基于硫酸盐干湿循环下掺玻璃粉混凝土的耐久性分析_汪金满.pdf

第4 1卷 第3期V o l.4 1 N o.3材 料 科 学 与 工 程 学 报J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&E n g i n e e r i n g总第2 0 3期J u n.2 0 2 3文章编号:1 6 7 3-2 8 1 2(2 0 2 3)0 3-0 4 8 1-0 8基于硫酸盐干湿循环下掺玻璃粉混凝土的耐久性分析汪金满1,王 鑫2,吴多明1,石旭东1(1.甘肃省第五建设集团有限责任公司,甘肃 天水7 4 1 0 0 0;2.天水师范学院 土木工程学院,甘肃 天水7 4 1 0 0 1)【摘 要】为研究掺玻璃粉及硅灰对混凝土耐久性的影响,设计硫酸盐干湿循环试验,通过耐腐蚀系数、相对动弹性模量评价参数及相对质量评价参数,对比分析不同掺量玻璃粉及硅灰对混凝土耐久性能的影响。利用X射线衍射(X R D)检测、扫描电子显微镜(S E M)观察及能量色散X射线能谱(E D S)分析,对比研究基准组试件及掺玻璃粉试件经标准养护至不同龄期时水化产物的异同,深入探究硫酸盐干湿循环环境下玻璃粉对混凝土破坏机理的影响。并对新拌混凝土进行坍落度与扩展度试验,以此分析玻璃粉与硅灰对混凝土和易性的影响。结果表明:玻璃粉与硅灰复掺对混凝土耐久性能起优化作用,其中玻璃粉掺量不宜超过1 0%,适量范围内硅灰掺量越大越好;标准养护至5 6d及1 2 0d时,掺玻璃粉及硅灰试件相比于基准组试件水化产物中S i O2含量较高;掺玻璃粉及硅灰时,混凝土经硫酸盐干湿循环破坏后的生成物主要为棒状石膏,且存在大量硫酸钠晶体;玻璃粉复掺硅灰对混凝土和易性起优化作用。【关键词】玻璃粉;硅灰;混凝土耐久性;X射线衍射;扫描电镜中图分类号:TU 5 2 8.5 7 文献标志码:AD O I:1 0.1 4 1 3 6/j.c n k i.i s s n 1 6 7 3-2 8 1 2.2 0 2 3.0 3.0 2 3收稿日期:2 0 2 1-0 8-2 9;修订日期:2 0 2 1-1 2-1 4基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 0 6 8 0 6 3);甘肃省科技计划资助项目(2 1 J R 1 R E 2 8 6);甘肃省住房和城乡建设厅科研资助项目(J K 2 0 1 9-1 1);甘肃省高等学校创新基金资助项目(2 0 2 0 B-1 7 3)作者简介:汪金满(1 9 7 8),男,甘肃陇西人,高级工程师,主要研究方向:建筑施工技术。E-m a i l:7 9 1 5 8 6 7 9 9q q.c o m。通信作者:王 鑫(1 9 7 1),女,汉族,陕西蓝田人,副教授,博士,主要从事结构健康监测研究。D u r a b i l i t yA n a l y s i so fC o n c r e t eM i x e dw i t hG l a s sP o w d e ru n d e rD r y-w e tC y c l eB a s e do nS u l f a t eWA N GJ i n m a n1,WA N GX i n2,WUD u o m i n g1,S H IX u d o n g1(1.G a n s uP r o v i n c eF i f t hC o n s t r u c t i o nG r o u pC o.,L t d,T i a n s h u i 7 4 1 0 0 0,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,T i a n s h u iN o r m a lU n i v e r s i t y,T i a n s h u i 7 4 1 0 0 1,C h i n a)【A b s t r a c t】I no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to fg l a s sp o w d e rm i x e dw i t hs i l i c af u m eo nt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e,t h ed r y-w e tc y c l i ct e s to fs u l f a t