng),降低了ASR反應(yīng)程度,達(dá)到良好的抑制效果。隨著齡期的增長,試件總體膨脹率增加的情況下,有局部收縮的情況發(fā)生。低溫環(huán)境下,玻璃粉對ASR膨脹的抑制作用也在減弱。玻璃粉摻量達(dá)到50%時,才能明顯降低粉磨細(xì)度為0.5,1 h的砂漿棒膨脹率,并將40 d齡期膨脹率控制在0.05%以下。

圖4 養(yǎng)護(hù)溫度80℃不同粉磨時間下不同玻璃粉摻量對ASR膨脹率的影響Fig.4 Effect of blending ratio of glass powder on ASR expansion rate of mortar with grinding durations under 80℃

將養(yǎng)護(hù)溫度80℃試驗結(jié)果(見圖4)與40℃試驗結(jié)果相比較,80℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,無論細(xì)度大小,膨脹率發(fā)展均較快,但是隨著粉磨細(xì)度的減小,膨脹率顯著降低,各種摻量條件下膨脹率差異減小。80℃摻入粉磨0.5 h玻璃粉,在2種溫度條件下膨脹量接近,80℃時摻粉磨1 h玻璃粉無論摻量多少,膨脹率是最低。對于摻入粉磨1 h玻璃粉的砂漿棒,30%與50%摻量隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高膨脹率下降顯著,而摻入粉磨2 h玻璃粉的砂漿棒,摻量20%以上時高溫養(yǎng)護(hù)條件下膨脹率與膨脹率增長速度都顯著增加,這說明了高溫條件下粉磨1 h玻璃粉的火山灰效應(yīng)與顆粒填充效應(yīng)協(xié)調(diào)發(fā)展,有效地抑制了ASR反應(yīng)。

4 不同齡期細(xì)度對摻玻璃粉砂漿棒ASR反應(yīng)的影響

水泥與不同粉磨時間下玻璃粉的平均粒徑如表2所示。

表2 水泥和不同粉磨時間下玻璃粉的平均粒徑Table 2 Average particle sizes of cement and glass powder under grinding durations

圖5 不同齡期玻璃粉在不同細(xì)度不同摻量下的膨脹率Fig.5 Expansion rate of mortar containing glass powder with grinding durations，fineness，and blending ratios

圖5為不同齡期玻璃粉在不同細(xì)度、不同摻量下的膨脹率。由圖5可知,3 d和28 d齡期各種摻量條件下玻璃粉細(xì)度對砂漿棒膨脹率的影響都比較明顯,摻粉磨1 h玻璃粉在各種摻量下膨脹率都相對較低,其次是摻粉磨2 h玻璃粉,摻粉磨0.5 h玻璃粉效果最差。對于28 d齡期,各種摻量下?lián)椒勰? h玻璃粉膨脹率均較高,甚至超過了粉磨0.5 h玻璃粉,但是3種細(xì)度條件下砂漿棒膨脹率差異均不大,說明在水化中期,細(xì)度對于砂漿棒膨脹率抑制不起主導(dǎo)作用。

5 玻璃粉摻量對砂漿棒ASR反應(yīng)的影響

圖6表示摻粉磨0.5,1,2 h,這3種玻璃粉細(xì)度在摻量從10%～50%變化時,膨脹率隨齡期的變化趨勢。

圖6 不同玻璃粉摻量下砂漿棒膨脹率隨齡期的變化Fig.6 Expansion rate of mortar with ages under blending ratios of glass powder

40℃養(yǎng)護(hù)下,隨著玻璃粉摻量的增加,膨脹率呈下降趨勢。相對于粉磨1 h和2 h的玻璃粉,粉磨0.5 h玻璃粉隨著摻量的不同呈不規(guī)律變化,摻量對砂漿棒膨脹率的影響相對較小,不同于其他2種細(xì)度,摻量增大到20%以上時砂漿棒膨脹率降低非常顯著,原因是粉磨0.5 h的玻璃粉粒徑相對較大,此時玻璃粉火山灰活性較低,一方面摻量增加但是參與水化的玻璃粉并不多,另一方面在水泥水化過程中玻璃粉的填充效應(yīng)也不如粒徑更小的,ASR反應(yīng)仍可以在玻璃粉與水泥水化物之間的空隙中進(jìn)行,使得抑制效果不明顯。

