硅灰与再生钢纤维对轻质混凝土力学性能的影响研究

摘 要：本文旨在研究矿物掺合料（硅灰）对钢纤维轻质混凝土力学性能的影响，并使用火山渣轻质骨料作为材料。试验中采用硅灰替代10%的水泥质量。钢纤维添加量为混凝土体积的0.4%与0.8%，其长度与直径的比为62.5。本研究对4种不同配合比轻质混凝土试样力学性能进行了系统研究，分别对其抗压强度、抗弯强度、弹性模量进行了测试。结果显示，硅灰的最佳掺量为10%，钢纤维对轻质混凝土的力学性能有更显著的提升效果。

关键词：矿物掺合料；硅灰；钢纤维；轻质混凝土

中图分类号：TU 528" 文献标志码：A

目前，轻质混凝土（Lightweight Concrete，LWC）在建筑施工中的应用日益广泛，尤其在地震多发地区，其高抗震性能备受关注[1]。研究表明，巨大的惯性力和结构耐受荷载能力不足会导致建筑物破坏。此外，LWC因其质量轻，适用于高层建筑、大跨度桥梁等结构，并具有较好的经济优势。

根据ACI标准，LWC要求28天抗压强度为17MPa。使用硅灰（SF）作为火山灰材料可以提高水泥浆的力学、化学和耐久性，以此减少水泥的用量，减少碳排放[2]。虽然LWC与普通混凝土一样具有脆性，但是可采用纤维加固方式克服。学者研究表明，添加再生钢纤维可以增强LWC的强度与韧性。王俊颜等[3]发现，由石粉、10%SF和轻质膨胀黏土骨料（LECA）制成的LWC强度高。粉煤灰和硅灰最优取代率分别为20%和10%。

当前针对硅灰与钢纤维对LWC的复合增强效用研究较少，在钢纤维轻质混凝土中引入矿物掺合料，有望进一步提升其力学性能和耐久性。本研究在不同配合比钢纤维轻质混凝土中引入硅灰，并对其力学性能进行系统分析，探究硅灰掺量对钢纤维轻质混凝土性能的影响。研究结果可为矿物掺合料在新型高性能混凝土中的应用提供理论支持和技术参考，推动混凝土材料的发展和创新。

1 原材料与试验方法

1.1 试验材料

研究中选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，干密度为3150kg/m³，比表面积为2900cm²/g。在不同配合比中添加密度为2120kg/m³的硅灰（SF）作为火山灰材料。水泥和SF的化学性质见表1。为了保证混凝土的流动性，需要使用高性能聚羧酸减水剂。采用从废旧轮胎中回收的再生钢纤维，钢纤维形貌为两端具有弯钩，钢纤维性能指标见表2。细骨料粒径为0～4.75 mm，选用平均粒径为9.5mm的火山渣作为轻质骨料，饱和表面干密度为与吸水率等指标见表3。

1.2 试验方法

在本次研究中，所有设计中的水灰比固定为0.3，使用10%的硅灰替代水泥，同时加入长度为50mm的钩状再生钢纤维，配合比设计见表4。在本研究中，首先，将所有干燥的轻质材料与水混合，持续30min，以便轻质骨料（LWA）完全湿润。其次，将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减水剂。最后，将砂子加入搅拌机，并加入剩余的水和再生钢纤维，保证在混凝土中分散均匀。混凝土混合物制备好后，样品在20°C～25°C的实验室环境下养护24h后，在实验室温度下用水养护脱模的样品，再根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）对试样进行力学性能测试[4]。

2 结果与分析

2.1 密度与抗压强度

试样密度测试结果如图1所示，不同配合比混凝土试样抗压强度与密度见表5，由图1可以看出，加入10%硅灰使试样密度变小，变小幅度为0.4%；而加入再生钢纤维使混凝土的密度变大，与SD组相比，密度变大了2%～4%。这主要受到再生钢纤维自身的密度影响，再生钢纤维的密度为7850kg/m³。钢纤维的含量较少（0.4%与0.8%），并未使混凝土密度显著变大，从测试结果来看，试样密度均小于2000kg/m³。因此，加入0.4%与0.8%再生钢纤维制备的混凝土依然满足轻质混凝土的要求。

不同配合比轻质混凝土试样7天与28天抗压强度如图2所示。结果表明，使用10%硅粉（SF）替代水泥可以使7天抗压强度增加约5MPa，28天抗压强度增加约7MPa，增幅分别高达26%与32%，表明加入硅粉可以有效提高混凝土强度，这归功于硅灰的颗粒填充效应与火山灰效应的复合作用，其他研究也表明硅粉对强度有显著影响[5]。

从测试结果中还可以发现，加入再生钢纤维可以进一步提高轻质混凝土强度。与10%硅灰试样SF相比，7d强度增加约2MPa，增幅约为8%；28d强度增加约2.5MPa～3.2MPa，增幅约为8.6%～11%。随着再生钢纤维掺入量增加，28d强度有所提升，幅度约为2.5%。由于再生钢纤维可以延缓混凝土中微裂缝扩展，使再生钢纤维轻质混凝土在载荷作用下应变增加，因此抗压强度相应提升。此外，另一个原因可能是钢纤维比黏结剂的弹性模量及其约束效应更强，也会使强度提升。

