廢玻璃粉作為輔助膠凝材料對(duì)砂漿性能影響及作用機(jī)理

李 方，楊 健，李粒琿

(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；3.上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

玻璃制品在幕墻、門窗等產(chǎn)品中應(yīng)用越來越廣泛，但隨之也帶來廢棄物處理與回收問題。廢玻璃由于高熔點(diǎn)、易碎等特點(diǎn)，收運(yùn)、焚燒成本很高；另外廢玻璃無法在填埋中降解，部分還含有鋅、銅等重金屬元素，會(huì)污染土壤和地下水，破壞環(huán)境。根據(jù)聯(lián)合國調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全球固體廢垃圾中7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為廢玻璃[1]。歐洲國家2017年廢玻璃回收率平均為76%，最高達(dá)到了98%[2]。而根據(jù)我國國家商務(wù)部發(fā)布的《中國再生資源回收行業(yè)發(fā)展報(bào)告》[3]，2019年，中國廢玻璃產(chǎn)生量約為2 123萬t，而廢玻璃回收量約為860萬t，回收利用率僅為46.3%。廢玻璃回收率低主要因?yàn)槠浠厥针y度大,途徑少,經(jīng)濟(jì)效益低。所以如何將廢玻璃有效回收利用并創(chuàng)造價(jià)值是目前亟待解決的問題。

研究[4-6]結(jié)果表明,玻璃本身含有大量無定形的SiO2，以及Al2O3、Na2O、CaO等化學(xué)成分，具有潛在水硬性和火山灰活性，可以作為混凝土的原材料。廢玻璃可以分別替代粗骨料、細(xì)骨料、水泥[7-13]，通過對(duì)配合比、粒徑范圍和養(yǎng)護(hù)環(huán)境等條件的控制，可以制備出滿足使用要求、性能優(yōu)良的玻璃混凝土。但廢玻璃作為骨料摻入混凝土中，由于其含有較高含量的堿，容易引起堿硅酸反應(yīng)(alkali-silica reaction, ASR)危害[12,14]。然而，粒徑較細(xì)的廢玻璃粉作為輔助膠凝材料摻入混凝土中時(shí)，廢玻璃粉中含有的無定形SiO2與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2會(huì)發(fā)生火山灰反應(yīng)，反應(yīng)所生成的低鈣硅比的水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)不僅可以提高強(qiáng)度，還能有效抑制混凝土的ASR膨脹[15-18]。許多學(xué)者[19-23]研究表明，這種性能影響與廢玻璃粉粒徑存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，廢玻璃粉粒徑越細(xì)，火山灰活性越高，當(dāng)粒徑小于0.075 mm時(shí)，其對(duì)強(qiáng)度的提高、ASR膨脹的抑制達(dá)到最佳。

但廢玻璃粉在水泥基材料中的作用機(jī)理研究[24-26]目前主要集中在廢玻璃粉火山灰反應(yīng)物的鈣硅比、膨脹率等方面，研究技術(shù)一般采用熱重分析(TGA)、掃描電鏡及能譜分析(SEM-EDS)來探究反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與元素組成，還需進(jìn)一步探索廢玻璃粉在水泥水化孔溶液中溶解、反應(yīng)過程以及廢玻璃粉反應(yīng)產(chǎn)物的元素分析，從而更全面地分析其作用機(jī)理。本文采用等離子電感耦合(inductively coupled plasma, ICP)來測量各齡期的孔溶液中多種離子濃度，以反映體系水化過程中的化學(xué)變化，再結(jié)合SEM-EDS最終得到的反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與元素組成，形成完整的、多方面互相照應(yīng)的全過程分析。

本文研究了廢玻璃粉作為輔助膠凝材料對(duì)砂漿力學(xué)性能、ASR膨脹性能的影響及其作用機(jī)理，通過宏微觀相結(jié)合的試驗(yàn)方法，采用混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和快速砂漿棒等宏觀試驗(yàn)，利用ICP、TGA、SEM-EDS等微觀試驗(yàn)方法，多角度、多維度地分析玻璃對(duì)砂漿性能的影響與作用機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

采用的水泥為江蘇啟東新型建筑材料公司提供，型號(hào)P·O 42.5，化學(xué)成分見表1，粒徑分布曲線見圖1；玻璃為河南中玻玻璃有限公司生產(chǎn)，化學(xué)成分見表1；細(xì)骨料采用河砂，其分計(jì)篩余圖見圖2；NaOH購于天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司，純度≥98%；水為江蘇啟東本地自來水。

