高鵬飛

(1.中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司，武漢 430205；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430034)

0 引 言

研究證明玻璃粉具有潛在火山灰活性[1-2],當(dāng)玻璃磨細(xì)為玻璃粉時(shí)，其主要成分SiO2網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)會(huì)受到破壞，火山灰活性被有效激發(fā)，能夠參與到混凝土二次水化反應(yīng)中[3-4]。玻璃粉的摻入不僅能改善混凝土力學(xué)性能[5-6]，而且能提升混凝土的工作性能。因此，玻璃粉作為輔助膠凝材料替代水泥加入到混凝土體系中[7]，不僅解決廢棄玻璃帶來(lái)的嚴(yán)重環(huán)境污染問(wèn)題，而且減少了生產(chǎn)水泥造成的自然資源、能源的消耗以及溫室氣體的排放。堿硅酸反應(yīng)(Alkali-silica reaction，ASR)是指混凝土孔溶液中的堿金屬陽(yáng)離子(Na+和K+)在堿性環(huán)境下與集料中的活性SiO2反應(yīng)[8]，生成的ASR凝膠，反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)反應(yīng)式(1)[9]。在具備堿、活性骨料、潮濕三種條件下，ASR凝膠吸水膨脹破壞界面過(guò)渡區(qū)、體系內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，混凝土內(nèi)部發(fā)生微裂縫損傷，導(dǎo)致混凝土失去設(shè)計(jì)性能，現(xiàn)有科技條件對(duì)于ASR引發(fā)的膨脹沒(méi)有有效補(bǔ)救措施，因此，ASR膨脹又被稱為混凝土的“癌癥”。

堿硅酸反應(yīng)特征式：

SiO2+2A++2OH-→A2·SiO3·H2O

(1)

為避免ASR出現(xiàn)，工程實(shí)踐中嚴(yán)格控制水泥堿含量、避免使用活性骨料等措施消除膨脹破壞，但由此產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)成本。目前實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)玻璃粉適宜摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度有利，但未討論玻璃粉在堿硅酸方面影響。本文探究溫度對(duì)不同粒徑玻璃粉在ASR中抑制作用機(jī)理，探究玻璃粉抑制ASR的效果，以降低水泥生產(chǎn)成本、提高活性骨料利用率，從而提高工程效益。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

實(shí)驗(yàn)水泥為桂林市海螺水泥P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分如表1所示。使用普通河沙和自來(lái)水拌和。玻璃粉使用廢棄回收站普通玻璃為原料，經(jīng)清洗、烘干、球磨60 min后獲得，使用濕篩法區(qū)分≤13 μm、13～38 μm、38～75 μm三種粒徑范圍玻璃粉。養(yǎng)護(hù)溶液采用純度≥98%粒堿和蒸餾水按要求配制1 mol/L的NaOH溶液，粒堿采購(gòu)于桂林市天天儀器設(shè)備有限公司。

表1 水泥的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of cement /%

1.2 試件制作與配合比

本次試驗(yàn)共設(shè)置12組砂漿棒實(shí)驗(yàn)組，其中J1、J2、J3是不摻玻璃粉的對(duì)照組，GPA1～GPA3均為用玻璃粉替代20%水泥試件，粒徑分別為≤13 μm、13～38 μm、38～75 μm，GPB1～GPB3、GPC1～GPC3玻璃粉摻量、粒徑均與第一組類同。將制作好的砂漿倒入已安裝金屬探頭的25 mm×25 mm×280 mm金屬試模中，振搗、抹平后在標(biāo)準(zhǔn)條件下的霧室或濕箱中帶模養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，拆模后將試件置于不同溫度條件下的恒溫水浴養(yǎng)護(hù)箱中，其中J1與 GPA1～GPA3放置于1號(hào)養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)置為80 ℃；J2與GPB1～GPB3放置于2號(hào)養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)置為60 ℃；J3與GPC1～GPC3放置于3號(hào)養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)置為25 ℃，養(yǎng)護(hù)液均為1 mol/L的NaOH溶液。各組試件配合比如表2所示。

表2 砂漿棒膨脹率試驗(yàn)方案Table 2 Expansion rate test plan of mortar bar

1.3 各組試件膨脹率

根據(jù)測(cè)試所得不同齡期砂漿棒長(zhǎng)度代入式(2)，測(cè)算出不同齡期砂漿棒膨脹率如表3所示。

(2)