ew a sd e s i g n e d.C o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n tc o n t e n t so fg l a s sp o w d e ra n ds i l i c a f u m eo nt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t ew a ss t u d i e d.T h r o u g hX R D,S EMa n dE D Sa n a l y s i s,t h ed i f f e r e n c e sa n ds i m i l a r i t i e so fh y d r a t i o np r o d u c t sb e t w e e nr e f e r e n c eg r o u ps p e c i m e n sa n dg l a s sp o w d e r-d o p e ds p e c i m e n sw e r ec o m p a r e d.T h ee f f e c to fg l a s sp o w d e ro nt h ef a i l u r em e c h a n i s m o fc o n c r e t ei nt h ed r y-w e ts u l f a t ec y c l i n ge n v i r o n m e n tw a s i n v e s t i g a t e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h em i x t u r eo f g l a s sp o w d e r a n ds i l i c a f u m ec a no p t i m i z e t h ed u r a b i l i t yo f c o n c r e t e.T h e c o n t e n t o f g l a s sp o w d e r s h o u l dn o t e x c e e d1 0%,a n d t h em o r e s i l i c af u m e t h eb e t t e r.A t5 6 da n d1 2 0 da f t e rs t a n d a r dc u r i n g,t h ec o n t e n to fS i O2i nh y d r a t e dp r o d u c t so fg l a s sp o w d e ra n ds i l i c af u m ew a sh i g h e rt h a nt h a to ft h er e f e r e n c eg r o u p.Wh e ng l a s sp o w d e ra n ds i l i c af u m ea r ea d d e d,t h em a i np r o d u c t so f c o n c r e t ea f t e r t h ed r y-w e t c y c l eo f s u l f a t ea r e r o d-s h a p e dg y p s u m,a n dt h e r ea r eal o to f s o d i u ms u l f a t ec r y s t a l s.【K e yw o r d s】G l a s sp o w d e r;S i l i c a f u m e;D u r a b i l i t y;X-r a yd i f f r a c t i o n;s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e1 前 言 玻璃作为重要建筑材料,不仅可以制作各式各样的装饰品及陈列品,更是现代建筑装饰不可或缺的材料。然而废弃玻璃的处理却成了社会性难题,大量废弃玻璃丢弃在垃圾场形成“闪色污染”1。研究2-3表明欧洲多国早已开展废玻璃的回收利用研究,且利用率高达7 0%左右,而我国对废弃玻璃的利用率仅有2 5%3 0%。近年来水泥用量持续增长,研究者们4-6对水泥进行了大量研究,但仍未找到有效节约水泥的方法。因此若能以玻璃粉代替部分水泥用以制备混凝土,不仅可为回收利用废弃玻璃提供新的途径,更能降低水泥用量。