表1 原材料的化學(xué)成分

圖1 水泥顆粒粒徑分布曲線及顆粒累計(jì)曲線

圖2 河砂的分計(jì)篩余圖

1.2 再生玻璃處理

把收集的廢棄玻璃面板(如圖3(a)所示)先進(jìn)行清洗，再人工進(jìn)行破碎、篩分，得到如圖3(b)所示三種粒徑的廢玻璃粉。

圖3 廢玻璃破碎處理前后形態(tài)

1.3 試驗(yàn)方案

為了研究廢玻璃粉作為輔助膠凝材料對(duì)砂漿性能的影響，共設(shè)置了4組對(duì)比試驗(yàn)。GC1～GC3組為廢玻璃粉作輔助膠凝材料試驗(yàn)組，其中廢玻璃粉粒徑依次為0～0.075 mm、0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm，廢玻璃粉作為輔助膠凝材料的水泥替代率為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，OP組為普通砂漿對(duì)照組。4 組砂漿的配合比見表2。試驗(yàn)步驟為攪拌,澆筑,振搗,養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，拆模后的試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

表2 砂漿配合比

1.4 測試方法

砂漿流動(dòng)度根據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》(GB/T 2419—2005)進(jìn)行測試；砂漿抗壓強(qiáng)度根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)進(jìn)行成型及測試，試件尺寸為70 mm×70 mm×70 mm；砂漿膨脹率采用快速砂漿棒法測試，根據(jù)ASTM C1260進(jìn)行試樣制作、養(yǎng)護(hù)及測量，試件尺寸為25 mm×25 mm×285 mm。

后續(xù)機(jī)理分析試驗(yàn)取強(qiáng)度測試后的中心碎塊，浸泡于無水乙醇中終止水化，浸泡7 d后取出，然后在65 ℃下烘干24 h。用環(huán)氧樹脂將烘干后的碎塊浸漬，再使用金剛石研磨拋光可得到用于SEM-EDS觀測的試樣，試驗(yàn)設(shè)備采用的是美國NOVA NanoSEM 230低真空超高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡。而將烘干后的碎塊部分磨細(xì)成粉末狀，過0.08 mm的方孔篩，置于真空干燥器內(nèi)干燥，可用于TGA與ICP試驗(yàn)。TGA試驗(yàn)可直接使用該粉末，試驗(yàn)設(shè)備采用的是美國TGA 8000熱重分析儀，升溫范圍為20～900 ℃，升溫速率為10 ℃/min。而ICP試驗(yàn)則需先稱量5 g上述烘干研磨過篩后的粉末，溶解于50 mL去離子水，并連續(xù)攪拌30 min后靜置4 h，取上清液，測定前用2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸1∶10稀釋制樣檢測，試驗(yàn)設(shè)備采用的是新加坡Avio 500電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 性能影響

2.1.1 流動(dòng)性

圖4顯示了4組砂漿的流動(dòng)度。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻入廢玻璃粉的砂漿的流動(dòng)度都減小了，GC1、GC2、GC3組的流動(dòng)度相對(duì)于OP組分別下降了11.1%、5.0%、3.1%。由GC1～GC3組數(shù)據(jù)結(jié)果可得摻入廢玻璃粉粒徑與流動(dòng)度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)廢玻璃粉粒徑越細(xì)，流動(dòng)度越低，且都低于對(duì)照組。這主要是因?yàn)閺U玻璃粉粒徑越細(xì)，比表面積越大，拌和時(shí)需水量就越多，束縛了更多的自由水，所以隨著廢玻璃粉粒徑減小，砂漿流動(dòng)度逐漸降低。

