《Results in Materials》：Optimized Mechanical and Durability Performance of High Fly Ash Concrete Incorporating Recycled GFRP Fibers through a Machine Learning Approach
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在混凝土中掺入工业副产品及回收复合材料废弃物为减少水泥消耗并提升可持续性提供了有效途径。本研究探讨了M30等级混凝土中掺入高掺量粉煤灰、硅粉及机械回收的汽车玻璃纤维增强聚合物（GFRP）纤维后的力学与耐久性能。硅粉保持10%的恒定替代水平，粉煤灰掺量按水泥质量
在混凝土中掺入工业副产品及回收复合材料废弃物为减少水泥消耗并提升可持续性提供了有效途径。本研究探讨了M30等级混凝土中掺入高掺量粉煤灰、硅粉及机械回收的汽车玻璃纤维增强聚合物（GFRP）纤维后的力学与耐久性能。硅粉保持10%的恒定替代水平，粉煤灰掺量按水泥质量比从0%变化至40%。回收GFRP纤维来源于报废汽车保险杠废弃物，按胶凝材料质量比以0.5%、1.0%和1.5%的掺量加入。采用坍落度试验评估新拌混凝土的工作性，并在3、7、28和56天养护龄期测定压缩强度（CS）、劈裂抗拉强度（STS）和抗弯强度（FS）。通过氯离子抵抗性、硫酸盐抵抗性、吸水率及碱度试验评估耐久性能。结果表明，当粉煤灰替代率高达35%时，与硅粉和回收GFRP纤维协同使用，可提升后期力学性能，同时保持可接受的工作性和耐久性。最优配合比（含35%粉煤灰、10%硅粉和1.0%回收GFRP纤维）在28天时，与常规混凝土相比，CS、STS和FS分别提高了约25.5%、63%和55%。采用响应面法（RSM）优化粉煤灰和GFRP纤维掺量，实现了高整体期望度及均衡的力学性能。开发的用于性能预测的人工神经网络（ANN）模型与试验结果吻合良好。
**论文解读：基于机器学习方法优化掺入回收GFRP纤维的高粉煤灰混凝土的力学与耐久性能**
**1. 研究背景与问题**
建筑业是全球自然资源消耗和二氧化碳排放的主要来源之一，普通硅酸盐水泥的大量使用是主要原因。近年来，可持续混凝土材料的发展受到广泛关注，通过掺入工业副产品（如粉煤灰、硅粉）和回收废弃物（如纤维增强聚合物复合材料）可减少水泥消耗、降低环境负荷并促进循环经济。粉煤灰作为辅助胶凝材料，能改善混凝土长期强度和耐久性，但传统研究将其替代率限制在20–25%以避免早期强度不足。硅粉因其超细颗粒和高火山灰活性，可显著提升早期强度并密实界面过渡区。然而，将粉煤灰替代率提高至常规以上水平仍面临挑战，需额外措施补偿早期强度损失。同时，纤维增强聚合物（FRP）废弃物的处置日益成为环境问题，尤其是汽车用GFRP复合材料（如保险杠）在寿命终结后大多被填埋或焚烧。机械回收的GFRP纤维作为二次增强材料，可低能耗地实现可持续回收，但其在混凝土中的协同应用研究不足。此外，基于响应面法（RSM）和人工神经网络（ANN）的统计与数据驱动建模方法，可有效分析多种材料参数间的交互作用并优化配合比。因此，本研究旨在综合评估高掺量粉煤灰、硅粉与机械回收汽车GFRP纤维对M30等级混凝土力学与耐久性能的影响，并利用RSM和ANN进行优化与预测。该论文发表在《Results in Materials》。
**2. 主要技术方法**
研究人员采用实验与建模相结合的方法：首先，对M30等级混凝土（按IS 10262:2019设计，总胶凝材料400 kg/m3，水胶比0.45）掺入0–40%粉煤灰（替代水泥）、10%恒定硅粉和0.5–1.5%机械回收GFRP纤维（来自报废汽车保险杠，长度12–25 mm，抗拉强度1200–1600 MPa）。通过坍落度试验评估工作性，在3、7、28、56天测定压缩强度(CS)、劈裂抗拉强度(STS)和抗弯强度(FS)；耐久性试验包括氯离子暴露、硫酸盐暴露、吸水率和pH值测试。同时，采用响应面法(RSM)进行多响应优化，建立人工神经网络(ANN)模型预测力学性能。
