激发态玻璃粉混凝土试配与梁受弯ANSYS分析★

薛白杨 方光秀

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)

0 引言

随着物质水平的提高，存在着大量无法有效回收利用的生活垃圾，其中废旧玻璃回收利用率只有10%左右，大部分废旧玻璃会被填埋处理，严重的浪费了资源。由于玻璃的利用率低、易取得、硬度较高，且活性成分含量可观而引起了许多研究者的兴趣。同时，在水泥厂中每生产单位质量的水泥熟料，就会向大气中排放几乎同质量的污染物。为解决以上问题，本文使用玻璃粉作为掺合料替代水泥，尝试得出一种可行的回收利用废旧玻璃的新方法。

笔者经阅读文献发现，近年使用废旧玻璃作为绿色建材的研究颇多，但因为玻璃的火山灰活性往往受到自身致密的氧硅四面体结构限制，得不到有效利用。所以在对比分析研究文献基础上，优化组合将玻璃粉活性激发后大掺量替代水泥而应用于混凝土中，观察其特性，并用ANSYS有限元软件模拟，分析玻璃粉混凝土在实际应用于混凝土梁时的受弯性能。

1 激发玻璃粉的研究现状

1.1 国内外物理激发的研究现状

物理激发玻璃粉的火山灰活性一般使用机械磨细法。前人实验表明[1]使用磨粉机可以在120 min内将玻璃磨细到比表面积为400 m2/kg～600 m2/kg，但磨粉时间超过120 min后对玻璃粉的细度影响将降低乃至忽略不计。研究指出[2]将玻璃粉磨细可以破坏其颗粒坚硬致密的表层结构，将内部的活性二氧化硅和活跃的氧化金属分子释放出来，加快火山灰反应，提高其早期强度。研究指出[2]粒径更小的掺合料可以更细致的填充水泥和集料的界面，使结晶物质更快且更密实的布满缝隙，达到细集料效应。前人[3]曾观察玻璃粉的微观形态，发现玻璃粉的颗粒形状多为不规则的面体碎屑，也有一些锲型和片状颗粒，具有榫塞作用，可改善混凝土的空隙结构并增大密实度。但笔者认为玻璃粉经磨细后，比表面积增加，则需水量也增加，且玻璃吸水性弱，玻璃粉在替代水泥超过30%后，如果不能控制合适的水胶比以及减水剂的量，可能会造成坍落度过低或泌水的现象。

1.2 国内外化学激发的研究现状

化学激发玻璃粉火山灰活性一般可以采用酸激发，碱激发，盐激发等三种方法，其中各有利弊。

1.2.1酸激发特点

强酸激发玻璃粉使用的酸有硫酸，氢氟酸等，这些酸性物质可以腐蚀玻璃致密的表层结构，释放内部的活性物质，但有试验表明[4]使用酸激发留下的酸根离子会加快混凝土内部的钢筋锈蚀，从内部瓦解钢筋混凝土。

1.2.2碱激发特点

强碱激发玻璃粉一般使用NaOH或CaOH，能增加氢氧根离子的浓度[1]，可以打破Al-O和Si-O的高能键，增加活性。而且玻璃呈弱酸性，强碱激发可以更快的提高混凝土的早期强度[3]，但由于碱骨料反应的限制，如果碱量过强，会导致后期混凝土膨胀开裂，同时，泛碱则会引起干燥地区的混凝土早期干缩开裂。

1.2.3硫酸盐激发特点

硫酸盐激发与碱激发同样能增加氢氧根离子的含量，但过程较为缓慢且温和。如果使用硫酸钙作为激发剂，还能同时增加钙离子的含量[5]，进而促成C-S-H和C-A-H胶体的生成，对填充混凝土中各相物质的界面有利，但亦有其他学者认为，硫酸根离子是造成这一现象的主要原因。但硫酸钙属于难溶物质，其效果需要做进一步的试验证明。硫酸钠较硫酸钙相比，易溶于水，所能提供的硫酸根离子多，可以加速打破玻璃中的高能分子键。但由于玻璃较其他掺合料，Al-O物质含量较少[5]，所以在大掺量玻璃粉混凝土中，硫酸钠的激发效果还需试验证明。