圖4 砂漿流動(dòng)度

2.1.2 力學(xué)性能

圖5給出了4組砂漿在齡期為3 d、7 d、14 d、28 d的抗壓強(qiáng)度。從圖中可以看出，GC1組的抗壓強(qiáng)度相對(duì)OP組增強(qiáng)了5%～15%；GC2組的抗壓強(qiáng)度則與OP組相近，偏差在2%左右；GC3組的抗壓強(qiáng)度相對(duì)OP組降低了5%～8%。GC1～GC3組呈現(xiàn)出廢玻璃粉替代粒徑越細(xì)，砂漿抗壓強(qiáng)度越高的現(xiàn)象。GC1～GC3試驗(yàn)組與OP對(duì)照組相比，水膠比不變，實(shí)際水灰比增大，這會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度有不利影響[27]，也是GC2與GC3組抗壓強(qiáng)度降低的原因之一，而GC1組抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了增強(qiáng)效果，主要原因是該組廢玻璃粉粒徑最細(xì)，所起到的物理填充效應(yīng)最大，其火山灰活性也最大，能彌補(bǔ)由實(shí)際水灰比增加帶來的不利影響，甚至起到了增強(qiáng)作用[28-29]。而對(duì)比GC1～GC3三組，因?yàn)镚C3組廢玻璃粉粒徑最粗，也在砂的粒徑范圍之內(nèi)，故實(shí)際砂膠比大于GC1、GC2組，也導(dǎo)致了GC3組抗壓強(qiáng)度的進(jìn)一步降低[30]。本文后續(xù)也會(huì)通過其他試驗(yàn)來進(jìn)一步觀測和分析廢玻璃粉在水泥基材料中的火山灰反應(yīng)現(xiàn)象及其機(jī)理。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)齡期下砂漿抗壓強(qiáng)度

2.1.3 ASR膨脹

砂漿中水泥水化生成的OH-可能結(jié)合堿離子(Na+、K+)與無定形SiO2發(fā)生ASR，其反應(yīng)產(chǎn)物具有膨脹性。為探索廢玻璃粉摻入對(duì)砂漿ASR膨脹的影響，分別測量4組砂漿在齡期為3 d、7 d、14 d、28 d、56 d的膨脹率，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，快速砂漿棒法測量的膨脹率增長最快的時(shí)期是3～14 d，后期趨于平緩增長。隨著齡期的增加，各組砂漿膨脹率最終呈現(xiàn)出一定規(guī)律：GC1與GC2的膨脹率都小于OP組，其中GC1減小得更多；GC3的膨脹率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GC1、GC2與OP組。在56 d時(shí)，GC1、GC2組膨脹率相對(duì)于OP組分別降低了20.2%、8.4%，而GC3組的膨脹率則相對(duì)于OP組增長了39.7%。說明當(dāng)廢玻璃粉粒徑為0.15～0.3 mm時(shí)，ASR膨脹加重；而廢玻璃粉粒徑較細(xì)，尤其是粒徑為0～0.075 mm時(shí)，有減小ASR膨脹的效果。總結(jié)可以得到，廢玻璃粉替代粒徑越細(xì)，砂漿膨脹率越小，當(dāng)廢玻璃粉粒徑小于0.15 mm時(shí)可以起到減小ASR膨脹的作用。究其原因，主要是廢玻璃粉的粒徑越細(xì)，火山灰活性越強(qiáng)，水泥水化產(chǎn)生的大量Ca(OH)2先與從廢玻璃粉上溶解的SiO2發(fā)生火山灰反應(yīng)，體系堿性減小，而堿是ASR重要的反應(yīng)物之一，故砂漿堿性的減小使得ASR被抑制，膨脹減小[31]。而廢玻璃粉粒徑較粗時(shí)，其火山灰活性弱，且廢玻璃粉含有大量活性SiO2，可被認(rèn)為是具有堿活性的骨料[12]，使ASR增強(qiáng)，則砂漿膨脹率增加，最終導(dǎo)致膨脹破壞。而且廢玻璃粉的高堿含量使ASR增強(qiáng)，則膨脹增加。后文將通過多種微觀試驗(yàn)繼續(xù)研究廢玻璃粉作輔助膠凝材料,體系中火山灰反應(yīng)與ASR相互抑制作用及反應(yīng)過程。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)齡期下砂漿膨脹率

綜上所述，廢玻璃粉作為輔助膠凝材料摻入砂漿，其替代粒徑越細(xì)，對(duì)砂漿的性能提升越大，可在一定程度上提高砂漿抗壓強(qiáng)度，減小ASR膨脹。

2.2 作用機(jī)理

當(dāng)廢玻璃粉摻入混凝土中，水泥和廢玻璃粉中的堿與廢玻璃粉中含有的大量活性SiO2之間容易發(fā)生ASR，如式(1)所示，但廢玻璃粉同時(shí)又具有一定的火山灰活性，有可能發(fā)生火山灰反應(yīng)，如式(2)所示。

(1)

(2)

