摘 要：本文旨在研究礦物摻合料（硅灰）對鋼纖維輕質混凝土力學性能的影響，并使用火山渣輕質骨料作為材料。試驗中采用硅灰替代10%的水泥質量。鋼纖維添加量為混凝土體積的0.4%與0.8%，其長度與直徑的比為62.5。本研究對4種不同配合比輕質混凝土試樣力學性能進行了系統(tǒng)研究，分別對其抗壓強度、抗彎強度、彈性模量進行了測試。結果顯示，硅灰的最佳摻量為10%，鋼纖維對輕質混凝土的力學性能有更顯著的提升效果。

關鍵詞：礦物摻合料；硅灰；鋼纖維；輕質混凝土

中圖分類號：TU 528" 文獻標志碼：A

目前，輕質混凝土（Lightweight Concrete，LWC）在建筑施工中的應用日益廣泛，尤其在地震多發(fā)地區(qū)，其高抗震性能備受關注[1]。研究表明，巨大的慣性力和結構耐受荷載能力不足會導致建筑物破壞。此外，LWC因其質量輕，適用于高層建筑、大跨度橋梁等結構，并具有較好的經濟優(yōu)勢。

根據ACI標準，LWC要求28天抗壓強度為17MPa。使用硅灰（SF）作為火山灰材料可以提高水泥漿的力學、化學和耐久性，以此減少水泥的用量，減少碳排放[2]。雖然LWC與普通混凝土一樣具有脆性，但是可采用纖維加固方式克服。學者研究表明，添加再生鋼纖維可以增強LWC的強度與韌性。王俊顏等[3]發(fā)現(xiàn)，由石粉、10%SF和輕質膨脹黏土骨料（LECA）制成的LWC強度高。粉煤灰和硅灰最優(yōu)取代率分別為20%和10%。

當前針對硅灰與鋼纖維對LWC的復合增強效用研究較少，在鋼纖維輕質混凝土中引入礦物摻合料，有望進一步提升其力學性能和耐久性。本研究在不同配合比鋼纖維輕質混凝土中引入硅灰，并對其力學性能進行系統(tǒng)分析，探究硅灰摻量對鋼纖維輕質混凝土性能的影響。研究結果可為礦物摻合料在新型高性能混凝土中的應用提供理論支持和技術參考，推動混凝土材料的發(fā)展和創(chuàng)新。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗材料

研究中選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，干密度為3150kg/m3，比表面積為2900cm2/g。在不同配合比中添加密度為2120kg/m3的硅灰（SF）作為火山灰材料。水泥和SF的化學性質見表1。為了保證混凝土的流動性，需要使用高性能聚羧酸減水劑。采用從廢舊輪胎中回收的再生鋼纖維，鋼纖維形貌為兩端具有彎鉤，鋼纖維性能指標見表2。細骨料粒徑為0～4.75 mm，選用平均粒徑為9.5mm的火山渣作為輕質骨料，飽和表面干密度為與吸水率等指標見表3。

1.2 試驗方法

在本次研究中，所有設計中的水灰比固定為0.3，使用10%的硅灰替代水泥，同時加入長度為50mm的鉤狀再生鋼纖維，配合比設計見表4。在本研究中，首先，將所有干燥的輕質材料與水混合，持續(xù)30min，以便輕質骨料（LWA）完全濕潤。其次，將水泥和硅灰等水泥基材料加入混合物中，再加入一些水和高效減水劑。最后，將砂子加入攪拌機，并加入剩余的水和再生鋼纖維，保證在混凝土中分散均勻?；炷粱旌衔镏苽浜煤?，樣品在20°C～25°C的實驗室環(huán)境下養(yǎng)護24h后，在實驗室溫度下用水養(yǎng)護脫模的樣品，再根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）對試樣進行力學性能測試[4]。

2 結果與分析

2.1 密度與抗壓強度

試樣密度測試結果如圖1所示，不同配合比混凝土試樣抗壓強度與密度見表5，由圖1可以看出，加入10%硅灰使試樣密度變小，變小幅度為0.4%；而加入再生鋼纖維使混凝土的密度變大，與SD組相比，密度變大了2%～4%。這主要受到再生鋼纖維自身的密度影響，再生鋼纖維的密度為7850kg/m3。鋼纖維的含量較少（0.4%與0.8%），并未使混凝土密度顯著變大，從測試結果來看，試樣密度均小于2000kg/m3。因此，加入0.4%與0.8%再生鋼纖維制備的混凝土依然滿足輕質混凝土的要求。

不同配合比輕質混凝土試樣7天與28天抗壓強度如圖2所示。結果表明，使用10%硅粉（SF）替代水泥可以使7天抗壓強度增加約5MPa，28天抗壓強度增加約7MPa，增幅分別高達26%與32%，表明加入硅粉可以有效提高混凝土強度，這歸功于硅灰的顆粒填充效應與火山灰效應的復合作用，其他研究也表明硅粉對強度有顯著影響[5]。

從測試結果中還可以發(fā)現(xiàn)，加入再生鋼纖維可以進一步提高輕質混凝土強度。與10%硅灰試樣SF相比，7d強度增加約2MPa，增幅約為8%；28d強度增加約2.5MPa～3.2MPa，增幅約為8.6%～11%。隨著再生鋼纖維摻入量增加，28d強度有所提升，幅度約為2.5%。由于再生鋼纖維可以延緩混凝土中微裂縫擴展，使再生鋼纖維輕質混凝土在載荷作用下應變增加，因此抗壓強度相應提升。此外，另一個原因可能是鋼纖維比黏結劑的彈性模量及其約束效應更強，也會使強度提升。