万里等7从工作性能、强度以及干燥收缩等方面对掺不同比例玻璃粉的混凝土进行了研究,结果表明,玻璃粉对混凝土工作性能有所改善,并可减小混凝土的干燥收缩,但对于混凝土强度有不利影响。黄炎林等8就玻璃粉代替部分细骨料后混凝土的坍落度、抗压强度以及劈裂拉伸强度等进行了研究,结果表明,玻璃粉代替部分细骨料后对混凝土坍落度及强度有不利影响。张文星等9就玻璃粉与玻璃砂共同掺加制备的混凝土力学性能进行了研究,结果表明,掺加玻璃粉与玻璃砂制备的混凝土密实度增强、强度提高。柯国军等1 0对1.5m与2.0m落锤高度的掺玻璃粉混凝土动态力学性能进行了研究,并提出了表征掺玻璃粉混凝土动态损伤本构方程,研究结果表明,混凝土抗压强度随玻璃粉掺量的增大而降低。严桂凤等1 1以玻璃粉替代水泥胶砂及混凝土中部分胶凝材料制备相应试件,并从不同水灰比及不同玻璃粉掺量角度对相应水泥胶砂与混凝土强度进行了研究,结果表明,玻璃粉对水泥胶砂与混凝土的流动性以及强度等影响较小。文献1 2-1 3 亦是对玻璃粉取代部分水泥后的混凝土力学性能以及微观结构进行了相应研究,结果表明,玻璃粉的掺加对混凝土力学性能有一定的提升作用。F o u a d等1 4将玻璃粉以2 0%或3 0%的替代率代替部分水泥,对混凝土显微组织与湿热性能进行了研究,结果表明,新拌和状态下混凝土稠度分别提高4 1%和5 5%,硬化状态下玻璃粉的掺加增加了孔隙率。截至目前,国内外学者对废弃玻璃运用于混凝土的相关研究主要集中在玻璃代替部分原材料后对混凝土的力学性能与显微结构的影响,而对于玻璃粉复掺矿物掺合料后混凝土耐久性能的影响研究鲜有报道。基于此,本研究设计了硫酸盐干湿循环试验,通过耐腐蚀系数、相对动弹性模量评价参数及相对质量评价参数,分析不同掺量玻璃粉及硅灰复掺对混凝土耐久性能的影响。利用X R D(X射线衍射分析)、S EM(扫描电子显微镜)及E D S(能量弥散X射线谱)检测,分析标准养护下玻璃粉复掺硅灰是否影响混凝土正常水化,且深入探究复掺玻璃粉及硅灰混凝土受硫酸盐干湿循环侵蚀破坏的机理。并以坍落度与扩展度试验分析玻璃粉与硅灰复掺对混凝土和易性的影响,进而为废弃玻璃回收利用混凝土能否应用于实际工程提供技术支撑。2 实 验2.1 原材料 此次试验所需水泥为PO4 2.5普通硅酸盐水泥,其性能指标及化学成分如表1及表2所示。所需粗细骨料皆由当地搅拌站提供,质量符合J G J5 2-2 0 0 6 普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准。试验所用硅灰各项性能指标如表3所示。所用玻璃粉为废弃啤酒瓶玻璃细磨成粉所得,化学成分如表4所示。混凝土搅拌用水为试验室自来水,质量符合J G J 6 3-2 0 0 6 混凝土用水标准。表1 PO4 2.5普通硅酸盐水泥各项性能指标T a b l e1 P e r f o r m a n c e i n d e x e so fPO4 2.5o r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n tS e t t i n gt i m e/m i nI n i t i a lF i n a lS t a b i l i t yC o m p r e s s i v es t r e n g t h/MP aF l e x u r a l s t r e n g t h/MP a3d2 8d3d2 8d1 7 52 6 7Q u a l i f i e d2 1.34 3.63.37.2 4表2 PO4 2.5普通硅酸盐水泥化学成分T a b l e2 C h e m i c a l c o m p o s i t i o no fPO4 2.5o r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n t%L o s so n i g n i t i o nS i O2A l2O3F e2O3C a OM g OS O3C3AC3S3.9 12 6.3 79.6 34.3 55 0.0 81.7 22.8 2-2.2 配合比设计 在实际工程中,硫酸盐与干湿循环耦合时对混凝土结构的损害作用十分显著。