基于花岗岩-竹片可持续混凝土的玄武岩网格约束力学性能评估研究

《Advances in Materials Science and Engineering》：Evaluation of the Properties of Granite–Bamboo Chips Sustainable Concrete Confined in Basalt Mesh

　　

建筑行业迫切需要对传统混凝土的可持续替代方案，以减少与天然集料开采和钢筋使用相关的高碳足迹和环境退化。本研究探讨了花岗岩(G)-竹片(BC)混凝土在玄武岩网格(BM)约束和未约束状态下的结构性能，以确定最适合可持续混凝土生产的工程性能配合比。研究人员对六个混凝土混合系列(GBC1–GBC6)进行了试验和数值分析，这些混合系列采用恒定的水胶比0.40和配合比1:0.59:0.59制备，其中GBC1(100% G, 0% BCs)作为对照混合料。同时，GBC2、GBC3、GBC4、GBC5和GBC6分别以体积计含有20%、40%、60%、80%和100%的BC替代G粗集料。结果表明，除GBC2以20% BC替代G外，随着BC含量的增加，GBC混凝土的抗压强度(f_c)降低；然而，BM约束显著提高了f_c。GBC2表现出最高的f_c为49.50 N/mm²，而GBC3记录了最高的坍落度值和最低的f_c为1.61 N/mm²。吸水率随BC替代率的增加而增加，范围从GBC1的最小值3.1%到GBC6的最大值16.6%。弹性模量的变化趋势与f_c相似，混凝土立方体达到最大值7.7×10^?10 N/mm²和最小值1.4×10^?10 N/mm²，而混凝土圆柱体记录的最大值为8.2×10^?11 N/mm²，最小值为3.6×10^?11 N/mm²。使用ANSYS进行的应力-应变分析进一步表明，GBC2表现出最高的最大和最小应力，分别为47.586和34.804 MPa。总体而言，在BM约束的混凝土中用BCs替代G导致了强度的显著提高，证明了该复合体系作为一种高性能和环境可持续建筑材料的潜力。

## 花岗岩-竹片可持续混凝土在玄武岩网格约束下的力学性能研究解读

### 1. 研究背景与问题提出

建筑行业作为全球碳排放和资源消耗的主要来源，正面临向可持续材料转型的迫切需求。传统混凝土的生产依赖天然集料的开采——尤其以花岗岩(G)为代表——以及钢材的使用，这些过程不仅消耗大量能源，还对生态环境造成显著破坏。在此背景下，竹材作为一种生长周期短（3至5年）、可再生能力强、固碳效果显著的天然材料，正逐渐成为可持续建筑材料研究的热点。竹材的开采仅需人工砍伐，相比花岗岩开采的机械化作业，能耗明显更低。

竹片(BC)作为混凝土粗集料的替代方案已引起研究者的兴趣，但现有文献表明，将竹片用于混凝土粗集料的研究仍然稀少，尤其是将竹片集料混凝土与玄武岩网格(BM)约束相结合的研究此前尚属空白。玄武岩网格，也称玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)，由天然玄武岩熔融拉丝制成，其生产过程不产生额外排放，具有优异的耐腐蚀性、耐火性和耐久性，是一种极具前景的混凝土约束材料。

本研究旨在填补这一研究空白，将竹片集料混凝土与玄武岩网格约束相结合，系统评估该复合体系的工程力学性能。研究人员设计了六个混凝土混合系列，以不同体积比例（0%至100%）的花岗岩替代为竹片，在有无玄武岩网格约束两种条件下进行试验和数值分析，以确定最优配合比。该研究引入混凝土可持续生产的新思路，通过将竹材这一可再生资源与玄武岩这一天然矿物材料组合，构建一种集轻质、高强、环保于一体的混凝土复合体系。