這兩種反應(yīng)有相互抑制的作用[16]，如果廢玻璃粉的火山灰活性所起的積極作用可抑制住因廢玻璃粉中高堿含量可能發(fā)生的ASR，則廢玻璃回收利用具有意義。故研究廢玻璃粉作輔助膠凝材料替代水泥時(shí)這兩種反應(yīng)的作用機(jī)理，未來可根據(jù)其作用機(jī)理來采取措施激發(fā)火山灰反應(yīng)，抑制ASR，使廢玻璃回收利用達(dá)到較好效益。

體系反應(yīng)開始，廢玻璃粉的活性較低，廢玻璃粉中含有的SiO2、CaO、Na2O等成分溶解不明顯，主要發(fā)生水泥的水化反應(yīng)。后期SiO2、CaO、Na2O等成分從廢玻璃粉中溶解，分別參與火山灰反應(yīng)與ASR。為了探究各時(shí)期所發(fā)生的反應(yīng)類型及反應(yīng)程度，采用固液萃取法[32]提取相應(yīng)齡期的水化試樣孔溶液，即利用各齡期終止水化并烘干研磨過篩得到的細(xì)粉，將其與去離子水融合，充分?jǐn)嚢韬箪o置，取上清液作為孔溶液，利用ICP儀器分別測試該溶液中的Ca、Si、Na、K等元素含量，測試結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，在體系反應(yīng)早期(3～14 d)，GC1～GC3組相比于OP組Ca含量增加，這一時(shí)期孔溶液中Ca(OH)2已經(jīng)飽和，Damidot等[33]和但健明等[34]指出水泥水化反應(yīng)是沉淀溶解平衡的過程，當(dāng)體系中的Ca(OH)2飽和時(shí)，Ca含量由Ca(OH)2溶度積和孔溶液堿性綜合決定。GC1～GC3組采用廢玻璃粉作輔助膠凝材料，則實(shí)際砂漿中水泥含量減少，水化生成的堿含量減少，由溶度積與離子濃度關(guān)系可得，GC1～GC3組的Ca含量多于OP組，鄒品玉[35]也得出同樣的結(jié)論。反應(yīng)后期(14～28 d)，GC1～GC3組均有Si含量增加，Ca含量減小，Na含量急劇增加的變化趨勢，其中GC1組是元素含量變化最明顯、反應(yīng)最劇烈的一組，GC2和GC3組則變化幅度不大。說明反應(yīng)后期，體系堿性增強(qiáng)，促使廢玻璃粉中Si及Na等的溶解與解聚，溶解的Si在孔溶液中與Ca發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗孔溶液中的Ca(OH)2，且廢玻璃粉粒徑越細(xì)，火山灰反應(yīng)越強(qiáng)烈。

圖7 孔溶液離子含量

將ICP試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，用Ca/Si(質(zhì)量比，下同)來間接反映水泥水化反應(yīng)及廢玻璃粉火山灰反應(yīng)情況；用(Na+K)/Si(質(zhì)量比，下同)來反映體系堿離子相對(duì)含量，從而判斷ASR情況，結(jié)果如圖8所示。圖8(a)表明Ca/Si隨著齡期的推移，是逐漸下降的，但明顯可見摻入廢玻璃粉的GC1～GC3組起始時(shí)的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OP組起始值，前者約為后者的6倍，主要是因?yàn)镚C1～GC3組實(shí)際水泥少于OP組，水泥水化含量更少，體系堿性更弱，后續(xù)過程中，GC1～GC3組的Ca/Si比值隨齡期下降速率比OP組大，其中GC1組下降速率最為顯著，最終，在28 d時(shí)，GC1的比值接近但略大于OP組，GC2和GC3組的比值仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OP組。GC1組廢玻璃粒徑細(xì)，火山灰活性最強(qiáng)，而Ca/Si比值下降迅速說明廢玻璃粉溶解的SiO2更易與孔溶液中的Ca發(fā)生火山灰反應(yīng)[36-37]。

