废弃玻璃粉在复合胶凝材料水化硬化过程中的作用机理及ASR风险研究

As a new potential supplementary cementitious materials, waste glass powder not only can improve the properties of concrete and reduce the cost, but also has important ecological and environmental benefits. Glass powder has some unique characteristics, which leads to the change in hydration and hardening mechanisms of composite cementitious materials, however, the effect mechanisms of glass powder, the hydration kinetic mechanism of composite cementitious system and its Alkali-Silica Reaction (ASR) risk are not known clearly. Therefore, in this project, the formation and changing of hydration products and microstructure of glass powder-Portland cement composite system at different conditions will be investigated, and then the hydration properties of glass powder and its effect on hydration of the system will be confirmed; based on the hydration rate of composite cementitious material, the reaction rate and degree of glass powder at different conditions, the hydration and hardening process will be determined, and the prediction model of hydration degree and hydration kinetic equation of composite system will be established, which will reveal the macroscopic and microscopic mechanism of the chemical reaction of cementitious system and the effect mechanisms of glass powder at various hydration periods; the chemical reaction model of glass powder will be perfected and ASR risk will be identified after confirming the condition of pozzolanic reaction or ASR. Through this studies, the understanding of effect mechanism of glass powder will be deepened, which will not only be beneficial to recycle waste glass efficiently, but also can provide the scientific basis for its optimum application in concrete.

废弃玻璃粉作为一种新型潜在辅助胶凝材料，既能改善混凝土性能、降低成本，又具有重要的生态环境效益。由于玻璃粉具有某些独特的材料性质，导致复合胶凝材料的水化硬化机制发生改变，而当前对玻璃粉的作用机理、复合胶凝体系的水化动力学机制及ASR风险尚不明确。为此，本申请项目将研究不同条件下玻璃粉-硅酸盐水泥复合胶凝体系的水化产物和浆体微结构的形成与演化，明确玻璃粉的水化特性及其对胶凝体系水化的影响；依据不同条件下复合胶凝材料的水化速率、玻璃粉的反应速率和程度，确定水化硬化进程，构建胶凝体系水化程度的预测模型及水化动力学方程，揭示胶凝体系化学反应的宏观和微观机理以及玻璃粉在不同水化阶段的作用机制；确定玻璃粉发生火山灰反应或ASR的条件，完善玻璃粉化学反应模型，分析ASR风险。通过本项目研究，深化对玻璃粉作用机理的认识，不仅有利于废弃玻璃的高效回收利用，而且为其在混凝土中的合理应用提供科学依据。

废弃玻璃粉用作混凝土辅助胶凝材料，具有重要的生态环境效益、经济效益和技术效益，符合我国建材的可持续发展战略要求。玻璃是无定形的，理论上具备火山灰活性，但也带来碱-硅反应(ASR)风险。因此，只有对废弃玻璃粉在复合胶凝材料水化硬化过程中的作用机理及ASR风险有着全面深刻的认识，才能趋利避害。本项目的主要研究内容及成果有：.玻璃的粉磨效率随粉磨时间增加而逐渐降低，玻璃粉等效粒径及比表面积与时间的双对数都具有较好的线性相关性，颗粒粒度分布满足RRB分布规律，且具有分形特征。.随着玻璃粉掺量的增加，高水胶比体系抗压强度逐渐降低，低水胶比体系抗压强度呈现先增大后减少的趋势。增大玻璃粉细度或蒸汽养护后都对砂浆强度发展起促进作用。玻璃粉的掺入对水化产物种类影响不大，随着龄期的增长，氢氧化钙数量逐渐减少，且蒸养条件下减少趋势更为明显。掺玻璃粉浆体微观结构较为致密，生成大量低钙硅比的水化硅酸钙，使其孔隙细化。.掺玻璃粉复合胶凝材料与水接触后，水泥熟料首先与水发生水化反应。随着体系生成的氢氧化钙增多，液相中碱度也增加，玻璃粉颗粒在极性OH-作用下，硅氧玻璃体结构不断被破坏溶解，Si-O-Si断裂，Si-OH形成，导致玻璃不规则网络结构中因桥氧键断裂而发生解聚作用，并析出新的水化产物，实现水化产物的成核、生长及彼此搭接，形成结构网系。水泥的水化和玻璃粉的进一步溶解与水化相互促进，共同推动反应持续进行。.废弃玻璃骨料具有较高的碱活性，且当废弃玻璃骨料掺量达到90%时，样品的碱活性最大。玻璃粉的掺入可以大大降低由于玻璃骨料带来的膨胀：ASR膨胀率随着玻璃粉掺量的增加和粒径的减少而降低。.与石灰石粉、低品质粉煤灰及钢渣粉等矿物掺合料相比，玻璃粉在复合胶凝材料中的水化特性及作用机理有很多相似处，在水化早期均以填充效应为主，水化后期则部分有较低的火山灰活性。采用玻璃粉制备了C30和C60混凝土，尽管其抗压强度随着玻璃粉掺量的增加而略有减小，但仍能满足设计强度等级要求。采用废弃玻璃粉还可制备抗压强度200MPa的超高性能水泥基材料。.本项目揭示了废弃玻璃粉在水泥基材料中的作用机理，推动了新型辅助胶凝材料的发展，丰富胶凝材料科学及其在混凝土工程中的应用理论。依托本项目的研究，发表学术论文16篇，其中SCI收录11篇。超额完成预期研究目标。