激發態玻璃粉混凝土試配與梁受彎ANSYS分析★

薛白楊 方光秀

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

0 引言

隨著物質水平的提高，存在著大量無法有效回收利用的生活垃圾，其中廢舊玻璃回收利用率只有10%左右，大部分廢舊玻璃會被填埋處理，嚴重的浪費了資源。由于玻璃的利用率低、易取得、硬度較高，且活性成分含量可觀而引起了許多研究者的興趣。同時，在水泥廠中每生產單位質量的水泥熟料，就會向大氣中排放幾乎同質量的污染物。為解決以上問題，本文使用玻璃粉作為摻合料替代水泥，嘗試得出一種可行的回收利用廢舊玻璃的新方法。

筆者經閱讀文獻發現，近年使用廢舊玻璃作為綠色建材的研究頗多，但因為玻璃的火山灰活性往往受到自身致密的氧硅四面體結構限制，得不到有效利用。所以在對比分析研究文獻基礎上，優化組合將玻璃粉活性激發后大摻量替代水泥而應用于混凝土中，觀察其特性，并用ANSYS有限元軟件模擬，分析玻璃粉混凝土在實際應用于混凝土梁時的受彎性能。

1 激發玻璃粉的研究現狀

1.1 國內外物理激發的研究現狀

物理激發玻璃粉的火山灰活性一般使用機械磨細法。前人實驗表明[1]使用磨粉機可以在120 min內將玻璃磨細到比表面積為400 m2/kg～600 m2/kg，但磨粉時間超過120 min后對玻璃粉的細度影響將降低乃至忽略不計。研究指出[2]將玻璃粉磨細可以破壞其顆粒堅硬致密的表層結構，將內部的活性二氧化硅和活躍的氧化金屬分子釋放出來，加快火山灰反應，提高其早期強度。研究指出[2]粒徑更小的摻合料可以更細致的填充水泥和集料的界面，使結晶物質更快且更密實的布滿縫隙，達到細集料效應。前人[3]曾觀察玻璃粉的微觀形態，發現玻璃粉的顆粒形狀多為不規則的面體碎屑，也有一些鍥型和片狀顆粒，具有榫塞作用，可改善混凝土的空隙結構并增大密實度。但筆者認為玻璃粉經磨細后，比表面積增加，則需水量也增加，且玻璃吸水性弱，玻璃粉在替代水泥超過30%后，如果不能控制合適的水膠比以及減水劑的量，可能會造成坍落度過低或泌水的現象。

1.2 國內外化學激發的研究現狀

化學激發玻璃粉火山灰活性一般可以采用酸激發，堿激發，鹽激發等三種方法，其中各有利弊。

1.2.1酸激發特點

強酸激發玻璃粉使用的酸有硫酸，氫氟酸等，這些酸性物質可以腐蝕玻璃致密的表層結構，釋放內部的活性物質，但有試驗表明[4]使用酸激發留下的酸根離子會加快混凝土內部的鋼筋銹蝕，從內部瓦解鋼筋混凝土。

1.2.2堿激發特點

強堿激發玻璃粉一般使用NaOH或CaOH，能增加氫氧根離子的濃度[1]，可以打破Al-O和Si-O的高能鍵，增加活性。而且玻璃呈弱酸性，強堿激發可以更快的提高混凝土的早期強度[3]，但由于堿骨料反應的限制，如果堿量過強，會導致后期混凝土膨脹開裂，同時，泛堿則會引起干燥地區的混凝土早期干縮開裂。

1.2.3硫酸鹽激發特點

硫酸鹽激發與堿激發同樣能增加氫氧根離子的含量，但過程較為緩慢且溫和。如果使用硫酸鈣作為激發劑，還能同時增加鈣離子的含量[5]，進而促成C-S-H和C-A-H膠體的生成，對填充混凝土中各相物質的界面有利，但亦有其他學者認為，硫酸根離子是造成這一現象的主要原因。但硫酸鈣屬于難溶物質，其效果需要做進一步的試驗證明。硫酸鈉較硫酸鈣相比，易溶于水，所能提供的硫酸根離子多，可以加速打破玻璃中的高能分子鍵。但由于玻璃較其他摻合料，Al-O物質含量較少[5]，所以在大摻量玻璃粉混凝土中，硫酸鈉的激發效果還需試驗證明。

2 試驗材料及方案

2.1 玻璃粉成分

玻璃內的各相礦物決定了其特性，不同種類的玻璃中的成分。例如鈉鈣玻璃的主要化學成分包括二氧化硅，氧化鈉和氧化鈣等，而鋁硅玻璃的主要成分除了二氧化硅外，主要是氧化鋁。此類酸性氧化物可以將高堿水化硅酸鈣轉化為后期強度更高的低堿水化硅酸鈣，從而有利于混凝土后期的強度增長。玻璃的化學成分決定其自身已具有火山灰特性。