圖8 孔溶液離子含量比值

從圖8(b)可以看出所有組別的(Na+K)/Si比值隨齡期推進(jìn)幾乎都呈先增后減的規(guī)律。從數(shù)值上看，摻入廢玻璃粉的GC1～GC3組起始時(shí)的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OP組起始值，前者約為后者的5倍，是因?yàn)閺U玻璃粉中的堿離子在水化環(huán)境中開始溶解，增大了孔溶液中堿離子濃度。最終，在28 d時(shí)，GC1組的比值接近但略大于OP組，GC2和GC3組的比值仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于OP組。需要格外注意的一點(diǎn)是，GC3組在反應(yīng)后期出現(xiàn)了(Na+K)/Si比值上升的現(xiàn)象，這與圖6中GC3組表現(xiàn)出ASR膨脹率大的現(xiàn)象一致，說明GC3組中Na、K含量高，發(fā)生較強(qiáng)的ASR。而GC1與GC2組的(Na+K)/Si比值下降是因?yàn)榱捷^細(xì)的廢玻璃粉發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成低Ca/Si的反應(yīng)產(chǎn)物，該產(chǎn)物內(nèi)部電荷不平衡，會(huì)吸收堿離子[38-39]。而從另一角度看，堿離子的被吸收正好減弱了ASR。

由試驗(yàn)結(jié)果可得，粒徑較細(xì)的廢玻璃粉作輔助膠凝材料摻入砂漿中，后期發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗孔溶液中的Ca2+、OH-，與活性SiO2反應(yīng)。為探究體系反應(yīng)物變化，對(duì)OP與GC1組的7 d、28 d試樣進(jìn)行熱重分析，試樣隨溫度變化產(chǎn)生的質(zhì)量變化及其微分曲線如圖9所示。對(duì)圖9的TG-DTG曲線進(jìn)行碳化校正計(jì)算[40]可得，OP 7 d、OP 28 d、GC1 7 d與GC1 28 d的Ca(OH)2含量分別為15.27%、16.39%、12.44%、15.38%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。可知，廢玻璃粉的摻入確實(shí)會(huì)減少Ca(OH)2的含量。原因主要有兩點(diǎn)：一是實(shí)際水泥摻量的減少；二是玻璃火山灰反應(yīng)消耗Ca(OH)2生成C-S-H。這也在一定程度上印證了上文的分析，用于發(fā)生ASR的OH-相對(duì)減少，可一定程度上抑制ASR的發(fā)生[36-37]。

圖9 砂漿TG-DTG曲線

從式(2)可知，火山灰反應(yīng)的產(chǎn)物也是C-S-H，為了觀察反應(yīng)產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成，進(jìn)行了SEM-EDS觀察。圖10顯示了廢玻璃粉附近的微觀結(jié)構(gòu)特征，并給出了廢玻璃粉附近的EDS線掃Si、Na、Ca元素的分布圖。可以清晰看到廢玻璃粉外表面出現(xiàn)反應(yīng)環(huán)，結(jié)合元素分布圖，可分析得到廢玻璃粉與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生了反應(yīng)。廢玻璃粉會(huì)釋放部分Na進(jìn)入孔隙溶液，并消耗Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H。廢玻璃粉周圍形成了低Ca、高Si、高Na的反應(yīng)環(huán)，與文獻(xiàn)[41]報(bào)道現(xiàn)象是一致的,這是廢玻璃粉中的SiO2溶解后與孔溶液中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)的生成物，且可看出廢玻璃粉反應(yīng)生成物比水泥水化生成物更密實(shí)。

圖10 砂漿GC1 28 d玻璃顆粒附近微觀結(jié)構(gòu)及能譜線掃描

在該微觀結(jié)構(gòu)區(qū)域可分未反應(yīng)玻璃(unreacted GP)、反應(yīng)環(huán)(rim)、外部C-S-H(outer C-S-H)三個(gè)部分，采用三個(gè)部分點(diǎn)掃得到的數(shù)據(jù)分別作散點(diǎn)圖及置信區(qū)間，如圖11所示。統(tǒng)計(jì)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的Ca/Si、Na/Si平均值分別為0.352 3、0.185 6，作對(duì)應(yīng)的參考線于上圖。根據(jù)文獻(xiàn)[42]報(bào)道，一般水泥水化產(chǎn)物的元素摩爾比Ca/Si約為1.77。從圖11中可知，反應(yīng)環(huán)處的Ca/Si在平均數(shù)據(jù)附近，比未反應(yīng)玻璃處的大，比外部C-S-H處的小，且比一般水泥水化C-S-H的小，這說明有水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2在玻璃附近發(fā)生反應(yīng)；而反應(yīng)環(huán)與外部C-S-H兩部分的Na/Si都小于未反應(yīng)玻璃部分的，說明玻璃中的Na會(huì)溶解擴(kuò)散出去，并被吸收到反應(yīng)物中。在反應(yīng)環(huán)中Na/Si與Ca/Si的相關(guān)性較大，靠近未反應(yīng)玻璃處的反應(yīng)環(huán)處生成物Ca/Si小，Na/Si大，說明廢玻璃粉火山灰反應(yīng)生成物Ca/Si小，但由于內(nèi)部電荷不平衡，會(huì)吸收Na，導(dǎo)致Na/Si變大。玻璃處的低Ca/Si的C-S-H不僅可以吸收Na來抑制ASR，而且低Ca/Si的C-S-H具有更致密的結(jié)構(gòu)[43]，有利于降低微觀結(jié)構(gòu)的孔隙率，減少水的滲透，抵抗ASR凝膠吸水膨脹時(shí)產(chǎn)生的膨脹壓，從而使ASR膨脹率減小。

