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)健康與安全國家重點實驗室，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)玻璃磨細為玻璃粉時，其主要成分SiO2網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)會受到破壞，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的嚴重環(huán)境污染問題，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)過程見反應(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)計性能，現(xiàn)有科技條件對于ASR引發(fā)的膨脹沒有有效補救措施，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)，工程實踐中嚴格控制水泥堿含量、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)濟成本。目前實驗已經(jīng)證實玻璃粉適宜摻量對混凝土強度有利，但未討論玻璃粉在堿硅酸方面影響。本文探究溫度對不同粒徑玻璃粉在ASR中抑制作用機理，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 驗

1.1 材 料

實驗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

本次試驗共設(shè)置12組砂漿棒實驗組，其中J1、J2、J3是不摻玻璃粉的對照組，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、抹平后在標準條件下的霧室或濕箱中帶模養(yǎng)護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)護箱中，其中J1與 GPA1～GPA3放置于1號養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護溫度設(shè)置為80 ℃；J2與GPB1～GPB3放置于2號養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護溫度設(shè)置為60 ℃；J3與GPC1～GPC3放置于3號養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護溫度設(shè)置為25 ℃，養(yǎng)護液均為1 mol/L的NaOH溶液。各組試件配合比如表2所示。

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

1.3 各組試件膨脹率

根據(jù)測試所得不同齡期砂漿棒長度代入式(2)，測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的長度；L0為試件初長；Δ為測試探頭的長度。

并且根據(jù)表3的總體趨勢可以看出，隨著養(yǎng)護溫度的降低，試件的膨脹率會隨之降低。第60 d時，對比不同溫度條件養(yǎng)護下試件的膨脹率，不難發(fā)現(xiàn)高溫時溫度降低所導(dǎo)致的試件膨脹率減小值遠大于低溫時溫度降低導(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)護溫度為80 ℃和60 ℃養(yǎng)護條件下試件之間膨脹率差值為0.214%，而60 ℃和25 ℃養(yǎng)護試件之間膨脹率差值為0.017%，兩者相差約13倍，說明高溫將明顯加劇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ASR的影響

對不同組砂漿棒的膨脹率按照溫度不同進行進一步的整理，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

通過對比圖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，說明玻璃粉對混凝土ASR膨脹有抑制作用與溫度無關(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膨脹對溫度的敏感度較低，如當(dāng)養(yǎng)護溫度為60 ℃和25 ℃時，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)護溫度低于界限溫度時，前期的溫度改變對ASR速率影響相對較小。所有試件隨著養(yǎng)護時間的增長，試件的膨脹率都會隨之上升，并且在保持粒徑、摻量相同前提下同齡期養(yǎng)護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，推測可能是由于反應(yīng)體系當(dāng)中溫度的降低，對ASR速率影響較大，ASR速率很低。隨著齡期延長，由于玻璃粉開始火山灰反應(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水泥水化殘留的孔隙，使試件更加密實，減緩了養(yǎng)護溶液中堿的滲透，20%玻璃粉可以略微提高試件強度[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)量相對減少，最終導(dǎo)致試件的堿硅酸膨脹降低。并且對比各組不同養(yǎng)護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)護溫度下的玻璃粉砂漿棒膨脹率都會隨之降低，這是由于玻璃粉粒徑越小，其火山灰活性就越強火山灰反應(yīng)速率越高，對ASR速率的抑制作用就越強。

通過對圖1(a)～1(c)各圖單獨分析發(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ASR抑制作用效果越強的規(guī)律，只是前期區(qū)別相對較小，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，這可能是因為玻璃粉的火山灰反應(yīng)可以抑制ASR，但玻璃粉火山灰反應(yīng)開始的時間較晚，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)開始，消耗了孔隙溶液堿含量、填堵毛細孔隙、提高了漿體強度，所以早期粒徑對ASR抑制作用不明顯。根據(jù)前人研究，玻璃粉越細火山灰越強，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混凝土ASR抑制作用機理分析

圖2(a)～2(c)分別為養(yǎng)護溫度80 ℃、60 ℃、25 ℃時對照組試件28 d的SEM圖。對比圖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隨著外界養(yǎng)護溫度的降低而減少，并且在溫度為25 ℃時，在界面上只能觀測到未生長完全的堿硅酸凝膠。推測可能是由于ASR快速反應(yīng)對外部環(huán)境溫度需求較高，當(dāng)溫度處于25 ℃時，ASR速率降低明顯，ASR產(chǎn)物堿硅酸凝膠數(shù)量在觀測面上降低明顯，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%時摻玻璃粉試件28 d的SEM圖，玻璃粉粒徑為≤13 μm，養(yǎng)護溫度分別為80 ℃、60 ℃、25 ℃通過觀測對比圖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的C-S-H數(shù)量明顯呈現(xiàn)增多趨勢，推測這是由于玻璃粉火山灰活性受溫度影響相對較小，當(dāng)溫度降低時，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較弱。在養(yǎng)護溫度為25 ℃條件下ASR速率降低明顯，ASR對火山灰反應(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，所以試件表面密實的C-S-H數(shù)量呈現(xiàn)增多趨勢。對比圖2(c)與圖3(c)，當(dāng)養(yǎng)護溫度設(shè)置為25 ℃時，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)為較為的密實結(jié)晶塊狀C-S-H。說明在25 ℃養(yǎng)護條件下，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，砂漿棒膨脹率會隨著養(yǎng)護溫度的降低而降低。無論是對照組還是實驗組，養(yǎng)護溫度為80 ℃時膨脹率最高，其次是60 ℃養(yǎng)護溫度，25 ℃養(yǎng)護溫度膨脹率最低，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)玻璃粉粒徑越小對堿硅酸反應(yīng)抑制作用越強，溫度相同時不同粒徑的玻璃粉對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，減小玻璃粉粒徑對混凝土長期性能提高有促進作用。