因此设计1 0%、2 0%及3 0%三种掺量玻璃粉和6%及9%两种掺量硅灰,以玻璃粉复掺硅灰等量替代部分水泥用量来设计配合比,以此成型混凝土试块并进行抗硫酸盐干湿循环试验,284材料科学与工程学报2 0 2 3年6月 表3 硅灰各项性能指标T a b l e3 P e r f o r m a n c e i n d e x e so f s i l i c a f u m eT e s t i t e mA c t i v i t yI n d e x3d7d2 8dW a t e rd e m a n dr a t i o/%M o i s t u r ec o n t e n t/%A l k a l ic o n t e n t/%C l-/%L o s so ni g n i t i o n/%S i O2c o n t e n t/%T e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n9 09 51 1 51 2 53.0/0.1 06.08 5M e a s u r e dv a l u e9 19 71 1 61 1 80.0 31.6 50.0 1 61.6 48 6.1 5表4 玻璃粉化学成分T a b l e4 C h e m i c a l c o m p o s i t i o no f g l a s sp o w d e r%S i O2A l2O3C a ON a OK2OF e2O3M g OS O3T i O2M n OF i n e n e s s(m e s h)7 1.1 72.8 41 0.4 31 0.1 31.3 61.5 61.1 40.1 30.0 50.0 44 0 0表5 混凝土配合比设计T a b l e5 C o n c r e t em i xp r o p o r t i o nS p e c i m e nn u m b e rC e m e n tc o n s u m p t i o nC o n t e n to fg l a s sp o w d e r/%C o n t e n to fS i l i c a f u m e/%W a t e rC o a r s ea g g r e g a t e3 1.51 6.5F i n ea g g r e g a t eJ 03 8 0001 6 52 7 8.2 56 4 9.2 59 2 7.5B 6 1 03 1 9.21 061 6 52 7 8.2 56 4 9.2 59 2 7.5B 6 2 02 8 1.22 061 6 52 7 8.2 56 4 9.2 59 2 7.5B 6 3 02 4 3.23 061 6 52 7 8.2 56 4 9.2 59 2 7.5B 9 1 03 0 7.81 091 6 52 7 8.2 56 4 9.2 59 2 7.5B 9 2 02 6 9.82 091 6 52 7 8.2 56 4 9.2 59 2 7.5B 9 3 02 3 1.83 091 6 52 7 8.2 56 4 9.2 59 2 7.5设计配合比如表5所示。2.3 试验方法2.3.1 坍落度与扩展度检测 试验前用水将坍落度筒与底板浸湿,且不能存在明水。利用双轨搅拌机拌合混凝土,将拌合好的混凝土分三层装入坍落度筒,每层装好之后利用捣棒从边缘至中心进行2 5次捣插。待坍落度筒装满后利用直尺刮平,且清理桶底边缘混凝土。随即垂直提起坍落度筒(保证提起过程中混凝土不受横向力),完成以上操作后进行数据测量。然后将混凝土装入被水浸湿(不存在明水)后的容量筒中进行密封,3 0m i n后再重复以上操作,再次进行坍落度与扩展度测量。2.3.2 混凝土硫酸盐干湿循环试验及耐腐蚀参数测定 根 据 表5配 比 成 型1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0mm混凝土立方体试块,每种配合比成型1 4组试块,每组3块(其中1 3组用来测抗压强度耐腐蚀系数,1组用以测试块质量与超声波波速),每组检测结果取3块试件测试结果的平均值。将试块标准养护至2 8d后,擦干表面水分,置于8 0烘箱中进行干燥处理。待试块冷却后将其浸泡在预先配制好的5%N a2S O4溶液中。浸泡时间为1 6h,浸泡完成后取出试件,擦干表面水分后,将其置于8 0烘箱中烘6h,烘干完成后用电风扇冷却2h,这样即完成一次循环,用时为2 4h。紧接着重复进行下一循环操作。由于浸泡初期试件中会渗出较多物质,使溶液的p H值出现较大波动,所以每1 5次循环后需测定一次溶液的p H值,并使溶液的p H值保持在68之间。其中一组试件在每完成7次循环后,即测定试块的质量和超声波波速。