玻璃纖維晶態(tài)轉(zhuǎn)變調(diào)控方法及其對(duì)混凝土堿-集料反應(yīng)抑制機(jī)理的研究

引言道路、橋梁、隧道等工程領(lǐng)域?qū)炷列阅艿囊笤絹?lái)越高[1]。而混凝土自身發(fā)生的堿活性反應(yīng)—堿-集料反應(yīng)（Alkali-AggregateReaction，AAR）會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)力增大，嚴(yán)重時(shí)可致使混凝土膨脹開裂，從而造成一系列相應(yīng)的問(wèn)題[2-3]，因此，如何抑制混凝土內(nèi)部的堿-集料反應(yīng)是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。混凝土堿-集料反應(yīng)的限制措施主要包含：控制堿含量、選擇非活性骨料、控制混凝土成型時(shí)的濕度等，但是這些方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，受材料成本、外加劑種類、自然環(huán)境條件等因素限制，并不能很好的解決問(wèn)題[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)[6-8]，通過(guò)向混凝土中加入高抗裂混凝土用纖維，可以有效抑制堿-集料反應(yīng)，提高混凝土制品的抗?jié)B性、耐磨性、抗壓性、耐久性等[9-10]。隨著新《固廢法》的實(shí)施，國(guó)家政策將“固廢資源化”提高到戰(zhàn)略高度，而玻璃鋼行業(yè)蓬勃發(fā)展，帶來(lái)大量報(bào)廢產(chǎn)品和邊角料，玻璃鋼具有難降解的特點(diǎn)，目前采用的直接填埋處理方法對(duì)環(huán)境危害巨大，且造成資源浪費(fèi)。通過(guò)研究玻璃纖維晶態(tài)轉(zhuǎn)變調(diào)控方法，模擬玻璃鋼再生玻璃纖維將其應(yīng)用于混凝土，既改善了混凝土的堿-集料反應(yīng)不利影響，同時(shí)對(duì)再生玻璃纖維固廢資源化利用具有指導(dǎo)意義。1、試驗(yàn)部分

1.1原材料及試驗(yàn)儀器原材料：無(wú)堿玻璃纖維，60cm原絲，富華納米新材料有限公司；低堿玻璃纖維，1cm短切原絲，靈壽縣碩隆礦產(chǎn)品加工廠；中堿玻璃纖維，1cm短切原絲，靈壽縣碩隆礦產(chǎn)品加工廠；水泥，P·C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，陜西堯柏特種水泥有限公司；河砂，細(xì)度模數(shù)2.61，市售。試驗(yàn)儀器：馬弗爐，KSY-6D-16型，上海晨華電爐有限公司；掃描電子顯微鏡：JSM-6460LV型，日本電子株式會(huì)社；萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)：KD-50型，深圳凱強(qiáng)利電子有限公司；砂石堿活性快速測(cè)定儀：SS-2型，天津市港源試驗(yàn)儀器廠。

1.2玻璃纖維預(yù)處理在高溫條件下，對(duì)玻璃纖維（無(wú)堿、低堿、中堿）進(jìn)行預(yù)處理，控制預(yù)處理的溫度和保溫時(shí)間，分析3種類型玻璃纖維在不同條件下纖維結(jié)晶態(tài)變化情況，見表1。表1

玻璃纖維高溫預(yù)處理試驗(yàn)控制條件1.3配合比及測(cè)試方法將高溫處理后的玻璃纖維與未處理的玻璃纖維分別用研缽磨成粉狀，玻璃纖維占水泥質(zhì)量30%，采用1∶2.25的膠砂比及0.47的水膠比[11]，依據(jù)CECS48:93《砂、石堿活性快速試驗(yàn)方法》的規(guī)定制備樣品。先將玻璃纖維與河沙置于模具內(nèi)，用玻璃棒充分?jǐn)嚢?0s，再加入水泥充分?jǐn)嚢?min，后加入蒸餾水，用玻璃板充分?jǐn)嚢?min，然后振搗20次，制成10mm×10mm×40mm的樣塊，混凝土試樣放置在常溫下并使其凝固。試驗(yàn)24h后拆模，放置在（25±2）℃、濕度90%條件下養(yǎng)護(hù)7d后，取出試樣進(jìn)行測(cè)試。SEM分析：采用JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡對(duì)樣品微觀形貌進(jìn)行觀察，對(duì)比各種類型玻璃纖維在不同處理?xiàng)l件下的結(jié)構(gòu)形貌變化，放大倍數(shù)2000倍。力學(xué)性能測(cè)試：采用KD-50型電子控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣（移動(dòng)速率為10mm/min），以試樣破壞時(shí)所承受的最大力作為衡量指標(biāo)。砂石堿活性分析：依據(jù)CECS48:93，使用SS-2型砂石堿活性快速測(cè)定儀。2、結(jié)果與討論

