不同温度下粒径对玻璃粉抑制碱硅酸反应的影响

2020-02-25高鹏飞

硅酸盐通报 2020年1期

高鹏飞

(1.中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司，武汉 430205；2.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，武汉 430034)

0 引言

研究证明玻璃粉具有潜在火山灰活性[1-2],当玻璃磨细为玻璃粉时，其主要成分SiO2网链结构会受到破坏，火山灰活性被有效激发，能够参与到混凝土二次水化反应中[3-4]。玻璃粉的掺入不仅能改善混凝土力学性能[5-6]，而且能提升混凝土的工作性能。因此，玻璃粉作为辅助胶凝材料替代水泥加入到混凝土体系中[7]，不仅解决废弃玻璃带来的严重环境污染问题，而且减少了生产水泥造成的自然资源、能源的消耗以及温室气体的排放。碱硅酸反应(Alkali-silica reaction，ASR)是指混凝土孔溶液中的碱金属阳离子(Na+和K+)在碱性环境下与集料中的活性SiO2反应[8]，生成的ASR凝胶，反应过程见反应式(1)[9]。在具备碱、活性骨料、潮湿三种条件下，ASR凝胶吸水膨胀破坏界面过渡区、体系内部产生膨胀应力，混凝土内部发生微裂缝损伤，导致混凝土失去设计性能，现有科技条件对于ASR引发的膨胀没有有效补救措施，因此，ASR膨胀又被称为混凝土的“癌症”。

碱硅酸反应特征式：

SiO2+2A++2OH-→A2·SiO3·H2O

(1)

为避免ASR出现，工程实践中严格控制水泥碱含量、避免使用活性骨料等措施消除膨胀破坏，但由此产生了较高的经济成本。目前实验已经证实玻璃粉适宜掺量对混凝土强度有利，但未讨论玻璃粉在碱硅酸方面影响。本文探究温度对不同粒径玻璃粉在ASR中抑制作用机理，探究玻璃粉抑制ASR的效果，以降低水泥生产成本、提高活性骨料利用率，从而提高工程效益。

1 实验

1.1 材料

实验水泥为桂林市海螺水泥P·O 42.5普通硅酸盐水泥，化学成分如表1所示。使用普通河沙和自来水拌和。玻璃粉使用废弃回收站普通玻璃为原料，经清洗、烘干、球磨60 min后获得，使用湿筛法区分≤13 μm、13～38 μm、38～75 μm三种粒径范围玻璃粉。养护溶液采用纯度≥98%粒碱和蒸馏水按要求配制1 mol/L的NaOH溶液，粒碱采购于桂林市天天仪器设备有限公司。

表1 水泥的化学成分Table 1 Chemical compositions of cement /%

1.2 试件制作与配合比

本次试验共设置12组砂浆棒实验组，其中J1、J2、J3是不掺玻璃粉的对照组，GPA1～GPA3均为用玻璃粉替代20%水泥试件，粒径分别为≤13 μm、13～38 μm、38～75 μm，GPB1～GPB3、GPC1～GPC3玻璃粉掺量、粒径均与第一组类同。将制作好的砂浆倒入已安装金属探头的25 mm×25 mm×280 mm金属试模中，振捣、抹平后在标准条件下的雾室或湿箱中带模养护24 h后拆模，拆模后将试件置于不同温度条件下的恒温水浴养护箱中，其中J1与 GPA1～GPA3放置于1号养护箱中，养护温度设置为80 ℃；J2与GPB1～GPB3放置于2号养护箱中，养护温度设置为60 ℃；J3与GPC1～GPC3放置于3号养护箱中，养护温度设置为25 ℃，养护液均为1 mol/L的NaOH溶液。各组试件配合比如表2所示。

表2 砂浆棒膨胀率试验方案Table 2 Expansion rate test plan of mortar bar

1.3 各组试件膨胀率

根据测试所得不同龄期砂浆棒长度代入式(2)，测算出不同龄期砂浆棒膨胀率如表3所示。

(2)

式中：εt为试件在td的膨胀率；Lt为试件在第td的长度；L0为试件初长；Δ为测试探头的长度。

并且根据表3的总体趋势可以看出，随着养护温度的降低，试件的膨胀率会随之降低。第60 d时，对比不同温度条件养护下试件的膨胀率，不难发现高温时温度降低所导致的试件膨胀率减小值远大于低温时温度降低导致的试件膨胀率减少值，以不掺玻璃粉砂浆棒试件为例，养护温度为80 ℃和60 ℃养护条件下试件之间膨胀率差值为0.214%，而60 ℃和25 ℃养护试件之间膨胀率差值为0.017%，两者相差约13倍，说明高温将明显加剧ASR速率，使试件ASR膨胀率得到显著提高。

表3 各龄期砂浆棒的膨胀率Table 3 Expansion rate of mortar bars at various ages /%

1.4 不同温度条件下各粒径玻璃粉的加入对ASR的影响

对不同组砂浆棒的膨胀率按照温度不同进行进一步的整理，得到在不同温度条件下ASR膨胀率，结果如图1所示。

图1 不同温度条件掺玻璃粉砂浆棒试件膨胀率随龄期变化图
Fig.1 Expansion rate of glass powder mortar bar specimens at different temperatures