圖11 玻璃顆粒及附近區(qū)域點(diǎn)掃云圖

結(jié)合ICP、TGA與SEM-EDS分析結(jié)果，推斷廢玻璃粉作為輔助膠凝材料在水泥基材料中的作用機(jī)理：(1)廢玻璃粉溶解的SiO2更易與孔溶液中的Ca2+、OH-發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成了膨脹率低的低Ca/Si的C-S-H；(2)低Ca/Si的C-S-H由于電荷不平衡，吸收孔溶液中Na+、K+，從而減少用于發(fā)生ASR的反應(yīng)物含量；(3)廢玻璃粉火山灰反應(yīng)產(chǎn)物更密實(shí)，有利于降低孔隙率，減少水的滲透，抵抗膨脹壓。

3 結(jié) 論

本文分別采用不同粒徑廢玻璃粉作為輔助膠凝材料替代15%水泥摻入砂漿，通過流動(dòng)度、力學(xué)性能、ASR膨脹率等宏觀試驗(yàn)研究廢玻璃粉對(duì)砂漿性能影響；通過ICP、TGA試驗(yàn)觀察反應(yīng)過程中孔溶液離子濃度變化、反應(yīng)產(chǎn)物含量變化，通過SEM-EDS試驗(yàn)觀察反應(yīng)產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)及元素分布，分析廢玻璃粉的反應(yīng)機(jī)理，得到以下三點(diǎn)結(jié)論：

(1)廢玻璃粉的摻入會(huì)減小砂漿的流動(dòng)度，且廢玻璃粉粒徑越細(xì)，對(duì)砂漿流動(dòng)度的降低作用越顯著；在力學(xué)性能方面，摻入廢玻璃粉的同時(shí)砂漿的水泥含量減少了，實(shí)際水灰比增加，對(duì)抗壓強(qiáng)度有不利影響，當(dāng)玻璃粉粒徑較粗(0.15～0.3 mm)時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度降低了5%～8%，而當(dāng)粒徑較細(xì)(0～0.075 mm)時(shí)，由于其火山灰活性的增強(qiáng)，28 d抗壓強(qiáng)度可提高5%～15%。

(2)廢玻璃粉粒徑越細(xì)，對(duì)ASR膨脹的抑制作用越強(qiáng)。粒徑為0～0.075 mm、0.075～0.15 mm的膨脹率分別降低了20.2%、8.4%；而當(dāng)玻璃粉粒徑較粗時(shí)，可作為堿骨料發(fā)生ASR，反而加劇了ASR膨脹破壞，0.15～0.3 mm的膨脹率增加了39.7%。

(3)廢玻璃粉粒徑越細(xì)，火山灰活性越強(qiáng)，可發(fā)生火山灰反應(yīng)增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度并抑制ASR膨脹；而粒徑粗的廢玻璃粉，堿骨料活性高，易發(fā)生ASR。粒徑細(xì)(0～0.075 mm)的廢玻璃粉發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗Ca(OH)2，生成低Ca/Si(0.13～0.62)的C-S-H。一方面，低Ca/Si的C-S-H內(nèi)部電荷不平衡，會(huì)吸收堿離子(Na+),而孔溶液中堿度也因火山灰反應(yīng)降低，則ASR會(huì)因反應(yīng)物含量降低而被抑制；另一方面，廢玻璃粉反應(yīng)生成的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物密實(shí)，有利于降低孔隙率，減少水的滲透，抵抗膨脹壓，使砂漿抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)，膨脹率降低。