超声波波速是利用HC-F 6 0 0混凝土裂缝缺陷综合测试仪测定,质量则利用精度为0.0 1g的电子天平测量。最后以超声波波速和质量来计算试件相对动弹性模量评价参数及相对质量评价参数。其余1 3组试块在每完成1 5次循环后,即测定试块的抗压强度,为了进行比较,同时测定同龄期标准养护试件(J 0)的抗压强度,最后通过上述数据计算混凝土的耐腐蚀系数。根据式(1)计算混凝土耐腐蚀系数Kf,根据式(2)、(3)及(4)、(5)分别计算混凝土相对质量评价参数1及相对动弹性模量评价参数2。Kf=fc nfc C1 0 0%(1)式中:Kf为混凝土抗压强度耐腐蚀系数(%),fc n为经N次硫酸盐干湿循环后试件的抗压强度(MP a),fc C为与经硫酸盐干湿循环侵蚀时间相同龄期标准养护的对照组试件J0的抗压强度(MP a)。W r=WnW01 0 0%(2)1=W r1 0 0-9 55(3)式中:W r为相对质量(%),Wn为不同试验周期混凝土质量(g),W0为混凝土初始质量(g)。E r=V2tV201 0 0%(4)384第4 1卷第3期汪金满,等.基于硫酸盐干湿循环下掺玻璃粉混凝土的耐久性分析2=E r1 0 0-6 04 0(5)式中:E r为相对动弹性模量(%),V2t为循环一定次数后混凝土超声声速值(k m/s),V20为混凝土初始超声声速值(k m/s)。不断重复上述试验及数据测定,直至满足以下条件时,该项测试即可停止:抗压强度耐腐蚀系数Kf7 5%;相对质量评价参数10;相对动弹性模量评价参数20。2.3.3 扫描电镜观察及X射线衍射分析 硫酸盐干湿循环试验结束后取J 0组及B 6 3 0组(验证玻璃粉掺量较大时是否影响胶凝材料正常水化)试块35mm薄片,利用荷兰F E I生产的S i r i o n场发射扫描电镜进行S EM表征。标准养护至5 6d及1 2 0d龄期时,选取J 0组及B 6 3 0组(探究玻璃粉掺量较大时硫酸盐干湿循环破坏机理)试块利用D R B-H 5型混凝土粉样分层研磨机取粉。取粉时为避免粉末颗粒较大,磨轮磨削量控制在1mm以内,通过手动控制螺丝杆使磨轮左右运动,进而从不同方位进行打磨取粉。对收集的粉末利用D 8-A D VAN C E D型X射线衍射仪进行X R D检测。3 实验结果与分析3.1 混凝土和易性分析 对新拌混凝土进行坍落度与扩展度检测,进而研究玻璃粉与硅灰对混凝土工作性能的影响,结果如图1所示。图1 新拌混凝土的坍落度与扩展度:(a)坍落度;(b)扩展度F i g.1 S l u m pa n de x p a n s i o no f f r e s hc o n c r e t e:(a)s l u m p;(b)e x t e n s i b i l i t y 由图1可见,玻璃粉复掺硅灰时混凝土坍落度与扩展度均增大,因此玻璃粉与硅灰的掺加对混凝土工作性能起优化作用。但是当玻璃粉掺量一定时,坍落度与扩展度随着硅灰掺量的增大而减小;硅灰掺量一定时,坍落度与扩展度随着玻璃粉掺量的增大而增大(试件编号中6与9表示硅灰掺量,1 0、2 0与3 0表示玻璃粉掺量,如B 6 1 0表示硅灰掺量为6%、玻璃粉掺量为1 0%的试件)。究其原因主要与玻璃粉和硅灰的物理性质有关,硅灰颗粒细小,因此较等量的水泥而言其吸水表面积增大,此外硅灰颗粒之间会出现团聚现象,部分自由水包裹在团聚颗粒之间使得混凝土内部自由水减少;而玻璃粉表面较光滑,吸水性不强,且玻璃粉的掺加起到一定的滚珠效应,所以坍落度与扩展度随着玻璃粉掺量的增大而增大。3.2 硫酸盐干湿循环试验结果分析 每种配合比混凝土耐腐蚀系数随循环次数而变化的规律如图2(a)所示。不同配比混凝土相对质量评价参数1及相对动弹性模量2随试验循环次数变化规律如图2(b)、(c)所示。为更加明确知晓不同指标随干湿循环次数的变化规律,将部分数据列于表6、表7以及表8,进而结合图2对试验结果进行分析。从图2(a)可看出,在硫酸盐干湿循环初期,任一配合比混凝土抗压强度耐腐蚀系数均比对照组J 0增大,在循环1 5d时耐腐蚀系数达到最大值,均超过1 0 0%。究其原因,主要是试验循环初期由于硫酸盐溶液浸泡作用,大量盐溶液渗入混凝土细小孔隙,而“干”时,这些小孔隙中的溶液水分又会被蒸发而留下大量盐固体颗粒。多次干湿循环之后,试块内部大部分细小孔隙被硫酸盐固体颗粒填充,此外,由于“干”处理时试块所受温度为8 0,故而使得胶凝材料的水化与二氧化硅火山灰效应速度加快,进而加快了C-S-H凝胶填充孔隙的速度。