玄武岩纤维协同粉煤灰与硅灰提升煤矸石混凝土力学性能及抗冻性的微观机制研究

本文创新性采用玄武岩纤维(BF)协同粉煤灰(FA)和硅灰(SF)改性煤矸石混凝土(CGC)，通过宏观力学测试与微观结构表征，揭示0.15% BF与15% FA、7% SF协同可最优提升抗压强度(300次冻融循环耐久性)，其机制在于FA/SF的微填充效应促进C-S-H凝胶生成，而BF的桥接作用有效阻断裂纹扩展。研究为寒区固体废弃物资源化利用提供理论支撑。

　　

Highlight

当FA、SF与0.15% BF协同作用时，CGC展现出最优机械强度，此时可承受高达300次冻融循环，表现卓越抗冻性。FA和SF的高细度与活性促进更多C-S-H凝胶生成，在填充孔隙的同时强化了煤矸石骨料(CGA)的界面过渡区(ITZ)。

The synergistic effect of CGC frost resistance improvement

基于B15对照组发现：0.12% BF对CGC抗冻性提升有限，过量BF(0.18%)会导致局部孔隙增多；而0.15% BF的"桥梁效应"能跨越孔隙并阻断微裂纹扩展，显著提升抗冻性。通过双参数抛物线模型评估，证实BF体积含量是损伤程度的关键影响因素。

Freeze-thaw damage evolution mechanism of CGC

图解显示：CGA的片状疏松结构在冻融过程中，内部自由水结冰膨胀使初始微孔扩展，反复冻胀力最终导致ITZ区域产生贯穿裂纹。BF网络能有效约束这种膨胀应力，而FA/SF生成的致密C-S-H凝胶层可延缓水分渗透。

Carbon emission assessment and cost analysis of CGC

采用单位体积CO₂-当量(CO₂-e)评估显示：改性CGC较传统混凝土降低12.7%碳足迹，且原料成本节约23%，实现环境效益与经济效益双赢。

Conclusion

(1) 0.15% BF使CGC抗压/抗折强度达峰值，冻融后质量损失率<2.5%；

(2) FA/SF通过"微填充-火山灰效应"优化孔隙结构；

(3) BF网络结构是抵抗冻胀应力的关键屏障。