2.1高溫預(yù)處理玻璃纖維結(jié)構(gòu)分析圖1為SEM表征的未處理玻璃纖維（無(wú)堿、低堿、中堿）微觀結(jié)構(gòu)。圖2～圖4分別為SEM表征的600℃、700℃、800℃處理玻璃纖維（無(wú)堿、低堿、中堿）的微觀結(jié)構(gòu)。圖1

未處理玻璃纖維SEM圖圖2

600℃處理玻璃纖維SEM圖（A無(wú)堿、B低堿、C中堿，保溫時(shí)間依次為1h、2h、3h、4h）圖3

700℃處理玻璃纖維SEM圖（A無(wú)堿、B低堿、C中堿，保溫時(shí)間依次為1h、2h、3h、4h）圖4

800℃處理玻璃纖維SEM圖（A無(wú)堿、B低堿、C中堿，保溫時(shí)間依次為1h、2h、3h、4h）由圖1可知，玻璃纖維呈規(guī)則圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑大概在10~20μm之間，商品化的玻璃纖維表面一般都有一層由復(fù)合組分組成的膠料，具有抗摩擦、抗老化等作用，因此表面附著有少量的微顆粒物。由圖2～圖4對(duì)比3個(gè)溫度梯度和4個(gè)不同保溫時(shí)間的玻璃纖維結(jié)構(gòu)圖可知，在600℃、700℃時(shí)，無(wú)堿玻璃纖維、低堿玻璃纖維均保持了圓柱狀結(jié)構(gòu)；在800℃時(shí)，保溫2h無(wú)堿玻璃纖維、保溫3h低堿玻璃纖維、保溫4h中堿玻璃纖維已熔融。晶體形態(tài)是其成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的外在反映，一定成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的晶體具有一定的形態(tài)特征,因而晶體外形在一定程度上反映了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，可以說(shuō)玻璃纖維結(jié)晶的程度決定了玻璃纖維的外形變化[12]，在800℃下恒溫3h處理所得的玻璃纖維，既維持了柱狀物理外觀，同時(shí)得到了結(jié)晶玻璃纖維。2.2力學(xué)性能測(cè)試選用在800℃下保溫3h的中堿玻璃纖維和未處理的中堿玻璃纖維為對(duì)照組，分別從其中選擇了25個(gè)原絲通過(guò)萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了力學(xué)性能的拉伸性能測(cè)試，結(jié)果見表2、表3。

表2

結(jié)晶中堿玻璃纖維力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表3

未處理中堿玻璃纖維力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果由表2、表3可知，經(jīng)過(guò)高溫處理過(guò)的玻璃纖維相對(duì)于未處理玻璃纖維，其平均模量提高了10%，平均拉伸強(qiáng)度降低了62.24%，平均斷裂伸長(zhǎng)率降低了66.24%，說(shuō)明高溫處理后的玻璃纖維雜質(zhì)產(chǎn)生了結(jié)晶區(qū)，模量也隨之提高，但結(jié)晶玻璃纖維失去了塑性、韌性，整體上表現(xiàn)為脆性增大，力學(xué)性能下降[13-14]。

2.3堿活性測(cè)試分析依據(jù)CECS48:93砂石堿活性快速試驗(yàn)方法，對(duì)6種類型玻璃纖維摻雜混凝土制作試樣，每組制作6個(gè)試樣，共36個(gè)試樣，每組試樣堿活性測(cè)試結(jié)果取平均值，結(jié)果見表4。圖5反映了6種類型玻璃纖維摻雜混凝土導(dǎo)致膨脹率的變化。由表4可知，無(wú)堿玻璃纖維未處理與高溫處理工藝對(duì)比，摻雜混凝土膨脹率由0.05%降到0.02%；低堿玻璃纖維未處理與高溫處理工藝對(duì)比，摻雜混凝土膨脹率由0.14%降到0.05%；中堿玻璃纖維未處理與高溫處理工藝對(duì)比，摻雜混凝土膨脹率由0.56%降到0.29%；整體上高溫處理后的玻璃纖維比未處理的玻璃纖維摻雜混凝土，膨脹率降低，表明高溫處理玻璃纖維工藝，有助于提高混凝土的抗裂性能。表4

混凝土試樣堿活性測(cè)試結(jié)果圖5

不同類型玻璃纖維摻雜混凝土膨脹率對(duì)比結(jié)合表4和圖5分析可知，對(duì)于同一種玻璃纖維，經(jīng)高溫處理的玻璃纖維摻雜混凝土，對(duì)混凝土堿-集料反應(yīng)的抑制作用要優(yōu)于未處理的玻璃纖維混凝土；不同類型的玻璃纖維相比，無(wú)堿玻璃纖維材料對(duì)于混凝土堿-集料反應(yīng)的抑制作用要優(yōu)于另外2種玻璃纖維。