并且试验初期由于硫酸盐溶液的侵蚀作用,更细小孔隙中有硫酸钠晶体的析出,且在这些孔隙中存在硫酸盐溶液与水泥水化产物生成的膨胀型物质,使得混凝土内部更为细小孔隙因硫酸盐溶液的侵蚀而得到有效填充。因此,在试验初期,受硫酸盐干湿循环侵蚀试件的抗压强度增长速度大于同龄期标准养护试件抗压强度。1 5d试验循环之后,试块耐腐蚀484材料科学与工程学报2 0 2 3年6月 图2 混凝土耐腐蚀性各项指标随试验循环次数的变化:(a)耐腐蚀系数;(b)相对质量评价参数;(c)相对动弹性模量评价参数F i g.2 V a r i a t i o n l a wo fd i f f e r e n t i n d e x e sw i t ht e s t c y c l e t i m e s:(a)c o r r o s i o nr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t;(b)r e l a t i v eq u a l i t ye v a l u a t i o np a r a m e t e r s;(c)e v a l u a t i o np a r a m e t e r so f r e l a t i v ed y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s表6 抗压强度耐腐蚀系数(Kf)部分数据T a b l e6 C o m p r e s s i o ns t r e n g t hc o r r o s i o nr e s i s t a n t s y s t e m(K f)p a r t i a l d a t aJ 0B 6 1 0B 6 2 0B 6 3 0B 9 1 0B 9 2 0B 9 3 06 0d8 3.78 0.97 7.16 9.59 1.88 0.17 4.27 5d7 8.46 9.17 1.3-8 0.67 4.5-9 0d6 6.1-7 2.4-表7 相对质量评价参数(1)部分数据T a b l e7 R e l a t i v eq u a l i t ye v a l u a t i o np a r a m e t e r(1)p a r t i a l d a t aJ 0B 6 1 0B 6 2 0B 6 3 0B 9 1 0B 9 2 0B 9 3 06 3d0.3 8 20.2 5 60.0 5-0.2 0 20.3 7 60.2 5 8-0.0 4 27 0d0.2 1 60.0 0 8-0.1 5 8-0.2 10.0 9 2-7 7d-0.0 5 6-0.1 9 8-0.0 8 6-0.0 5 6-8 4d-0.1 2 4-表8 相对动弹性模量评价参数(2)部分数据T a b l e8 P a r t i a l d a t ao f e v a l u a t i o np a r a m e t e r(2)o f r e l a t i v ed y n a m i cm o d u l u so f e l a s t i c i t yJ 0B 6 1 0B 6 2 0B 6 3 0B 9 1 0B 9 2 0B 9 3 06 3d0.2 8 90.0 6 50.0 8 1-0.1 2 70.2 7 20.2 7 40.0 7 97 0d0.1 7 60.0 4-0.0 1 4-0.2 0 50.1 6 7-0.0 17 7d0.0 9 10.0 3 1-0.0 2 50.0 7 3-8 4d-0.0 9 1-0.1 2 7-0.0 7 3-0.0 3 1-系数开始降低,究其原因,主要是试验循环1 5d之后,同龄期标准养护试件抗压强度增长缓慢或已不再增长,但受硫酸盐干湿循环侵蚀试块内部硫酸钠晶体及所生成的膨胀型物质的量已超过孔隙所能容纳的最大量,此时因硫酸钠晶体及膨胀型物质所产生的膨胀应力大于混凝土抗拉强度而使试块内部产生裂缝并扩展,导致试块抗压强度降低,结合式(1),可知此时分子减小分母不变,因此耐腐蚀系数减小。试验循环4 5d之后,任一配合比试块耐腐蚀系数下降幅度均较大,究其原因,主要为此时试块内部裂纹数目变多,孔隙宽度增大,进而为盐溶液的侵入提供了通道。由式(3)可知,当11时,试块 质量增大;当11时,试块质量减小,当10时,试块质量损失率达到5%。结合图2(b)可知,试块在2 1d试验循环之前,相对质量评价参数1保持增大趋势,且1均大于1,因此,在2 1d循环之前,试块质量处于持续增大的状态。