激發(fā)態(tài)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(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

0 引言

隨著物質(zhì)水平的提高，存在著大量無(wú)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(huì)被填埋處理，嚴(yán)重的浪費(fèi)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(shí)，在水泥廠中每生產(chǎn)單位質(zhì)量的水泥熟料，就會(huì)向大氣中排放幾乎同質(zhì)量的污染物。為解決以上問(wèn)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(jīng)閱讀文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，近年使用廢舊玻璃作為綠色建材的研究頗多，但因?yàn)椴ＡУ幕鹕交一钚酝艿阶陨碇旅艿难豕杷拿骟w結(jié)構(gòu)限制，得不到有效利用。所以在對(duì)比分析研究文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，優(yōu)化組合將玻璃粉活性激發(fā)后大摻量替代水泥而應(yīng)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(shí)際應(yīng)用于混凝土梁時(shí)的受彎性能。

1 激發(fā)玻璃粉的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)外物理激發(fā)的研究現(xiàn)狀

物理激發(fā)玻璃粉的火山灰活性一般使用機(jī)械磨細(xì)法。前人實(shí)驗(yàn)表明[1]使用磨粉機(jī)可以在120 min內(nèi)將玻璃磨細(xì)到比表面積為400 m2/kg～600 m2/kg，但磨粉時(shí)間超過(guò)120 min后對(duì)玻璃粉的細(xì)度影響將降低乃至忽略不計(jì)。研究指出[2]將玻璃粉磨細(xì)可以破壞其顆粒堅(jiān)硬致密的表層結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部的活性二氧化硅和活躍的氧化金屬分子釋放出來(lái)，加快火山灰反應(yīng)，提高其早期強(qiáng)度。研究指出[2]粒徑更小的摻合料可以更細(xì)致的填充水泥和集料的界面，使結(jié)晶物質(zhì)更快且更密實(shí)的布滿縫隙，達(dá)到細(xì)集料效應(yīng)。前人[3]曾觀察玻璃粉的微觀形態(tài)，發(fā)現(xiàn)玻璃粉的顆粒形狀多為不規(guī)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(jié)構(gòu)并增大密實(shí)度。但筆者認(rèn)為玻璃粉經(jīng)磨細(xì)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(guò)30%后，如果不能控制合適的水膠比以及減水劑的量，可能會(huì)造成坍落度過(guò)低或泌水的現(xiàn)象。

1.2 國(guó)內(nèi)外化學(xué)激發(fā)的研究現(xiàn)狀

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

1.2.1酸激發(fā)特點(diǎn)

強(qiáng)酸激發(fā)玻璃粉使用的酸有硫酸，氫氟酸等，這些酸性物質(zhì)可以腐蝕玻璃致密的表層結(jié)構(gòu)，釋放內(nèi)部的活性物質(zhì)，但有試驗(yàn)表明[4]使用酸激發(fā)留下的酸根離子會(huì)加快混凝土內(nèi)部的鋼筋銹蝕，從內(nèi)部瓦解鋼筋混凝土。

1.2.2堿激發(fā)特點(diǎn)

強(qiáng)堿激發(fā)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(qiáng)堿激發(fā)可以更快的提高混凝土的早期強(qiáng)度[3]，但由于堿骨料反應(yīng)的限制，如果堿量過(guò)強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致后期混凝土膨脹開裂，同時(shí)，泛堿則會(huì)引起干燥地區(qū)的混凝土早期干縮開裂。

1.2.3硫酸鹽激發(fā)特點(diǎn)

硫酸鹽激發(fā)與堿激發(fā)同樣能增加氫氧根離子的含量，但過(guò)程較為緩慢且溫和。如果使用硫酸鈣作為激發(fā)劑，還能同時(shí)增加鈣離子的含量[5]，進(jìn)而促成C-S-H和C-A-H膠體的生成，對(duì)填充混凝土中各相物質(zhì)的界面有利，但亦有其他學(xué)者認(rèn)為，硫酸根離子是造成這一現(xiàn)象的主要原因。但硫酸鈣屬于難溶物質(zhì)，其效果需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)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(zhì)含量較少[5]，所以在大摻量玻璃粉混凝土中，硫酸鈉的激發(fā)效果還需試驗(yàn)證明。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 玻璃粉成分

