以废弃玻璃与脱铝镁铝矾土粉末改性的碱激活矿渣混凝土力学行为的实验与数值评估

为不断增长的世界打造更环保的混凝土

现代城市离不开混凝土，但传统的水泥基混凝土伴随高碳排放并消耗大量原材料。本研究探讨了一种新型“绿色”混凝土，将大量常规水泥和骨料替换为工业副产物和废料，包括钢铁冶炼废渣和细磨的废玻璃粉。研究表明，此类配合比不仅能达到常规混凝土的性能，甚至在某些方面更胜一筹，指向既更坚固又更环保的桥梁和建筑方案。

把工业废料变成建筑原料

本研究所考察的混凝土以碱激活矿渣为粘结材料，即通过化学激发粉磨高炉矿渣来代替波特兰水泥。研究者在部分替换天然砂和矿渣时引入了两种工业副产物：回收废玻璃粉和脱铝的镁铝矾土（来自铝提取过程的富硅、富铝残渣）。他们还比较了两种粗骨料——白云石和玄武岩，并在部分配合比中加入短钢纤维。总共制备了若干受控配方，以观察每种成分对强度、刚度、裂缝发展及受载整体行为的影响。

从实验模具到强度测量

为评估性能，团队在常温下浇筑并养护了立方体、圆柱和梁试件，避免了能耗较高的热养护。他们测量了抗压强度（混凝土承受压缩的能力）、劈裂抗拉强度（间接拉伸时的行为）、弯曲强度和刚度。总体上，采用更硬的玄武岩骨料的配合比优于白云石骨料。当加入废玻璃粉或脱铝镁铝矾土时，混凝土变得更致密并且更强。表现最为突出的配方是将玄武岩、10%脱铝镁铝矾土（替代部分矿渣）和1%钢纤维结合的混合物：该配方在抗压、抗拉和抗弯强度以及刚度方面均达到最高水平。

窥见混凝土内部骨架

为探明为何某些配合比性能更好，研究者在扫描电子显微镜下观察了混凝土的微切片，并用化学探针绘制关键元素的分布图。较差的配合比表现出多孔且分布不均的内部结构，骨料与浆体之间存在薄弱接触区。相比之下，性能最佳的配合比具有紧密堆积、均匀的反应产物网络把各部分结合在一起，尤其在玄武岩骨料和钢纤维周围更为明显。脱铝镁铝矾土有助于形成致密的互锁凝胶，填充微观孔隙；钢纤维则在萌生裂缝时起桥接作用，抑制裂缝突然开口。这种精细化的微观结构解释了强度、韧性和抗裂性的显著提升。

在建造前模拟梁的受力行为

除了小尺度试件，研究还利用先进的有限元模拟来预测不同配合比制成的全尺寸钢筋混凝土梁在弯曲下的表现。研究者在ABAQUS软件中校准了损伤模型，使其应力—应变曲线与实验室测得曲线相匹配。模型调试后，能够准确再现立方体、圆柱和棱柱试件的破坏荷载和裂缝模式。随后他们进行了受参数影响的虚拟研究。采用玄武岩和优化的废料基配方的梁承载力更高、峰值时挠度更小，且裂缝发展更为渐进、具延性。含10%脱铝镁铝矾土和1%钢纤维的配方相比基准配方，承载能力约提高46%，中跨挠度约减少五分之一，而不改变钢筋配筋。

对未来结构的意义

对非专业读者而言，结论清晰：通过将工业副产物——矿渣、废玻璃和脱铝粘土——转化为高性能成分，尤其在配合钢纤维和优质骨料时，可以设计出更强且更可持续的混凝土。研究表明，这类绿色混凝土可以被可靠地测试、在显微尺度上理解并在计算机上自信地建模，为工程师设计更安全、更高效的梁和其它构件提供了实用工具。从长远看，这一方法有助于在仍能保证耐久性的同时，减少建筑施工对环境的负担，从而造福道路、桥梁和建筑设施的可持续发展。

引用: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

关键词: 可持续混凝土, 废弃玻璃, 地质聚合物, 钢纤维增强, 数值建模