### 2. 研究总体设计与样本来源

研究人员采用实验与数值分析相结合的方法，依据BS 8110混凝土设计规范，以恒定水胶比0.40和混合比1:0.59:0.59制备了六个混凝土混合系列。六种系列分别为GBC1（100%花岗岩，对照组）、GBC2（20%竹片）、GBC3（40%竹片）、GBC4（60%竹片）、GBC5（80%竹片）和GBC6（100%竹片）。原材料方面，花岗岩粗集料（10-25 mm）取自尼日利亚ABUAD建筑工地，竹片由当地农民提供的Guadua竹种经工业木材加工设备切割制成，硅砂购自尼日利亚拉各斯施工现场，BM由俄罗斯MIAGRID公司生产。所有混凝土浇筑并养护后，研究人员进行了坍落度、密度、抗压强度、吸水率、弹性模量及劈裂拉伸强度等试验测试，并使用ANSYS Workbench进行有限元分析。

### 3. 关键研究方法概述

本研究涉及多项试验与数值分析方法。坍落度试验用于评估新拌混凝土的工作性。抗压强度(f_c)试验分别在7天、14天和28天养护龄期进行，采用100×100×100 mm立方体试件和100 mm直径×200 mm高度的圆柱体试件，圆柱体分为BM约束和未约束两组。密度试验在浇筑后48小时进行。吸水率试验在28天养护后进行，将试件浸水24小时测定质量变化。弹性模量(E)通过经验公式由密度和抗压强度推算。强度增强比(SER)采用约束与未约束抗压强度之比计算。劈裂拉伸强度通过经验公式由抗压强度推导。数值分析采用ANSYS Workbench建立三维有限元模型，使用CPT 215命令脚本定义Drucker-Prager参数，采用混凝土微平面模型（microplane model）进行非线性分析，通过应力-应变探针获取模型在压缩荷载下的响应。

### 4. 研究结果分析

#### 4.1.1 坍落度试验结果

坍落度试验结果显示，六个混凝土混合系列的坍落值介于10至21 mm之间，均表现出低工作性特征。这主要归因于Sika Visco Crete 2000高效减水剂的使用。其中，GBC3混合料（60%花岗岩-40%竹片）具有最大坍落度值，表明该比例下竹片可能在颗粒堆积与内部摩擦之间达到最优平衡，改善了混合料内部润滑效果；而GBC2和GBC5具有最小坍落值，工作性最差。

#### 4.1.2 抗压行为

立方体抗压强度试验结果显示，在28天养护龄期，GBC2（20%竹片）的抗压强度达到最大值35.35 N/mm²，超过对照组GBC1的34.3 N/mm²，而GBC3至GBC5的抗压强度随竹片含量增加而持续下降。值得注意的是，GBC6（100%竹片）在7天时仅为1.61 N/mm²，但28天时显著增长至17.5 N/mm²，增幅超过980%，呈现出明显的后期强度增长特征。

圆柱体抗压强度试验中，未约束状态下GBC2的f_co最高为29.69 N/mm²，GBC5最低为7.35 N/mm²。经BM约束后，各系列的f_cc均显著提升，其中GBC2仍为最高，达49.50 N/mm²。BM约束使各组混凝土强度平均提高53.91%。强度增强比(SER)分析表明，GBC5具有最高SER值3.50，而GBC2的SER最低为1.67，说明在竹片含量较高时，BM约束对强度的改善效果更为显著。抗压强度随竹片含量增加而下降的趋势，与竹片多孔纤维质特性导致的集料-基体间界面黏结力弱化有关；而GBC6出现的非单调回升可能源于完全替代时的颗粒堆积密实效应。

#### 4.1.3 密度试验结果

密度试验结果表明，随着竹片含量增加，混凝土密度整体呈下降趋势。GBC1与GBC6相比，立方体密度下降15.96%。约束圆柱体中GBC1密度最大(2537.6 kg/m³)，GBC6密度最小(1710.2 kg/m³)；未约束圆柱体GBC1密度最大(1502.3 kg/m³)，GBC5密度最小(540.62 kg/m³)。相较于传统混凝土，本研究制备的混凝土整体呈现轻质特征，这构成了其相对于常规混凝土的重要优势。

#### 4.1.4 弹性模量(E)

弹性模量结果显示，立方体试件在28天时，GBC1具有最大E值23.9×10³ N/mm²，最小值为GBC6的9.36×10³ N/mm²。约束圆柱体以GBC1最高(38.3×10³ N/mm²)，GBC6最低(16.6×10³ N/mm²)；未约束圆柱体GBC1最高(13.4×10³ N/mm²)，GBC5最低(1.47×10³ N/mm²)。E值的变化趋势与抗压强度表现高度一致，印证了弹性模量与抗压强度之间的关联性。