玻璃內(nèi)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(xué)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(zhuǎn)化為后期強(qiáng)度更高的低堿水化硅酸鈣，從而有利于混凝土后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)。玻璃的化學(xué)成分決定其自身已具有火山灰特性。

2.2 試驗(yàn)及選材

2.2.1玻璃粉

本試驗(yàn)采取化學(xué)性質(zhì)最活躍，且雜質(zhì)含量較少的無(wú)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(wěn)定，不會(huì)由于水泥中其他因素引起混凝土性能的波動(dòng)。

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(diǎn)之一，而高強(qiáng)混凝土則更要求低水膠比。通過(guò)粉煤灰混凝土研究文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析，配制的粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度均低，特別是當(dāng)粉煤灰的摻量較大時(shí)更如此。但通過(guò)試驗(yàn)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(qiáng)度提高。所以，在參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)綜合考慮，本試驗(yàn)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(jí)級(jí)配，并且設(shè)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(yīng)力差可以在混凝土中產(chǎn)生細(xì)微裂縫，進(jìn)而影響強(qiáng)度。最大粒徑的減小，可以減少各相界面之間的應(yīng)力差。

3 ANSYS有限元軟件分析

3.1 梁試件ANSYS數(shù)值模擬

采用截面尺寸150 mm×250 mm，長(zhǎng)為1 500 mm的混凝土梁做模擬試驗(yàn)，強(qiáng)度等級(jí)為C30。縱向受拉鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋、直徑為16；箍筋采用HPB235級(jí)鋼筋、直徑為8。單元格網(wǎng)絡(luò)劃分形狀及約束如圖1所示。

3.2 應(yīng)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(shù)值，采用Solid65作為混凝土單元運(yùn)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(yīng)力等高線如圖2所示。

玻璃粉混凝土壓應(yīng)力等高線如圖3所示。普通混凝土拉應(yīng)力和玻璃粉混凝土拉應(yīng)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(nèi)部壓應(yīng)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(yīng)力更加分布均勻，依據(jù)混凝土的抗壓不抗拉性質(zhì)，可以推斷玻璃粉混凝土梁在今后試驗(yàn)中有更好的表現(xiàn)。

圖6，圖7分別為普通混凝土與玻璃粉混凝土梁的鋼筋應(yīng)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(yīng)力變化趨勢(shì)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(cè)，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(yīng)力變化趨勢(shì)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(cè)，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(fā)玻璃粉的火山灰活性優(yōu)良，能更有效的與鋼筋分擔(dān)梁的內(nèi)部應(yīng)力，對(duì)提高梁的剛度具有明顯的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

1)不論是機(jī)械激發(fā)還是化學(xué)激發(fā)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(jī)械磨細(xì)到比表面積400 m2/kg～600 m2/kg后，再配合硫酸鹽激發(fā)可得到比較理想的效果。

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

3)根據(jù)ANSYS分析得出，相同設(shè)計(jì)等級(jí)的玻璃粉混凝土梁極限承載力低于普通混凝土梁，但其內(nèi)部拉應(yīng)力分布更均勻，且由于火山灰反應(yīng)的存在，預(yù)計(jì)玻璃粉混凝土在后期會(huì)有更好的表現(xiàn)。

4)根據(jù)ANSYS分析得出相同強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)的玻璃粉混凝土梁相對(duì)普通混凝土梁，可以更有效的與鋼筋分擔(dān)構(gòu)件的內(nèi)部應(yīng)力，減少鋼筋承受壓應(yīng)力而導(dǎo)致的變形，對(duì)保證梁的剛度有積極作用。