2.2 抗折強度

研究采用三點加載方式對混凝土的抗折強度進行測試，試樣抗折強度結果如圖3所示。

結果表明，摻加硅灰以及再生纖維提高了試樣的抗折強度。用10%的SF替代水泥使抗折強度提高了0.8MPa，增幅約為26%，摻加再生鋼纖維進一步提高了試樣的抗折強度，再生鋼纖維摻量從0.4%增至0.8%，與SF試樣相比，抗折強度提高了1.3MPa～1.9MPa，增幅約為27%～39%。再生鋼纖維可以將初始裂縫緊密相連。這種特性持續(xù)到纖維從基體中斷裂，試樣的抗折強度也得到了顯著提高。其他研究結果也表明加入硅灰和鋼纖維可以提高混凝土的抗折強度[6]。

圖4為抗折強度與抗壓強度的關系。從圖4可以看出抗壓強度與抗折強度之間存在顯著的內在聯(lián)系，可以用二次多項式對其進行擬合，相關系數R2高達0.9884。可以看出抗壓強度和抗折強度的相關系數相對較好，通常來說，抗折強度隨抗壓強度增加而增加，其他研究也發(fā)現(xiàn)了相似的發(fā)展規(guī)律[7]。此外，在現(xiàn)場取圓柱形樣本比取棱柱形芯樣容易，因此確定抗壓強度和抗折強度的關系，并將預測抗折強度作為設計標準非常重要。

2.3 彈性模量

圖5給出了不同配合比試樣彈性模量變化情況。彈性模量會受到多種因素影響，包括骨料類型、水灰比和膠凝材料用量。通常隨著抗壓強度增加，彈性模量也會增加。因此，抗壓強度越大，其破壞所需的應變越小。結果表明，加入硅灰與再生鋼纖維可以提高試樣的彈性模量。加入10%硅灰替代水泥可以使彈性模量增加約1.6MPa，提升幅度達到14%；加入再生鋼纖維進一步提高了彈性模量，并且隨著加入量增加有所增長，與SF試樣相比，加入4%～8%的再生鋼纖維會使彈性模量增加0.4MPa～0.6MPa，增幅為3%～4%。

圖6展示了抗壓強度與彈性模量的關系?？箟簭姸扰c彈性模量呈現(xiàn)出對數關系，并且相關系數R2達到0.9991，表明二者的相關性非常好，彈性模量隨著抗壓強度增加而增加，這也得到了其他研究成果的印證[1]。

3 結論

本研究對輕質混凝土（LWC）的力學性能進行研究，特別關注硅灰（SF）和再生鋼纖維對其性能的影響，并得出以下結論。1）加入10% SF使LWC試樣密度略降小（0.4%），而加入再生鋼纖維使密度變大2%～4%，但仍滿足輕質混凝土標準。使用SF可以提高7天和28天的抗壓強度，分別提高了26%和32%。而加入再生鋼纖維可以進一步提高7天和28天的抗壓強度，分別提高了8%和8.6%～11%。2）SF替代水泥后，抗折強度提高了26%，而加入再生鋼纖維使抗折強度進一步提高27%～39%。3）加入SF使彈性模量增加了14%，加入再生鋼纖維使彈性模量進一步提高了3%～4%?？箟簭姸扰c彈性模量之間呈現(xiàn)出對數關系，相關系數達到0.9991。

綜上所述，SF和再生鋼纖維的復合使用顯著提高了LWC的力學性能，這對提高建筑結構的抗震性能和經濟效益具有重要意義。未來應繼續(xù)探索不同礦物摻合料和纖維的復合效應，研究性能更優(yōu)的混凝土材料。

參考文獻

[1]曹政，朱雅靜，吳小軍，等.輕質混凝土的制備研究綜述[J].混凝土，2022（9）：184-187，192.

[2]夏冬桃，吳晨，崔凱，等.粉煤灰和硅灰取代率對堿礦渣混凝土力學性能影響分析[J].西南交通大學學報，2024，59（5）：1113-1122.

[3]王俊顏，閆珠華，耿莉萍.超高性能輕質混凝土的力學性能及微觀結構[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2019，51（6）：18-24.

[4]中華人民共和國建設部.普通混凝土力學性能試驗方法標準：GB/T 50081—2002[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[5]李新喆，張麗娟，趙軍，等.纖維增強陶?；炷亮W及收縮性能研究[J].混凝土，2023（11）：88-92.

[6]喬雪濤，李放，于賀春，等.鋼纖維增強樹脂混凝土超精密磨床床身材料設計及綜合性能優(yōu)化分析[J].機床與液壓，2023，51（16）：58-66.

[7]褚洪巖，安圓圓，秦健健，等.輕質高性能混凝土力學性能及微觀結構研究[J].硅酸鹽通報，2023，42（8）：2722-2732.

通信作者：楊敏（1975—），女，漢族，山西臨汾人，高級工程師，主要研究方向為數字孿生、高等職業(yè)教育。"電子郵箱：yangmin@cdp.edu.cn。

基金項目：四川省教育廳職業(yè)教育人才培養(yǎng)和教育教學改革研究項目“基于數字孿生技術的校企共建智慧建造實訓基地改革與實踐”（項目編號：GZJG2022-150）；成都職業(yè)技術學院校級科研平臺“綠色高性能水泥基材料研究中心”（項目編號：23KYPT01）；成都職業(yè)技術學院校級課題“再生鋼纖維增強水泥基材料研發(fā)與應用研究”（項目編號：23CZYG047）。