#### 4.1.5 吸水率试验结果

吸水率测试显示，随竹片含量增加，混凝土吸水率呈稳定上升趋势。GBC6吸水率最高，达16.6%；GBC1吸水率最低，为3.1%。该结果直接反映了竹片材料高吸水性的固有特性，说明高竹片替代率的混凝土需要充分的防水处理和养护措施。

#### 4.1.6 养护龄期对抗压强度发展的影响

养护龄期分析显示，GBC1对照组在7天时已获得29.90 N/mm²的强度，至28天仅增加至34.30 N/mm²，强度增长主要发生在前7天。与此形成鲜明对比的是，富含竹片的混合料表现出延迟但显著的强度增长。GBC6从7天的1.61 N/mm²增长至28天的17.5 N/mm²，累计增幅超过980%。这一现象与竹片的多孔结构相关——竹片在早期吸收并储存混合水，随养护进程缓慢释放回水泥浆体，形成内部养护机制，持续促进水化反应的进行。

#### 4.2 GBC混凝土圆柱体的劈裂拉伸强度

劈裂拉伸强度结果中，GBC2在约束和未约束状态下均表现最佳，分别为2.95 N/mm²和2.29 N/mm²。BM约束对GBC5的劈裂强度提升最为显著，增幅达86.84%，其次为GBC4的74.45%。总体而言，竹片含量低于20%时劈裂强度保持与对照组相当水平，而竹片含量降低时劈裂强度呈下降趋势，体现了竹片-水泥基体界面黏结强度对拉伸性能的直接影响。

#### 4.3 有限元分析(FEA)

采用ANSYS Workbench进行非线性有限元分析，对BM约束GBC混凝土圆柱体施加压缩荷载。分析结果显示，GBC2具有最高最大应力47.586 MPa和最小应力34.804 MPa，GBC1具有最低最大应变0.0012581，GBC6具有最高最大应变0.0018498。应力-应变关系曲线表明，随竹片含量变化，试件最大应力呈现与试验结果一致的规律：自GBC1至GBC2上升后持续下降，至GBC6又有所回升。应变变化则呈现波动模式。

### 5. 总结与讨论

本研究表明，以竹片部分替代花岗岩集料并辅以玄武岩网格约束的混凝土体系，在结构性能上具有可行性。GBC2（20%竹片替代率）在各项力学指标中表现最优——抗压强度达49.50 N/mm²，超过对照组，表明适量竹片替代非但不损害强度，反而可能通过颗粒级配优化改善混凝土密实度。BM约束对混凝土强度的提升效果在各配合比中均得到验证，平均值达53.91%，充分确认了玄武岩网格作为外部约束套箍的有效性。

研究结论可归纳为以下要点：(a) 所有混合系列坍落度值在10至21 mm之间，呈现低工作性特征，归因于减水剂的使用；(b) BM约束显著提高各配合比混凝土的抗压强度，平均增幅53.91%；(c) 竹片集料混凝土呈现轻质特性；(d) 弹性模量随竹片含量增加而降低，与抗压强度变化趋势一致；(e) 高竹片替代率混凝土吸水率显著增加，未经充分处理的竹片会对耐久性产生不利影响；(f) BC含量为20%时劈裂拉伸强度最佳，BM约束在竹片含量80%时对劈裂强度提升最为显著(86.84%)；(g) 有限元分析确认GBC2为最优配合比，最大应力47.586 MPa；(h) 应力-应变规律证实竹片含量对应力分布具有显著影响。

该研究为可持续建筑材料领域提供了一种创新的复合体系方案，将可再生竹材资源与天然玄武岩矿物纤维相结合，在保证结构安全性的同时降低对环境的负面影响。研究数据支持竹片在低替代率（20%左右）情况下作为花岗岩集料的可行替代，并确认BM约束作为强度增强措施的有效性。研究同时指出，竹片集料的充分防水处理、微观界面黏结机理的深入探究以及水吸收抑制策略的开发，将是该材料体系未来优化的重要方向。该复合材料的推广应用有望为建筑业提供一种兼顾力学性能和生态效益的新型绿色建筑方案。