纳米二氧化硅协同玄武岩纤维增强混凝土的优化配比与性能提升机制研究

针对传统混凝土韧性不足和微观结构缺陷等问题，研究人员通过正交试验设计系统探究了玄武岩纤维(BF)长度、掺量及纳米二氧化硅(NS)含量对混凝土强度与韧性的协同增强效应。结果表明BF含量(0.2%)为主导因素，最优配比组合为6 mm BF+0.2%+2% NS，SEM显示NS形成的珊瑚状微纳结构显著提升纤维-基体界面性能，数值模拟揭示了BF的桥联耗能机制。该研究为高强高韧混凝土制备提供了理论支撑。

　　

随着我国基础设施建设的快速发展，混凝土作为核心建材面临着日益严苛的性能要求。传统混凝土存在两大痛点：一是固有脆性导致韧性不足，二是内部微孔隙引发应力集中。这些缺陷严重制约了混凝土在复杂工程环境中的应用。如何通过材料改性实现强度与韧性的协同提升，成为土木工程领域的关键科学问题。

针对这一挑战，河南理工大学（Henan Polytechnic University）的研究团队创新性地将玄武岩纤维(BF)与纳米二氧化硅(NS)复合引入混凝土体系。BF以其优异的耐腐蚀性和性价比著称，而NS具有纳米级粒径和超高比表面积，二者在微观和宏观尺度上形成互补增强效应。研究人员通过三因素四水平正交试验设计，系统考察了BF长度(3-12 mm)、BF体积掺量(0-0.3%)和NS替代率(0-3%)对混凝土力学性能的影响规律，并借助SEM和数值模拟揭示了多尺度增强机制。相关成果发表在《Polymer Testing》期刊。

研究采用机械性能测试结合微观表征的技术路线：通过万能试验机进行抗压/抗折强度测试，采用ASTM C1018标准计算韧性指数；运用场发射扫描电镜(FESEM)观察纤维-基体界面形貌；基于ABAQUS建立三维随机纤维分布模型，通过LS-DYNA进行显式动力学求解，采用Johnson-Holmquist-Concrete(JHC)本构模型描述材料损伤行为。

正交试验结果揭示关键规律：

1. 强度与韧性指标均随BF和NS掺量增加呈先升后降趋势，最优配比为6 mm BF+0.2%+2% NS。方差分析显示BF含量对 compressive strength 影响极显著(P<0.01)，贡献度达70%。
2. 验证试验证实协同效应：6BF0.2NS2组抗压强度(24.51 MPa)较基准组提升19.3%，flexural toughness index I₁₀达0.87，展现优异延性。
3. 微观机制分析发现：NS通过"水泥吸引效应"在BF表面形成珊瑚状Ca(OH)₂/C-S-H复合结构，使纤维表面粗糙度提升300%，界面粘结强度提高47%。
4. 数值模拟显示：BF通过桥联作用使裂纹扩展路径迂曲度增加，能量耗散主要发生在 cement matrix(占总耗能68%)，纤维 pull-out 贡献额外32%的韧性储备。

该研究创新性地构建了"纳米改性-纤维增强-数值仿真"的多尺度研究体系：在材料层面，揭示了NS通过填充效应和二次水化反应优化ITZ结构的机制；在结构层面，阐明了BF三维网络抑制裂纹扩展的应力传递规律。所提出的6-0.2-2优化配比，相较传统钢纤维混凝土减轻重量20%，成本降低35%，为绿色高性能混凝土开发提供了新范式。研究团队Zhu等特别指出，未来可结合人工智能进行多目标优化设计，进一步挖掘纳米-纤维协同体系的性能潜力。