劍麻纖維-石粉自密實混凝土的力學性能研究

朱兆悅，姜景山，何翔，鄭凱澤，孫遜，陳婧婧，周宗楷

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211167）

0 引言

作為一種新型的高性能混凝土，自密實混凝土要求拌合物不離析，并有較高的均勻性，確保能夠在施工過程中不需要外加振動就能完全依靠自重作用填滿模板的角落和鋼筋間隙，以達到充分密實的效果，獲得最佳的性能。目前，自密實混凝土材料雖已具備在施工便利、承載性能上的優(yōu)勢，但在材料體系配制和工程應用方面還存在一些不足。

研究成本低廉、經(jīng)濟實用且力學性能穩(wěn)定的普通強度自密實混凝土，用以滿足實際工程應用，具有較高的現(xiàn)實意義。而固廢石粉、天然纖維成本低、儲量大，神經(jīng)網(wǎng)絡又能減少研究時間損耗，所以基于人工智能研究劍麻纖維—石粉自密實混凝土性，能具有較高的社會價值和環(huán)保意義。

1 石粉自密實混凝土

1.1 石粉對自密實混凝土性能的影響

在混凝土中采用石粉替代一定量的水泥時，石粉替代量與石粉的種類及粒徑等因素有關，根據(jù)情況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，這種采用石粉替代水泥配制的混凝土稱為石粉混凝土。關于石粉對自密實混凝土性能的影響，尤其是石粉含量方面，目前國內(nèi)外已有不少研究成果。土耳其學者Celik和Marar[1]在研究石粉含量為0～30%的機制砂與混凝土的工作性能關系時，發(fā)現(xiàn)若固定水灰比為0.5，增加石粉含量，混凝土的塌落度將會呈線性降低。我國學者夏旭東[2]在C50自密實混凝土性能的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著石粉替代率的逐漸增加，自密實混凝土的抗壓強度曲線總體表現(xiàn)為先增大后減小，即在石粉替代率小于5%時,隨石粉含量增加，自密實混凝土抗壓強度也增強，但是當石粉替代率提高10%～15%時,其抗壓強度低于C50混凝土的基本強度要求。

目前在自密實混凝土的研究中，石粉種類對于自密實混凝土力學性能的影響仍知之甚少。形成的地質(zhì)條件不同，制備設備和制備工藝不同，生產(chǎn)出來的石粉化學成分、結(jié)構構造也不盡相同。蔡基偉[3]研究發(fā)現(xiàn)，除了石粉含量之外，石粉的巖性、細度、含泥量等特性也會對混凝土的力學性能產(chǎn)生影響。因此進一步研究不同種類石粉對于自密實混凝土工作性能的影響具有重要的實際意義與價值。

1.2 固廢石粉應用于自密實混凝土中的價值

固廢石粉是指工廠加工砂石篩余下小于75μm的顆粒，一般為母巖破碎所得。若通過相關研究確定配合比，采用這類對于工廠來說屬于廢棄物的石粉替代部分水泥和礦物摻合料應用于混凝土中，不僅能提高混凝土中細粉組成含量，而且石粉中細小的球形顆粒產(chǎn)生的滾珠作用又能夠改善混凝土的和易性，這兩個方面的特性都是石粉在自密實混凝土應用中的獨特優(yōu)勢。

鐵合金工廠所剩的廢棄硅石粉，如果不及時處理，露天堆積，經(jīng)風吹日曬后會四處飛揚，對周圍環(huán)境以及居民生活都將造成嚴重污染。但若經(jīng)研究后，選擇合適的配比，將其摻入混凝土中便能具有較高的社會意義和環(huán)保價值。

同時沸石巖在我國貯量豐富、容易開采。在混凝土中用沸石粉置換一定量的水泥，可以節(jié)約水泥，降低混凝土成本，改善水泥安定性，提高水泥利用率。

2 纖維應用

2.1 劍麻纖維在混凝土中的應用

21世紀以來，纖維在自密實混凝土的應用逐漸得到推廣。關于劍麻纖維，目前已有研究主要集中于纖維本身長度，尚缺乏不同處理方式下的纖維對混凝土的作用機理研究。董健苗等通過測定將不同長度及直徑的劍麻纖維摻入自密實輕骨料混凝土中帶來混凝土各項性能的變化，發(fā)現(xiàn)在劍麻纖維直徑不變的情況下，其長度的增加只使混凝土的抗拉強度有所提高。

探索不同處理方式下的劍麻纖維在自密實混凝土中的作用機理，選擇合適的處理方式，對自密實混凝土的深入了解具有重要意義。

2.2 天然纖維應用于自密實混凝土的價值

植物纖維作為一種天然纖維，與人工合成纖維相比具有成本低、來源廣、綠色環(huán)保等優(yōu)點，相比合成纖維，加工植物纖維大大降低了對周圍居住環(huán)境的影響，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。因此，目前越來越多的國家和地區(qū)開始研究天然纖維混凝土，并取得了一定成果，植物纖維在混凝土中的應用也產(chǎn)生了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

3 基于人工智能的自密實混凝土力學性能研究

21世紀以來，人工智能逐漸應用于土木工程建筑的方方面面。將人工智能用于建立多種混凝土的強度預測模型，應用神經(jīng)網(wǎng)絡方法預測混凝土強度或其它性能規(guī)律，相比于傳統(tǒng)的信息、數(shù)據(jù)處理方法，具有高效、精確等顯著優(yōu)勢。在傳統(tǒng)模式中，建立各種配料與其28 d強度之間的非線性關系的前提是需要通過大量試驗來獲取豐富的試驗數(shù)據(jù)。大量的數(shù)據(jù)與有限的有用信息形成鮮明對比，可提取高維數(shù)據(jù)中的重要特征和消除誤差及冗余信息顯得尤為困難和重要。

直接應用神經(jīng)網(wǎng)絡模型或?qū)⑵浜椭鞒煞址治龇椒ńY(jié)合起來，是目前國內(nèi)外在建立混凝土強度神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型研究的常用方法。

基于人工智能的混凝土性能預測，發(fā)展并完善適應工程實際的混凝土早期快速測定技術，對于提高建筑質(zhì)量、節(jié)約資金成本、提高混凝土早期預測的精度，都具有重要的技術、經(jīng)濟和社會意義。

4 結(jié)語

（1）固廢石粉的再生應用既解決了廢棄資源污染和浪費問題，又降低了自密實混凝土的使用成本，還能改善自密實混凝土的性能。

（2）選擇合適的劍麻纖維處理方式，能夠取代目前大部分人工纖維的應用，研究天然纖維的作用機理，可節(jié)約成本，增強混凝土韌性。

（3）應用人工智能建立混凝土強度預測模型，不僅能夠節(jié)約大量時間，還可以及時更新數(shù)據(jù)，提高預測精度，避免工程浪費。