2 试验材料及方案

2.1 玻璃粉成分

玻璃内的各相矿物决定了其特性，不同种类的玻璃中的成分。例如钠钙玻璃的主要化学成分包括二氧化硅，氧化钠和氧化钙等，而铝硅玻璃的主要成分除了二氧化硅外，主要是氧化铝。此类酸性氧化物可以将高碱水化硅酸钙转化为后期强度更高的低碱水化硅酸钙，从而有利于混凝土后期的强度增长。玻璃的化学成分决定其自身已具有火山灰特性。

2.2 试验及选材

2.2.1玻璃粉

本试验采取化学性质最活跃，且杂质含量较少的无色钠钙玻璃粉[3]。

2.2.2水泥

选普通硅酸盐水泥。熟料为普通硅酸盐水泥的成分，除石膏外添加其他额外成分，其性能稳定，不会由于水泥中其他因素引起混凝土性能的波动。

2.2.3水胶比

选择低水胶比。低水胶比是高性能混凝土的配制特点之一，而高强混凝土则更要求低水胶比。通过粉煤灰混凝土研究文献的统计分析，配制的粉煤灰混凝土早期强度均低，特别是当粉煤灰的掺量较大时更如此。但通过试验分析,混凝土的水胶比选择均高,难免粉煤灰混凝土的早期强度提高。所以，在参考文献的基础上，经综合考虑，本试验采用的水胶比为0.2。

2.2.4骨料

为了减小粗集料的空隙率，粗骨料采用分级级配，并且设定20 mm为最大粒径。如：5 mm～10 mm占30%，10 mm～20 mm占70%。粗骨料的最大粒径小于普通混凝土使用的粗骨料[1]。应力差可以在混凝土中产生细微裂缝，进而影响强度。最大粒径的减小，可以减少各相界面之间的应力差。

3 ANSYS有限元软件分析

3.1 梁试件ANSYS数值模拟

采用截面尺寸150 mm×250 mm，长为1 500 mm的混凝土梁做模拟试验，强度等级为C30。纵向受拉钢筋采用HRB335级钢筋、直径为16；箍筋采用HPB235级钢筋、直径为8。单元格网络划分形状及约束如图1所示。

3.2 应力分析

输入普通混凝土和玻璃粉混凝土的弹性模量，泊松比等数值，采用Solid65作为混凝土单元运用ANSYS中的后处理功能，得出二者的压力等高线图。普通混凝土压应力等高线如图2所示。

玻璃粉混凝土压应力等高线如图3所示。普通混凝土拉应力和玻璃粉混凝土拉应力等高线如图4,图5所示。

由图2,图3分析得出，普通混凝土和玻璃粉混凝土梁的内部压应力分布情况类似；由图4,图5分析得出，玻璃粉混凝土比普通混凝土，其拉应力更加分布均匀，依据混凝土的抗压不抗拉性质，可以推断玻璃粉混凝土梁在今后试验中有更好的表现。

图6，图7分别为普通混凝土与玻璃粉混凝土梁的钢筋应力图。分析得出：

1)普通混凝土梁与玻璃粉混凝土梁的下部钢筋拉应力变化趋势相近，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；但在梁下的从居中到两侧，普通混凝土梁明显高于玻璃粉混凝土梁；

2)普通混凝土梁与玻璃粉混凝土梁的上部钢筋压应力变化趋势相近，且在梁上的居中部分，普通混凝土梁明显高于玻璃粉混凝土梁；并在梁上的居中到两侧，也是普通混凝土梁明显高于玻璃粉混凝土梁。究其原因，激发玻璃粉的火山灰活性优良，能更有效的与钢筋分担梁的内部应力，对提高梁的刚度具有明显的作用。

4 结语

1)不论是机械激发还是化学激发玻璃粉的火山灰活性，都是一种行之有效的方法。其中，把玻璃粉机械磨细到比表面积400 m2/kg～600 m2/kg后，再配合硫酸盐激发可得到比较理想的效果。

2)不同种类的玻璃粉激发后效果不同。其中，无色的硅酸钠钙玻璃性质更活跃，可作为混凝土的理想掺合料来使用。

3)根据ANSYS分析得出，相同设计等级的玻璃粉混凝土梁极限承载力低于普通混凝土梁，但其内部拉应力分布更均匀，且由于火山灰反应的存在，预计玻璃粉混凝土在后期会有更好的表现。

4)根据ANSYS分析得出相同强度设计等级的玻璃粉混凝土梁相对普通混凝土梁，可以更有效的与钢筋分担构件的内部应力，减少钢筋承受压应力而导致的变形，对保证梁的刚度有积极作用。