废玻璃粉的物理化学活性研究

1.废玻璃粉的物理活性及激发

废玻璃粉的物理活性主要指的是它的形态效应和微集料效应，是其早期活性的主要来源，但废玻璃粉的微观形貌呈棱角状（如图3-4所示），形态效应几乎可以不考虑。因此，其物理活性主要是由微集料效应决定的，即细微的废玻璃粉能充当微集料填充在水化反应产物的毛细孔中，改善体系的孔结构，使胶凝体系更加密实。

图3-4　废玻璃粉的SEM图

玻璃是在高温流态条件下快速冷却形成的，原子之间形成了硅氧四面体的三维网络结构，网络结构聚合度越高其活性越低，废玻璃粉的物理激发主要是通过研磨的方式，其活性激发的关键是如何使Si—O键和Al—O键断裂。

通过研磨，能将硅氧四面体中的化学键破坏，使高聚合度的硅氧四面体网络结构断裂形成［SiO4］、［AlO4］等单体，降低玻璃体内的聚合度，从而提高其活性。同时，在研磨过程中，玻璃体表面致密的保护膜被破坏，内部的活性SiO2、Al2O3释放出来。此外，粗大的玻璃被磨成玻璃粉后，比表面积增加，能更均匀地分散到胶凝材料的孔隙中，改善孔结构，提高其密实度，最终提高强度。事实上，玻璃粉比表面积的增大，也增加了玻璃粉与水的接触面，加速了水泥的水化反应。因此，玻璃粉的物理活性和化学活性之间有着不可分割的联系。

2.废玻璃粉的化学活性及化学激发机理

玻璃的化学活性是指玻璃粉的火山灰活性，废玻璃粉溶解在水中时碱的释放量很小，在早期物理活性起主要作用，而化学活性发挥微弱，导致其早期活性偏低，不利于在对早期强度要求较高的工程中推广应用。因此需要采取措施激发其活性，提高早期活性。化学激发剂有碱性激发剂、盐类激发剂、酸类激发剂。(www.xing528.com)

废玻璃粉的化学活性主要和废玻璃粉中的活性成分SiO2、Al2O3有关，这些活性成分溶于水后会与碱发生化学反应，研究表明［31-32］，OH-的浓度是影响Si—O、Al—O键断裂的关键因素。在OH-的作用下，废玻璃粉颗粒表面的Si—O键和Al—O键断裂，使Si—O—Al的网络聚合度降低，表面形成游离的不饱和活性键，容易与碱［例如Ca（OH）2］发生水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶；同时，OH-的浓度越高，其对Si—O和Al—O键的破坏作用就越剧烈。此外，Na+，K+等阳离子也可以促进玻璃体网络解聚，提高废玻璃粉的活性。常用的碱性激发剂有熟石灰Ca（OH）2、生石灰CaO、NaOH、KOH。

除了碱性激发剂可以激发玻璃粉的活性外，硫酸盐对玻璃粉的活性也有激发的作用，常用的硫酸盐激发剂有石膏（CaSO4·2H2O和CaSO4·l/2H2O）和Na2SO4等。硫酸盐中的S和Ca2+与玻璃粉颗粒表面的凝胶及液相中的Al发生如式（3-2）所示的反应，生成针状钙矾石（AFt）［33］。

其中，部分的水化铝酸钙也会与石膏发生反应生成AFt，如式（3-3）所示。

针状的钙矾石（AFt）包裹在废玻璃粉颗粒的表面，形成的包裹层结构比水化硅酸钙层疏松，有利于Ca2+扩散到废玻璃粉颗粒的内部，与活性的SiO2和Al2O3反应，激发废玻璃粉的活性。此外，S还能置换出水化硅酸钙（C-S-H）凝胶体中的Si，在外层与Ca2+发生反应生成C-S-H，增强废玻璃粉的活性激发；同时，S的存在又能促进活性Al2O3的溶出，且Si还可以吸附在玻璃体表面的Al3+网络中间体活化点上，使Si—O键和Al—O键断裂。另一方面，S和钙矾石也有一定的膨胀作用，能填充内部水化产物的孔隙，提高水泥基材料的密实度［33-34］。

相比石膏而言，Na2SO4激发效果更好，这是因为Na2SO4溶液中的游离S与溶液中Ca2+反应生成的CaSO4比外掺的CaSO4更易生成AFt，而且溶液中还能生成NaOH，提高溶液的碱性，起到Na2SO4和强碱双重激发的作用。

碱激发玻璃粉胶凝材料可以获得较高的强度，这与激发剂和养护条件有关。J.J.Torres等［35］使用多达50%的磨细废玻璃和矿渣混合，采用NaOH/Na2CO3溶液激发，在25℃条件下养护，制备出具有合理抗压强度的胶凝材料。R.Redden等［36］发现，在低温养护条件下，NaOH激发的玻璃粉胶结材可获得比激发粉煤灰更高的强度，但激发玻璃粉胶凝材料在潮湿条件下的强度损失较大，通过添加矿渣或偏高岭土，可以控制强度损失。U.Avila-López，等［37］研究了以NaOH/Na2CO3（含9%Na2O）为激发剂，激发废玻璃和石灰石制备碱激发胶凝材料，石灰石主要用于补充钙。结果发现，28天抗压强度能达到38.8 MPa，反应的水化产物主要包括C-S-H，硅凝胶相及其他相如钙水碱和斜碳钠钙石等。