剑麻纤维-石粉自密实混凝土的力学性能研究

朱兆悦，姜景山，何翔，郑凯泽，孙逊，陈婧婧，周宗楷

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

作为一种新型的高性能混凝土，自密实混凝土要求拌合物不离析，并有较高的均匀性，确保能够在施工过程中不需要外加振动就能完全依靠自重作用填满模板的角落和钢筋间隙，以达到充分密实的效果，获得最佳的性能。目前，自密实混凝土材料虽已具备在施工便利、承载性能上的优势，但在材料体系配制和工程应用方面还存在一些不足。

研究成本低廉、经济实用且力学性能稳定的普通强度自密实混凝土，用以满足实际工程应用，具有较高的现实意义。而固废石粉、天然纤维成本低、储量大，神经网络又能减少研究时间损耗，所以基于人工智能研究剑麻纤维—石粉自密实混凝土性，能具有较高的社会价值和环保意义。

1 石粉自密实混凝土

1.1 石粉对自密实混凝土性能的影响

在混凝土中采用石粉替代一定量的水泥时，石粉替代量与石粉的种类及粒径等因素有关，根据情况可采用特定石粉替代一定比例的水泥，以提高混凝土的物理性能，这种采用石粉替代水泥配制的混凝土称为石粉混凝土。关于石粉对自密实混凝土性能的影响，尤其是石粉含量方面，目前国内外已有不少研究成果。土耳其学者Celik和Marar[1]在研究石粉含量为0～30%的机制砂与混凝土的工作性能关系时，发现若固定水灰比为0.5，增加石粉含量，混凝土的塌落度将会呈线性降低。我国学者夏旭东[2]在C50自密实混凝土性能的研究中发现，随着石粉替代率的逐渐增加，自密实混凝土的抗压强度曲线总体表现为先增大后减小，即在石粉替代率小于5%时,随石粉含量增加，自密实混凝土抗压强度也增强，但是当石粉替代率提高10%～15%时,其抗压强度低于C50混凝土的基本强度要求。

目前在自密实混凝土的研究中，石粉种类对于自密实混凝土力学性能的影响仍知之甚少。形成的地质条件不同，制备设备和制备工艺不同，生产出来的石粉化学成分、结构构造也不尽相同。蔡基伟[3]研究发现，除了石粉含量之外，石粉的岩性、细度、含泥量等特性也会对混凝土的力学性能产生影响。因此进一步研究不同种类石粉对于自密实混凝土工作性能的影响具有重要的实际意义与价值。

1.2 固废石粉应用于自密实混凝土中的价值

固废石粉是指工厂加工砂石筛余下小于75μm的颗粒，一般为母岩破碎所得。若通过相关研究确定配合比，采用这类对于工厂来说属于废弃物的石粉替代部分水泥和矿物掺合料应用于混凝土中，不仅能提高混凝土中细粉组成含量，而且石粉中细小的球形颗粒产生的滚珠作用又能够改善混凝土的和易性，这两个方面的特性都是石粉在自密实混凝土应用中的独特优势。

铁合金工厂所剩的废弃硅石粉，如果不及时处理，露天堆积，经风吹日晒后会四处飞扬，对周围环境以及居民生活都将造成严重污染。但若经研究后，选择合适的配比，将其掺入混凝土中便能具有较高的社会意义和环保价值。

同时沸石岩在我国贮量丰富、容易开采。在混凝土中用沸石粉置换一定量的水泥，可以节约水泥，降低混凝土成本，改善水泥安定性，提高水泥利用率。

2 纤维应用

2.1 剑麻纤维在混凝土中的应用

21世纪以来，纤维在自密实混凝土的应用逐渐得到推广。关于剑麻纤维，目前已有研究主要集中于纤维本身长度，尚缺乏不同处理方式下的纤维对混凝土的作用机理研究。董健苗等通过测定将不同长度及直径的剑麻纤维掺入自密实轻骨料混凝土中带来混凝土各项性能的变化，发现在剑麻纤维直径不变的情况下，其长度的增加只使混凝土的抗拉强度有所提高。

探索不同处理方式下的剑麻纤维在自密实混凝土中的作用机理，选择合适的处理方式，对自密实混凝土的深入了解具有重要意义。

2.2 天然纤维应用于自密实混凝土的价值

植物纤维作为一种天然纤维，与人工合成纤维相比具有成本低、来源广、绿色环保等优点，相比合成纤维，加工植物纤维大大降低了对周围居住环境的影响，符合可持续发展的理念。因此，目前越来越多的国家和地区开始研究天然纤维混凝土，并取得了一定成果，植物纤维在混凝土中的应用也产生了良好的社会效益和经济效益。

3 基于人工智能的自密实混凝土力学性能研究

21世纪以来，人工智能逐渐应用于土木工程建筑的方方面面。将人工智能用于建立多种混凝土的强度预测模型，应用神经网络方法预测混凝土强度或其它性能规律，相比于传统的信息、数据处理方法，具有高效、精确等显著优势。在传统模式中，建立各种配料与其28 d强度之间的非线性关系的前提是需要通过大量试验来获取丰富的试验数据。大量的数据与有限的有用信息形成鲜明对比，可提取高维数据中的重要特征和消除误差及冗余信息显得尤为困难和重要。

直接应用神经网络模型或将其和主成分分析方法结合起来，是目前国内外在建立混凝土强度神经网络预测模型研究的常用方法。

基于人工智能的混凝土性能预测，发展并完善适应工程实际的混凝土早期快速测定技术，对于提高建筑质量、节约资金成本、提高混凝土早期预测的精度，都具有重要的技术、经济和社会意义。

4 结语

（1）固废石粉的再生应用既解决了废弃资源污染和浪费问题，又降低了自密实混凝土的使用成本，还能改善自密实混凝土的性能。

（2）选择合适的剑麻纤维处理方式，能够取代目前大部分人工纤维的应用，研究天然纤维的作用机理，可节约成本，增强混凝土韧性。

（3）应用人工智能建立混凝土强度预测模型，不仅能够节约大量时间，还可以及时更新数据，提高预测精度，避免工程浪费。