80℃養(yǎng)護(hù)下,摻入粉磨0.5 h和1 h玻璃粉,摻量為10%時,14 d膨脹率均超過了0.05%,說明在摻量較小時,粒徑相對較大的玻璃粉砂漿棒在高溫條件下是存在ASR危害的。摻入不同粉磨細(xì)度的玻璃粉,摻量從10%～50%變化的過程中,早期膨脹率幾乎一致,這說明在水化早期,養(yǎng)護(hù)溫度對水泥玻璃粉膠凝體系的水化起主導(dǎo)作用,細(xì)度的影響很小。玻璃粉的摻量對膨脹率的影響在齡期的發(fā)展過程中不斷擴大,特別是在玻璃粉較大粒徑,且摻10%和20%時影響尤明顯,膨脹率迅速降低。當(dāng)摻量繼續(xù)增加時,摻粉磨1 h玻璃粉砂漿棒膨脹率仍以較快速率降低,而對于摻粉磨2 h玻璃粉砂漿棒,盡管膨脹率也在降低,但是降低速率緩慢。

6 機理分析

ASR反應(yīng)從本質(zhì)上來說是一種體積膨脹的反應(yīng),在水泥水化固化過程中,局部發(fā)生的膨脹反應(yīng)產(chǎn)生局部的膨脹,就帶來了局部混凝土開裂,進(jìn)而對工程造成破壞,而且這種破壞是很難修補的。將玻璃粉作為摻合料摻到混凝土以后,帶入了更多的活性二氧化硅,在水泥水化固化過程中,分散的活性二氧化硅在混凝土中較均勻的反應(yīng)著,有效地避免了局部的體積增大,抑制了ASR反應(yīng)帶來的破壞作用。同時,粉磨后的玻璃粉具有一定的火山灰活性,在水泥基材料早期水化過程中發(fā)揮了火山灰效應(yīng),使得玻璃粉中的活性成分更多地參與了火山灰反應(yīng),降低了ASR反應(yīng)程度,達(dá)到良好的抑制效果。改變玻璃粉的細(xì)度,也就是改變了活性二氧化硅的分散程度,在一定意義上是會改變抑制效果的。養(yǎng)護(hù)溫度的改變,會改變活性二氧化硅的反應(yīng)活性；隨著齡期的增長,反應(yīng)越來越充分；摻量的改變,也是改變了活性二氧化硅的均勻程度,都會帶來ASR反應(yīng)抑制效果的改變。

7 結(jié) 論

本文研究各種骨料替代率條件下的砂漿棒ASR膨脹率大小,并探討各種玻璃粉細(xì)度、摻量、養(yǎng)護(hù)溫度、齡期條件下對砂漿棒ASR反應(yīng)的抑制效果,結(jié)論如下:

(1)將玻璃粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂用作骨料時,摻和量為50%時,14 d ASR膨脹率最大。

(2)摻玻璃粉對砂漿棒ASR反應(yīng)具有抑制效果,玻璃粉細(xì)度、養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)齡期、摻量均對其抑制效果有影響。隨著玻璃粉細(xì)度的降低,膨脹率也呈降低趨勢,摻入粉磨1 h玻璃粉在相同摻量下對砂漿棒膨脹率的抑制效果最明顯。

(3)養(yǎng)護(hù)溫度對砂漿棒3 d的膨脹率起主導(dǎo)作用,摻量與細(xì)度對膨脹率的影響較小。

(4)相同齡期內(nèi),玻璃粉摻量為20%時,砂漿棒膨脹率降低迅速,隨著摻量的增加,膨脹率降低趨于緩慢。

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(編輯:劉運飛)

ASR Risk and Inhibition Effect of Mortar Bar Containing Glass Powder

RAO Mei-juan1,DENG Ling-min2,YANG He-fei2
(1.Materials and Structure Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；2.Soil and Water Conservation Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

Waste glass powder,as a kind of admixture in concrete,can not only restrain alkali-silica reaction (ASR),but also stimulate pozzolanic activity.In association with accelerated mortar-bar test(AMBT),the glass powder,rather than the standard sand,is used as aggregate to study the ASR expansion rate of mortar bar under aggregate replacement proportions.We made specimens containing the glass aggregate and standard sand in equal ratios,exploring the inhibitory effect of fineness,content,curing temperature and age on ASR reaction of mortar bar. The results show that,when the blending ratio of glass powder is 50%,the maximum ASR expansion occurs with 14d curing；then,the ASR expansion rate of mortar bars decreases when grinding duration of glass powder increases；meanwhile,glass powder with grinding duration of 1 hour is the best for restraining ASR expansion；finally, curing temperature plays a dominant role in the expansion rate of the mortar bar during early age.

glass powder；ASR；blending content；fineness；restraining

TU528

A

1001-5485(2015)11-0105-05

10.11988/ckyyb.20140878

2014-10-14；

2014-11-25

饒美娟(1985-),女,湖北武漢人,博士后,主要從事高性能水泥基材料的研究,(電話)13607122449(電子信箱)raomeijuanding@163. com。