式中：εt為試件在td的膨脹率；Lt為試件在第td的長(zhǎng)度；L0為試件初長(zhǎng)；Δ為測(cè)試探頭的長(zhǎng)度。

并且根據(jù)表3的總體趨勢(shì)可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的降低，試件的膨脹率會(huì)隨之降低。第60 d時(shí)，對(duì)比不同溫度條件養(yǎng)護(hù)下試件的膨脹率，不難發(fā)現(xiàn)高溫時(shí)溫度降低所導(dǎo)致的試件膨脹率減小值遠(yuǎn)大于低溫時(shí)溫度降低導(dǎo)致的試件膨脹率減少值，以不摻玻璃粉砂漿棒試件為例，養(yǎng)護(hù)溫度為80 ℃和60 ℃養(yǎng)護(hù)條件下試件之間膨脹率差值為0.214%，而60 ℃和25 ℃養(yǎng)護(hù)試件之間膨脹率差值為0.017%，兩者相差約13倍，說(shuō)明高溫將明顯加劇ASR速率，使試件ASR膨脹率得到顯著提高。

表3 各齡期砂漿棒的膨脹率Table 3 Expansion rate of mortar bars at various ages /%

1.4 不同溫度條件下各粒徑玻璃粉的加入對(duì)ASR的影響

對(duì)不同組砂漿棒的膨脹率按照溫度不同進(jìn)行進(jìn)一步的整理，得到在不同溫度條件下ASR膨脹率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度條件摻玻璃粉砂漿棒試件膨脹率隨齡期變化圖
Fig.1 Expansion rate of glass powder mortar bar specimens at different temperatures

通過(guò)對(duì)比圖1(a)～1(c)不難發(fā)現(xiàn)盡管隨著溫度的降低，試件的ASR膨脹率也會(huì)隨之降低，利用玻璃粉替代部分水泥的試件膨脹率明顯低于不摻玻璃粉的試件，說(shuō)明玻璃粉對(duì)混凝土ASR膨脹有抑制作用與溫度無(wú)關(guān)，室溫下玻璃粉依舊具有抑制ASR的作用。但從圖1(b)、圖1(c)不難看出，玻璃粉的加入在早期使試件ASR膨脹對(duì)溫度的敏感度較低，如當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃和25 ℃時(shí)，第5 d各組試件膨脹率均為0.003%，可能是存在界限溫度，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度低于界限溫度時(shí)，前期的溫度改變對(duì)ASR速率影響相對(duì)較小。所有試件隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，試件的膨脹率都會(huì)隨之上升，并且在保持粒徑、摻量相同前提下同齡期養(yǎng)護(hù)溫度越低膨脹率越低，如60 d≤13 μm組在80 ℃膨脹率是25 ℃的7倍，推測(cè)可能是由于反應(yīng)體系當(dāng)中溫度的降低，對(duì)ASR速率影響較大，ASR速率很低。隨著齡期延長(zhǎng)，由于玻璃粉開(kāi)始火山灰反應(yīng)，消耗了試件內(nèi)部部分堿，新生成的水化硅酸鈣可以填補(bǔ)水泥水化殘留的孔隙，使試件更加密實(shí)，減緩了養(yǎng)護(hù)溶液中堿的滲透，20%玻璃粉可以略微提高試件強(qiáng)度[10-11]，試件本身可以更有效抵抗膨脹應(yīng)力。在外部溫度較低條件下，混凝土內(nèi)部玻璃粉水化產(chǎn)生的C-S-H數(shù)量上升，ASR產(chǎn)生的堿硅酸凝膠數(shù)量相對(duì)減少，最終導(dǎo)致試件的堿硅酸膨脹降低。并且對(duì)比各組不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的玻璃粉砂漿棒，可以看出隨著玻璃粉粒徑的降低，各養(yǎng)護(hù)溫度下的玻璃粉砂漿棒膨脹率都會(huì)隨之降低，這是由于玻璃粉粒徑越小，其火山灰活性就越強(qiáng)火山灰反應(yīng)速率越高，對(duì)ASR速率的抑制作用就越強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)圖1(a)～1(c)各圖單獨(dú)分析發(fā)現(xiàn)，在固定溫度前提下試件還是遵循隨著玻璃粉的粒徑的減小，玻璃粉對(duì)ASR抑制作用效果越強(qiáng)的規(guī)律，只是前期區(qū)別相對(duì)較小，如60 ℃前30 d≤13 μm與13～38 μm組數(shù)據(jù)接近，但30 d后，二者區(qū)分明顯，這可能是因?yàn)椴ＡХ鄣幕鹕交曳磻?yīng)可以抑制ASR，但玻璃粉火山灰反應(yīng)開(kāi)始的時(shí)間較晚，所以早期同一溫度下不同粒徑膨脹率接近，后期玻璃粉火山灰反應(yīng)開(kāi)始，消耗了孔隙溶液堿含量、填堵毛細(xì)孔隙、提高了漿體強(qiáng)度，所以早期粒徑對(duì)ASR抑制作用不明顯。根據(jù)前人研究，玻璃粉越細(xì)火山灰越強(qiáng)，所以后期粒徑越小抑制堿硅酸作用越明顯。