2 1d循环之后,试块相对质量评价参数1均在下降,但在2 8d循环之前1均大于1,因此,在2 1 2 8d循环之间,试块质量减小,但仍大于其初始质量。由式(5)可知,21时,试件相对动弹性模量增大;当21时,试 件 相 对 动 弹 性 模 量 减 小;当20时,试件相对动弹性模量小于6 0%。由图2(c)可知,B 6 3 0组试件相对动弹性模量评价参数2在试验循环1 4d之前呈降低趋势,其他配合比试件相对动弹性模量评价参数2在试验循环7d之前均在不同程度地增大,因此,在试验7d之前试块相对动弹性模量增大。在71 4d之间时,试块相对动弹性模量评价参 数2虽 不 断 降 低 但 其 值 仍 大 于1,因 此,在7d 1 4d之间时试块相对动弹性模量减小,但其值大于初始值。由以上分析可知,试件质量及相对动弹性模量在试验循环前期均增大,究其原因,与试件前期抗压强度增大原因相同,即反复干湿循环下硫酸盐颗粒584第4 1卷第3期汪金满,等.基于硫酸盐干湿循环下掺玻璃粉混凝土的耐久性分析充分填充在细小孔隙之中,且硫酸钠晶体与所生成的膨胀型物质有效填充了更细小孔隙,从而使得试件前期质量增多、密实度增强。而随着干湿循环次数的增多,试件内部部分孔隙中填充的物质所产生的膨胀应力大于混凝土抗拉强度,进而在该部分孔隙周围产生新裂缝。新裂缝的产生又为硫酸盐的侵入提供新通道,反复作用之下混凝土出现掉渣现象且内部密实度降低,宏观上则呈现试块质量降低以及相对动弹性模量减小。由图2(a)(c)并结合表6表8可知,B 9 1 0组试件相比于J 0组试件的抗硫酸盐干湿循环性能好,其他组试件则比J 0组试件的抗硫酸盐干湿循环性能差,其中B 6 3 0组试件性能最差。且还可看出,硅灰掺量一定时,试验循环时间随玻璃粉掺量的增大而减小;玻璃粉掺量一定时,试验循环时间随硅灰掺量的增大而增大。因此,玻璃粉及硅灰对混凝土耐久性能会起到一定的优化作用,但玻璃粉掺量也不宜过大,综合考虑水泥节约量及玻璃粉处理量,推荐玻璃粉掺量以1 0%为宜,而硅灰在适当范围内掺量越大越好。3.3 X R D分析 玻璃粉化学成分中S i O2含量高达7 1.1 7%,硅灰中S i O2含量亦是极高,然而水泥中S i O2含量仅为2 6.3 7%,因此以玻璃粉复掺硅灰等质量替代水泥后将引入大量S i O2,故以X R D表征探究大量S i O2的引入对胶凝材料水化的影响。以不同衍射角度进行相应物相的标记,以特征峰值的比较,半定量分析混凝土水化过程中物相变化规律。将J 0组试件及B 6 3 0组试件养护至龄期5 6d及1 2 0d后粉磨取粉,进行X R D表征。两组混凝土粉体的X射线衍射图谱如图3所示。图3 两组试件不同龄期X R D图谱:(a)J 0组;(b)B 6 3 0组F i g.3 X R Dp a t t e r n so f s p e c i m e n sa td i f f e r e n t a g e s:(a)g r o u pJ 0;(b)g r o u pB 6 3 0 由图3可见,两组试件5 6d及1 2 0d龄期时水化产物相似,且两组试件组成物中S i O2衍射峰值均最高。B 6 3 0组试件相比于J 0组试件,5 6d时水化产物中S i O2衍射 峰 值 相 差 甚 大,则 可 知 当 玻 璃 粉 掺 量3 0%、硅灰掺量6%时,即使龄期已达5 6d,但混凝土中S i O2含量仍较高;水化1 2 0d时两组试件S i O2峰值相差不大。由此可知,虽然玻璃粉复掺硅灰会引入大量S i O2,但5 6d及1 2 0d龄期时水化产物与基准组试件相似,且S i O2含量在水化至1 2 0d时也与基准组试件相差不大,因此可以认为玻璃粉复掺硅灰等量替代水泥时混凝土内依然可进行正常的水化反应。3.4 S EM与E D S表征 硫酸盐溶液对混凝土的破坏机理可分为物理作用及化学作用,物理破坏主要为硫酸盐溶液侵入混凝土后产生膨胀结晶体,从而导致混凝土裂缝的产生及发展;化学破坏主要为硫酸盐溶液侵入混凝土内部与水化产物发生反应生成钙矾石及石膏等膨胀型物质,随着膨胀型物质的积累,膨胀应力逐渐大于混凝土抗拉强度,进而导致混凝土裂缝的产生及发展。为深入研究掺玻璃粉及硅灰混凝土经受硫酸盐干湿循环侵蚀破坏的机理,检测结束后,取J 0组试件及B 6 3 0组试件35mm碎片进行扫描电镜观察,并进行E D S能谱分析,结果如图4所示。混凝土未发生破坏时,C-S-H凝胶填充在混凝土内部,使得混凝土内部更为密实,且使骨料间连接更为紧密。