2.2 抗折强度

研究采用三点加载方式对混凝土的抗折强度进行测试，试样抗折强度结果如图3所示。

结果表明，掺加硅灰以及再生纤维提高了试样的抗折强度。用10%的SF替代水泥使抗折强度提高了0.8MPa，增幅约为26%，掺加再生钢纤维进一步提高了试样的抗折强度，再生钢纤维掺量从0.4%增至0.8%，与SF试样相比，抗折强度提高了1.3MPa～1.9MPa，增幅约为27%～39%。再生钢纤维可以将初始裂缝紧密相连。这种特性持续到纤维从基体中断裂，试样的抗折强度也得到了显著提高。其他研究结果也表明加入硅灰和钢纤维可以提高混凝土的抗折强度[6]。

图4为抗折强度与抗压强度的关系。从图4可以看出抗压强度与抗折强度之间存在显著的内在联系，可以用二次多项式对其进行拟合，相关系数R2高达0.9884。可以看出抗压强度和抗折强度的相关系数相对较好，通常来说，抗折强度随抗压强度增加而增加，其他研究也发现了相似的发展规律[7]。此外，在现场取圆柱形样本比取棱柱形芯样容易，因此确定抗压强度和抗折强度的关系，并将预测抗折强度作为设计标准非常重要。

2.3 弹性模量

图5给出了不同配合比试样弹性模量变化情况。弹性模量会受到多种因素影响，包括骨料类型、水灰比和胶凝材料用量。通常随着抗压强度增加，弹性模量也会增加。因此，抗压强度越大，其破坏所需的应变越小。结果表明，加入硅灰与再生钢纤维可以提高试样的弹性模量。加入10%硅灰替代水泥可以使弹性模量增加约1.6MPa，提升幅度达到14%；加入再生钢纤维进一步提高了弹性模量，并且随着加入量增加有所增长，与SF试样相比，加入4%～8%的再生钢纤维会使弹性模量增加0.4MPa～0.6MPa，增幅为3%～4%。

图6展示了抗压强度与弹性模量的关系。抗压强度与弹性模量呈现出对数关系，并且相关系数R2达到0.9991，表明二者的相关性非常好，弹性模量随着抗压强度增加而增加，这也得到了其他研究成果的印证[1]。

3 结论

本研究对轻质混凝土（LWC）的力学性能进行研究，特别关注硅灰（SF）和再生钢纤维对其性能的影响，并得出以下结论。1）加入10% SF使LWC试样密度略降小（0.4%），而加入再生钢纤维使密度变大2%～4%，但仍满足轻质混凝土标准。使用SF可以提高7天和28天的抗压强度，分别提高了26%和32%。而加入再生钢纤维可以进一步提高7天和28天的抗压强度，分别提高了8%和8.6%～11%。2）SF替代水泥后，抗折强度提高了26%，而加入再生钢纤维使抗折强度进一步提高27%～39%。3）加入SF使弹性模量增加了14%，加入再生钢纤维使弹性模量进一步提高了3%～4%。抗压强度与弹性模量之间呈现出对数关系，相关系数达到0.9991。

综上所述，SF和再生钢纤维的复合使用显著提高了LWC的力学性能，这对提高建筑结构的抗震性能和经济效益具有重要意义。未来应继续探索不同矿物掺合料和纤维的复合效应，研究性能更优的混凝土材料。

参考文献

[1]曹政，朱雅静，吴小军，等.轻质混凝土的制备研究综述[J].混凝土，2022（9）：184-187，192.

[2]夏冬桃，吴晨，崔凯，等.粉煤灰和硅灰取代率对碱矿渣混凝土力学性能影响分析[J].西南交通大学学报，2024，59（5）：1113-1122.

[3]王俊颜，闫珠华，耿莉萍.超高性能轻质混凝土的力学性能及微观结构[J].哈尔滨工业大学学报，2019，51（6）：18-24.

[4]中华人民共和国建设部.普通混凝土力学性能试验方法标准：GB/T 50081—2002[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[5]李新喆，张丽娟，赵军，等.纤维增强陶粒混凝土力学及收缩性能研究[J].混凝土，2023（11）：88-92.

[6]乔雪涛，李放，于贺春，等.钢纤维增强树脂混凝土超精密磨床床身材料设计及综合性能优化分析[J].机床与液压，2023，51（16）：58-66.

[7]褚洪岩，安圆圆，秦健健，等.轻质高性能混凝土力学性能及微观结构研究[J].硅酸盐通报，2023，42（8）：2722-2732.

通信作者：杨敏（1975—），女，汉族，山西临汾人，高级工程师，主要研究方向为数字孪生、高等职业教育。"电子邮箱：yangmin@cdp.edu.cn。

基金项目：四川省教育厅职业教育人才培养和教育教学改革研究项目“基于数字孪生技术的校企共建智慧建造实训基地改革与实践”（项目编号：GZJG2022-150）；成都职业技术学院校级科研平台“绿色高性能水泥基材料研究中心”（项目编号：23KYPT01）；成都职业技术学院校级课题“再生钢纤维增强水泥基材料研发与应用研究”（项目编号：23CZYG047）。