2 溫度改變條件下玻璃粉對(duì)混凝土ASR抑制作用機(jī)理分析

圖2(a)～2(c)分別為養(yǎng)護(hù)溫度80 ℃、60 ℃、25 ℃時(shí)對(duì)照組試件28 d的SEM圖。對(duì)比圖2(a)～2(c)不難發(fā)現(xiàn)，試件界面上大面積的蓬松堿硅酸凝膠會(huì)隨著外界養(yǎng)護(hù)溫度的降低而減少，并且在溫度為25 ℃時(shí)，在界面上只能觀測(cè)到未生長(zhǎng)完全的堿硅酸凝膠。推測(cè)可能是由于ASR快速反應(yīng)對(duì)外部環(huán)境溫度需求較高，當(dāng)溫度處于25 ℃時(shí)，ASR速率降低明顯，ASR產(chǎn)物堿硅酸凝膠數(shù)量在觀測(cè)面上降低明顯，宏觀角度表現(xiàn)為試件膨脹率降低。

圖2 不同溫度條件下砂漿棒試件SEM圖
Fig.2 SEM images of mortar bar specimens at different temperatures

圖3 不同溫度條件下玻璃粉砂漿棒試件SEM圖
Fig.3 SEM images of glass powder mortar bar specimens at different temperatures

圖3(a)～3(c)為摻量20%時(shí)摻玻璃粉試件28 d的SEM圖，玻璃粉粒徑為≤13 μm，養(yǎng)護(hù)溫度分別為80 ℃、60 ℃、25 ℃通過(guò)觀測(cè)對(duì)比圖3(a)～3(c)可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，摻玻璃粉砂漿棒試件表面密實(shí)的C-S-H數(shù)量明顯呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，推測(cè)這是由于玻璃粉火山灰活性受溫度影響相對(duì)較小，當(dāng)溫度降低時(shí)，ASR速率受到的影響較大，而玻璃粉參與的火山灰反應(yīng)速率受到的影響相對(duì)較弱。在養(yǎng)護(hù)溫度為25 ℃條件下ASR速率降低明顯，ASR對(duì)火山灰反應(yīng)的抑制作用效果減弱。并且由于火山灰反應(yīng)速率受到溫度影響較小，在只降低溫度的條件下，混凝土體系內(nèi)部水化反應(yīng)體系當(dāng)中，火山灰反應(yīng)速率反而有所提升，所以試件表面密實(shí)的C-S-H數(shù)量呈現(xiàn)增多趨勢(shì)。對(duì)比圖2(c)與圖3(c)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)置為25 ℃時(shí)，未摻玻璃粉試件表面水化產(chǎn)物多數(shù)為還未發(fā)育完全的堿硅酸凝膠，而摻入玻璃粉之后試件表面分布的水化產(chǎn)物多數(shù)為較為的密實(shí)結(jié)晶塊狀C-S-H。說(shuō)明在25 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，玻璃粉的火山灰反應(yīng)在玻璃粉砂漿棒試件中占據(jù)主導(dǎo)地位，從而抑制ASR反應(yīng)速率，減少堿硅酸凝膠的產(chǎn)生，降低試件膨脹率。

3 結(jié) 論

(1)在三種溫度條件下，不同粒徑分布的玻璃粉均可以有效抑制堿硅酸反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹，使試件滿足規(guī)范要求，但均不能完全阻止ASR的發(fā)生。

(2)相同粒徑條件下的玻璃粉試件，砂漿棒膨脹率會(huì)隨著養(yǎng)護(hù)溫度的降低而降低。無(wú)論是對(duì)照組還是實(shí)驗(yàn)組，養(yǎng)護(hù)溫度為80 ℃時(shí)膨脹率最高，其次是60 ℃養(yǎng)護(hù)溫度，25 ℃養(yǎng)護(hù)溫度膨脹率最低，這是由于溫度降低限制了ASR的發(fā)生，減少了堿硅酸凝膠的生成量。

(3)玻璃粉粒徑越小對(duì)堿硅酸反應(yīng)抑制作用越強(qiáng)，溫度相同時(shí)不同粒徑的玻璃粉對(duì)堿硅酸膨脹抑制能力在早期差別不大，但15 d后粒徑越小抑制作用越明顯，減小玻璃粉粒徑對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能提高有促進(jìn)作用。