通过对比图1(a)～1(c)不难发现尽管随着温度的降低，试件的ASR膨胀率也会随之降低，利用玻璃粉替代部分水泥的试件膨胀率明显低于不掺玻璃粉的试件，说明玻璃粉对混凝土ASR膨胀有抑制作用与温度无关，室温下玻璃粉依旧具有抑制ASR的作用。但从图1(b)、图1(c)不难看出，玻璃粉的加入在早期使试件ASR膨胀对温度的敏感度较低，如当养护温度为60 ℃和25 ℃时，第5 d各组试件膨胀率均为0.003%，可能是存在界限温度，当养护温度低于界限温度时，前期的温度改变对ASR速率影响相对较小。所有试件随着养护时间的增长，试件的膨胀率都会随之上升，并且在保持粒径、掺量相同前提下同龄期养护温度越低膨胀率越低，如60 d≤13 μm组在80 ℃膨胀率是25 ℃的7倍，推测可能是由于反应体系当中温度的降低，对ASR速率影响较大，ASR速率很低。随着龄期延长，由于玻璃粉开始火山灰反应，消耗了试件内部部分碱，新生成的水化硅酸钙可以填补水泥水化残留的孔隙，使试件更加密实，减缓了养护溶液中碱的渗透，20%玻璃粉可以略微提高试件强度[10-11]，试件本身可以更有效抵抗膨胀应力。在外部温度较低条件下，混凝土内部玻璃粉水化产生的C-S-H数量上升，ASR产生的碱硅酸凝胶数量相对减少，最终导致试件的碱硅酸膨胀降低。并且对比各组不同养护温度条件下的玻璃粉砂浆棒，可以看出随着玻璃粉粒径的降低，各养护温度下的玻璃粉砂浆棒膨胀率都会随之降低，这是由于玻璃粉粒径越小，其火山灰活性就越强火山灰反应速率越高，对ASR速率的抑制作用就越强。

通过对图1(a)～1(c)各图单独分析发现，在固定温度前提下试件还是遵循随着玻璃粉的粒径的减小，玻璃粉对ASR抑制作用效果越强的规律，只是前期区别相对较小，如60 ℃前30 d≤13 μm与13～38 μm组数据接近，但30 d后，二者区分明显，这可能是因为玻璃粉的火山灰反应可以抑制ASR，但玻璃粉火山灰反应开始的时间较晚，所以早期同一温度下不同粒径膨胀率接近，后期玻璃粉火山灰反应开始，消耗了孔隙溶液碱含量、填堵毛细孔隙、提高了浆体强度，所以早期粒径对ASR抑制作用不明显。根据前人研究，玻璃粉越细火山灰越强，所以后期粒径越小抑制碱硅酸作用越明显。

2 温度改变条件下玻璃粉对混凝土ASR抑制作用机理分析

图2(a)～2(c)分别为养护温度80 ℃、60 ℃、25 ℃时对照组试件28 d的SEM图。对比图2(a)～2(c)不难发现，试件界面上大面积的蓬松碱硅酸凝胶会随着外界养护温度的降低而减少，并且在温度为25 ℃时，在界面上只能观测到未生长完全的碱硅酸凝胶。推测可能是由于ASR快速反应对外部环境温度需求较高，当温度处于25 ℃时，ASR速率降低明显，ASR产物碱硅酸凝胶数量在观测面上降低明显，宏观角度表现为试件膨胀率降低。

图2 不同温度条件下砂浆棒试件SEM图
Fig.2 SEM images of mortar bar specimens at different temperatures

图3 不同温度条件下玻璃粉砂浆棒试件SEM图
Fig.3 SEM images of glass powder mortar bar specimens at different temperatures

图3(a)～3(c)为掺量20%时掺玻璃粉试件28 d的SEM图，玻璃粉粒径为≤13 μm，养护温度分别为80 ℃、60 ℃、25 ℃通过观测对比图3(a)～3(c)可以发现，随着温度的降低，掺玻璃粉砂浆棒试件表面密实的C-S-H数量明显呈现增多趋势，推测这是由于玻璃粉火山灰活性受温度影响相对较小，当温度降低时，ASR速率受到的影响较大，而玻璃粉参与的火山灰反应速率受到的影响相对较弱。在养护温度为25 ℃条件下ASR速率降低明显，ASR对火山灰反应的抑制作用效果减弱。并且由于火山灰反应速率受到温度影响较小，在只降低温度的条件下，混凝土体系内部水化反应体系当中，火山灰反应速率反而有所提升，所以试件表面密实的C-S-H数量呈现增多趋势。对比图2(c)与图3(c)，当养护温度设置为25 ℃时，未掺玻璃粉试件表面水化产物多数为还未发育完全的碱硅酸凝胶，而掺入玻璃粉之后试件表面分布的水化产物多数为较为的密实结晶块状C-S-H。说明在25 ℃养护条件下，玻璃粉的火山灰反应在玻璃粉砂浆棒试件中占据主导地位，从而抑制ASR反应速率，减少碱硅酸凝胶的产生，降低试件膨胀率。