**3. 研究结果**
**3.1 坍落度试验**
粉煤灰掺量≤35%时，因其球形颗粒形态改善工作性，但回收GFRP纤维增加内摩擦导致坍落度降低，1.5%纤维时流动性受限；最优配合比FA35–G1.0（35%粉煤灰+10%硅粉+1.0%纤维）在目标坍落度范围内实现了工作性与性能的平衡。
**3.2 压缩强度(CS)**
无粉煤灰的含纤维混合料早期强度略高于常规混凝土，1.0%纤维时最优；粉煤灰混合料早期强度因稀释效应和火山灰反应缓慢而略降，但硅粉缓解了下降。28天时，含30–35%粉煤灰的混合料CS显著提升，FA35–G1.0达到最高40.8 MPa（较常规混凝土提高25.5%），归因于硅粉和粉煤灰的协同作用促进孔细化与二次水化，以及纤维的裂缝桥接效应。56天时FA35–G1.0达45.5 MPa。
**3.3 劈裂抗拉强度(STS)**
所有含纤维混合料在各龄期STS均高于常规混凝土，1.0%纤维时最优。28天时FA35–G1.0达4.9 MPa（提高63%），56天达5.4 MPa，归因于二次水化和纤维–基体粘结增强。1.5%纤维因分散效率降低而性能略降。
**3.4 抗弯强度(FS)**
含纤维混合料FS显著提升，1.0%纤维时最优。28天时FA35–G1.0达7.6 MPa（提高55%），56天达8.2 MPa，归因于硅粉密实基质、粉煤灰持续水化与纤维应力传递的协同效应。
**3.5 耐久性**
- **氯离子暴露**：所有混合料强度损失3–6%，质量损失1.15–1.85%，FA35–G1.0保留强度39.8 MPa，表明抗氯离子侵入性能良好。
- **硫酸盐暴露**：强度损失6–10%，质量损失1.70–2.65%，FA35–G1.0保留强度38.5 MPa，表面受损但内部稳定。
- **pH值**：所有混合料pH值12.60–12.72，维持强碱性环境，保护钢筋钝化。
- **吸水率**：FA35–G1.0吸水率最低2.20%，反映基质致密，孔隙率低。
**3.6 可持续发展目标相关性**
该研究符合SDG 9、11、12、13，通过减少水泥消耗、利用回收废弃物促进低碳建筑。
**4. 讨论与结论**
**ANN分析**：ANN模型（输入参数为粉煤灰和GFRP纤维含量，输出为力学性能）在训练、验证和测试阶段均显示低均方误差，误差直方图集中于零线，回归图显示预测值与实验值高度一致，表明模型能有效捕捉非线性关系，无过拟合。
**RSM分析**：多响应优化（同时最大化28天和56天CS、STS、FS）得到整体期望度最高0.962，对应约1.05% GFRP纤维和7.4%粉煤灰。扰动图显示GFRP纤维含量对期望度影响更大；相互作用图表明两变量存在显著交互；等高线和3D表面图明确了最优区域（0.9–1.2% GFRP，5–10%粉煤灰）。回归系数显示，GFRP纤维的线性项和二次项对CS、STS、FS均显著，粉煤灰影响较弱，但高阶项表明非线性关系。
**研究结论**：
- 粉煤灰替代率超过常规水平（35%）与硅粉和回收GFRP纤维协同使用可行，早期强度略降但后期显著提升。
- 压缩强度主要受粉煤灰和硅粉控制，纤维通过限制微裂缝间接贡献；最优纤维掺量为1.0%。
- 劈裂抗拉强度因纤维桥接作用改善最显著，过高纤维因分散效率降低而有害。
- 抗弯强度因纤维与密实基质协同作用显著增强。
- 最优混合料FA35–G1.0在28天时CS、STS、FS分别提高25.5%、63%、55%，工作性可接受。
- 耐久性试验显示该混合料抗氯盐和硫酸盐侵蚀、低吸水率、高碱度，保护钢筋。
- RSM优化验证了试验最优配合比，ANN模型预测与实验吻合。
- 该研究独特之处在于同时利用35%粉煤灰、10%硅粉和1.0%回收GFRP纤维，实现力学与耐久性协同提升，适用于非预应力结构、路面、预制构件等可持续基础设施。
- 研究限于M30等级、粉煤灰<40%、纤维<1.5%，未来需关注更高替代率、寿命周期评估、长期耐久性和微观结构分析。