2.2 試驗及選材

2.2.1玻璃粉

本試驗采取化學性質最活躍，且雜質含量較少的無色鈉鈣玻璃粉[3]。

2.2.2水泥

選普通硅酸鹽水泥。熟料為普通硅酸鹽水泥的成分，除石膏外添加其他額外成分，其性能穩定，不會由于水泥中其他因素引起混凝土性能的波動。

2.2.3水膠比

選擇低水膠比。低水膠比是高性能混凝土的配制特點之一，而高強混凝土則更要求低水膠比。通過粉煤灰混凝土研究文獻的統計分析，配制的粉煤灰混凝土早期強度均低，特別是當粉煤灰的摻量較大時更如此。但通過試驗分析,混凝土的水膠比選擇均高,難免粉煤灰混凝土的早期強度提高。所以，在參考文獻的基礎上，經綜合考慮，本試驗采用的水膠比為0.2。

2.2.4骨料

為了減小粗集料的空隙率，粗骨料采用分級級配，并且設定20 mm為最大粒徑。如：5 mm～10 mm占30%，10 mm～20 mm占70%。粗骨料的最大粒徑小于普通混凝土使用的粗骨料[1]。應力差可以在混凝土中產生細微裂縫，進而影響強度。最大粒徑的減小，可以減少各相界面之間的應力差。

3 ANSYS有限元軟件分析

3.1 梁試件ANSYS數值模擬

采用截面尺寸150 mm×250 mm，長為1 500 mm的混凝土梁做模擬試驗，強度等級為C30。縱向受拉鋼筋采用HRB335級鋼筋、直徑為16；箍筋采用HPB235級鋼筋、直徑為8。單元格網絡劃分形狀及約束如圖1所示。

3.2 應力分析

輸入普通混凝土和玻璃粉混凝土的彈性模量，泊松比等數值，采用Solid65作為混凝土單元運用ANSYS中的后處理功能，得出二者的壓力等高線圖。普通混凝土壓應力等高線如圖2所示。

玻璃粉混凝土壓應力等高線如圖3所示。普通混凝土拉應力和玻璃粉混凝土拉應力等高線如圖4,圖5所示。

由圖2,圖3分析得出，普通混凝土和玻璃粉混凝土梁的內部壓應力分布情況類似；由圖4,圖5分析得出，玻璃粉混凝土比普通混凝土，其拉應力更加分布均勻，依據混凝土的抗壓不抗拉性質，可以推斷玻璃粉混凝土梁在今后試驗中有更好的表現。

圖6，圖7分別為普通混凝土與玻璃粉混凝土梁的鋼筋應力圖。分析得出：

1)普通混凝土梁與玻璃粉混凝土梁的下部鋼筋拉應力變化趨勢相近，且在梁下的居中部分，普通混凝土梁略高于玻璃粉混凝土梁；但在梁下的從居中到兩側，普通混凝土梁明顯高于玻璃粉混凝土梁；

2)普通混凝土梁與玻璃粉混凝土梁的上部鋼筋壓應力變化趨勢相近，且在梁上的居中部分，普通混凝土梁明顯高于玻璃粉混凝土梁；并在梁上的居中到兩側，也是普通混凝土梁明顯高于玻璃粉混凝土梁。究其原因，激發玻璃粉的火山灰活性優良，能更有效的與鋼筋分擔梁的內部應力，對提高梁的剛度具有明顯的作用。

4 結語

1)不論是機械激發還是化學激發玻璃粉的火山灰活性，都是一種行之有效的方法。其中，把玻璃粉機械磨細到比表面積400 m2/kg～600 m2/kg后，再配合硫酸鹽激發可得到比較理想的效果。

2)不同種類的玻璃粉激發后效果不同。其中，無色的硅酸鈉鈣玻璃性質更活躍，可作為混凝土的理想摻合料來使用。

3)根據ANSYS分析得出，相同設計等級的玻璃粉混凝土梁極限承載力低于普通混凝土梁，但其內部拉應力分布更均勻，且由于火山灰反應的存在，預計玻璃粉混凝土在后期會有更好的表現。

4)根據ANSYS分析得出相同強度設計等級的玻璃粉混凝土梁相對普通混凝土梁，可以更有效的與鋼筋分擔構件的內部應力，減少鋼筋承受壓應力而導致的變形，對保證梁的剛度有積極作用。