然而由图4可见,J 0组试件C-S-H凝胶表面充满裂缝,且裂缝之中布满硫酸盐侵蚀破坏生成物,通过E D S能谱分析可知该生成物主要由C a、S、A l和O四种元素组成,可判断该物质为钙矾石,因此对于J 0组试件,硫酸盐干湿循环侵蚀破坏主要表现为钙矾石型破坏。对于B 6 3 0组试件,C-S-H凝胶表面及裂缝处存在大量棒状及不规则球状物质,通过E D S能谱分析可知该棒状物质主要由C a、O和S三种元素组成,由此可判断该物质为石膏,而球状物质主要为硫酸钠晶体,因此对于B 6 3 0组试件,硫酸盐干湿循环破坏主要表现为石膏型破坏及硫酸钠结晶破坏。从形貌观测,石膏主要为棒状体,而钙矾石为花瓣状或树枝状体,石膏之间缺少类似于钙矾石之间的“牵扯”应力,且混684材料科学与工程学报2 0 2 3年6月 图4 试件S EM表征与E D S能谱分析结果:(a)、(b)J 0组;(c)、(d)B 6 3 0组F i g.4 S EMi m a g e sa n dE D Sa n a l y s i s r e s u l t s:(a),(b)g r o u pJ 0;(c),(d)g r o u pB 6 3 0凝土受硫酸盐侵蚀破坏时物理作用破坏性更强,因此宏观表现为J 0组试件相比B 6 3 0组试件的抗硫酸盐干湿循环性能更好。有研究1 5-1 8指出,玻璃粉在2 89 1d时会发生明显的火山灰效应,与玻璃粉固有的填充效应共同发挥作用能增强混凝土的密实度与强度,且玻璃粉粒径越小对混凝土性能的提高效果越好,当玻璃磨到更细小颗粒时,其火山灰效应发挥效果更好1 5,1 9-2 0。而此次试验中,当玻璃粉掺量较高时,试件抗硫酸盐干湿循环性能变差,究其原因,主要是玻璃粉掺量较高时引入了大量S i O2所致。结合X R D图谱可知,B 6 3 0组试件相比于J 0组试件,S i O2含量在水化至5 6 d时依旧很高,因为硫酸盐干湿循环试验始于试块已经标准养护2 8d后进行,从而试验时B 6 3 0组试件S i O2含量比J 0组试件高很多。因此,当玻璃粉掺量大于1 0%时,大量S i O2的存在导致了混凝土硫酸盐干湿循环破坏后硫酸钠晶体量的不同及微观生成物的差异,从而宏观表现为玻璃粉掺量较高时混凝土抗硫酸盐干湿循环性能变差。4 结 论 1.玻璃粉与硅灰复掺对混凝土的和易性起优化作用,而该优化作用主要来自于玻璃粉。2.玻璃粉复掺硅灰等量替代水泥时,在适量范围内硅灰掺量越大越好,而玻璃粉掺量不宜过大,综合考虑混凝土性能、水泥节约量及废玻璃处理量,推荐玻璃粉掺量以1 0%为宜。3.掺玻璃粉及硅灰试件与基准组试件内部水化产物相似,但水化5 6d时前者X R D图谱中S i O2衍射峰值甚高;水化1 2 0d时两者S i O2衍射峰值相差不大。因此玻璃粉复掺硅灰替代水泥后混凝土可正常进行水化反应。4.基准组试件在硫酸盐干湿循环侵蚀时,破坏主要表现为树枝状及花瓣状钙矾石型破坏。玻璃粉及硅灰复掺混凝土因大量S i O2的引入,试件在硫酸盐干湿循环侵蚀时,破坏主要表现为棒状石膏及硫酸钠结晶型破坏。参考文献1 夏冰华,刘远才,徐国林.废玻璃混凝土抗压性能的试验研究J.混凝土,2 0 1 3(7):2 6-2 9,4 3.2 杨凤玲,嵇银行,李玉寿,等.废玻璃细骨料混凝土的试验研究J.混凝土,2 0 1 1(9):8 1-8 3,8 6.3 戈雪良,曾力,方坤河,等.磷渣粉对水工混凝土性能的影响J.水力发电学报,2 0 0 8,2(2 7):8 4-8 8.784第4 1卷第3期汪金满,等.基于硫酸盐干湿循环下掺玻璃粉混凝土的耐久性分析4 黄其秀.大掺量粉煤灰复合水泥物理性能与混凝土性能J.材料科学与工程,2 0 0 2(2):2 5 9-2 6 2.5 戴红莲,闫玉华,李世普,等.-磷酸三钙-磷酸四钙生物骨水泥的研究J.材料科学与工程,2 0 0 2(3):3 3 1-3 3 5.6 李东旭.少熟料矿渣粉煤灰复合水泥的性能研究J.材料科学与工程,2 0 0 1(3):7 4-7 8.7 万里,陈颖,曾杰凯.玻璃粉取代水泥对混凝土性能的影响J.福建建材,2 0 2 1(6):4-6.8 黄炎林,周安.玻璃粉细骨料混凝土力学性能研究J.湖北工业大学学报,2 0 2 1,3 6(4):7 9-8 4.9 张文星,苏有文,李娇.玻璃砂和玻璃粉复合对混凝土基本性能的影响J.玻璃,2 0 2 1,4 8(1 1):7-1 1.1 0 柯国军,许欣,方耀楚,等.废玻璃粉混凝土的动