2.4玻璃纖維抑制混凝土AAR的機(jī)理探討堿-集料反應(yīng)（AAR）是混凝土中的堿組分與集料中的某些硅活性組分之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，其結(jié)果導(dǎo)致集料被侵蝕，生成具有膨脹性的產(chǎn)物并導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂。玻璃纖維限制AAR的機(jī)理可以從以下2個(gè)角度解釋：（1）根據(jù)混凝土的AAR的吸水腫脹理論，集料中的活性SiO2與水泥中的堿反應(yīng)，從而在集料和水泥的界面生成堿-硅酸凝膠，因這些凝膠有較強(qiáng)的吸水腫脹性，當(dāng)腫脹產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)混凝土的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)使混凝土開裂，在試樣中加入玻璃纖維后，玻璃纖維均勻分布在混凝土基體中，這樣混凝土中會(huì)構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)，在試樣內(nèi)部區(qū)域形成“微網(wǎng)絡(luò)單元”，“微網(wǎng)絡(luò)單元”的周邊框架由玻璃纖維構(gòu)成，玻璃纖維對(duì)水泥顆粒起到了支撐作用，可以降低混凝土表面的析水，阻礙了水泥砂漿的離析傾向。這樣在水泥水化過(guò)程中，水分均勻分布在相對(duì)獨(dú)立的微小網(wǎng)絡(luò)單元中，不會(huì)迅速集結(jié)發(fā)生AAR，從而減少了堿-硅酸凝膠與水分接觸的機(jī)會(huì)，降低了混凝土內(nèi)部膨脹的可能性。（2）混凝土內(nèi)部發(fā)生AAR膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，直接作用于混凝土內(nèi)部顆粒之間，由于普通混凝土的顆粒是剛性的，基本無(wú)變形作用。因此，內(nèi)應(yīng)力會(huì)破壞顆粒之間的界面結(jié)合，造成裂紋的產(chǎn)生。加入玻璃纖維后，在發(fā)生AAR的區(qū)域，玻璃纖維占據(jù)原來(lái)顆粒占的部分位置，盡管在此處仍然產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，但玻璃纖維是柔性材料，遇到應(yīng)力作用時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形而吸收內(nèi)應(yīng)力，從而減少裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)，玻璃纖維與混凝土基體的界面結(jié)合處形成一個(gè)柔性緩沖層，當(dāng)混凝土基體承受內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的微裂紋擴(kuò)展到該界面層，其擴(kuò)展速度會(huì)因該緩沖界面層的存在而放慢，并消耗了裂紋產(chǎn)生的能量，從而限制了裂紋的擴(kuò)展[15]。此外，非晶體玻璃纖維經(jīng)高溫處理后，有雜質(zhì)產(chǎn)生了結(jié)晶區(qū)，得到結(jié)晶玻璃纖維，結(jié)晶區(qū)結(jié)構(gòu)致密、密度大、分子間有較多堅(jiān)固的連接點(diǎn)，集料中活性物質(zhì)與結(jié)晶體反應(yīng)所需要的能量更高，整體玻璃纖維的反應(yīng)活性降低，表現(xiàn)為高溫處理后的玻璃纖維，對(duì)混凝土AAR具有更好的抑制作用。結(jié)語(yǔ)

本文采用玻璃纖維（無(wú)堿、低堿和中堿）為研究對(duì)象，在高溫條件下對(duì)玻璃纖維進(jìn)行處理，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、微觀形貌和力學(xué)能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：（1）玻璃纖維含堿量越高，耐溫性越好。中堿玻璃纖維的耐溫性優(yōu)于低堿、無(wú)堿玻璃纖維；中堿玻璃纖維在800℃、保溫3h處理后，結(jié)晶玻璃纖維保持了圓柱狀物理結(jié)構(gòu)。（2）選用在800℃下保溫3h的中堿玻璃纖維和未處理的中堿玻璃纖維對(duì)比，前者比后者平均模量提高了10%，平均拉伸強(qiáng)度和平均斷裂伸長(zhǎng)率分別降低了62.24%、66.24%。（3）6種類型玻璃纖維摻雜混凝土試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫處理后的玻璃纖維（無(wú)堿、低堿和中堿）摻雜混凝土，試樣膨脹率分別降至0.02%、0.05%、0.29%，整體上高溫處理后的玻璃纖維比未處理的玻璃纖維摻雜混凝土，膨脹率降低，抗裂性能提升，