再生轮胎钢纤维与LC3混凝土协同效应的可持续混凝土配合比多准则优化研究

《Results in Engineering》：Multi-criteria optimization for sustainable concrete mix considering the synergistic effect of recycled steel fiber and LC3 concrete

本刊推荐：为解决传统混凝土高碳排放、脆性及成本问题，研究人员开展了再生轮胎钢纤维（RTSF）增强石灰石煅烧粘土水泥（LC3）混凝土的协同效应研究。通过多准则优化发现，含0.9% RTSF的LC3混凝土在力学性能（抗压强度55.2MPa、弯拉强度7.6MPa）相当的前提下，可实现二氧化碳排放量降低25%且成本更优，为绿色建筑材料设计提供了新范式。

　　

随着全球人口快速增长和基础设施需求激增，混凝土已成为世界上使用最广泛的建筑材料。然而，作为混凝土核心胶凝材料的传统波特兰水泥（OPC），其生产过程不仅消耗大量自然资源，更因碳酸钙分解和化石燃料燃烧释放巨量CO₂，成为环境恶化的主要推手。据统计，水泥行业贡献了全球约8%的二氧化碳排放量。与此同时，混凝土固有的脆性特质和抗拉强度低的缺陷，也制约着其在高性能结构中的应用。

为破解这一困境，学术界曾探索用辅助性胶凝材料（SCMs）如粉煤灰、矿渣等替代部分水泥，但这些传统材料的资源分布不均且日益稀缺。近年来，采用煅烧粘土与石灰石复合的石灰石煅烧粘土水泥（LC³）技术崭露头角，其原料分布广泛，且能显著降低碳足迹。研究表明，用LC³替代水泥可使混凝土碳足迹减少16%-32%。另一方面，从废弃轮胎中回收的再生轮胎钢纤维（RTSF）为改善混凝土力学性能提供了新思路。全球每年产生约52亿条废弃轮胎，其 Steel Fiber 的回收利用既能解决固体废物难题，又能替代高能耗的工业钢纤维（ISF）。但将RTSF与LC³结合应用的协同效应尚属研究空白，特别是其对混凝土微观结构、力学性能及环境影响的系统评估亟待深入。

在此背景下，伊朗阿米喀布尔理工大学的研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究，通过多学科交叉方法系统探究了RTSF与LC³混凝土的协同作用。研究人员设计10组配合比（5组OPC基准组、5组LC^{3实验组），分别掺入0%-1.2%体积分数的RTSF，采用超声脉冲速度（UPV）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等先进表征技术，结合力学性能测试和环境经济性分析，建立了完整的性能预测模型。}

关键技术方法包括：（1）采用低品位高岭土（约31%高岭石含量）煅烧制备LC³；（2）通过三轴弯曲试验测定弯拉韧性指标（I₅、T₁₅₀¹⁰⁰）；（3）运用全球变暖潜能值（GWP）进行生命周期评估；（4）建立考虑纤维体积分数（v_f）的力学性能预测方程；（5）采用多准则决策法进行优化排序。

3.1. XRD分析揭示水化机理

XRD图谱显示LC³浆体中石灰石（CaCO₃）峰值的减弱与单碳铝酸盐（MC）的形成，证实了煅烧粘土-石灰石-水泥三元体系的水化协同作用。这种反应有效消耗了钙矾石（Ett）和波特兰石（P），优化了微观结构。

3.3. RTSF对超声波速的影响

UPV测试表明纤维掺量存在最优阈值：当RTSF体积分数达0.6%时，混凝土均匀性最佳；超过此值后，纤维聚集效应导致波速下降。值得注意的是，LC³体系在1.2%高掺量下仍保持波速增益，说明其基体对纤维分散的包容性更强。

3.4. 压缩性能的协同增强

抗压强度测试呈现有趣现象：OPC混凝土在0.3%RTSF时强度峰值（59.5MPa），而LC³混凝土峰值出现在0.9%（57.8MPa）。更重要的是，LC³试件在破坏后呈现更完整的裂而不碎形态，纤维桥接作用显著改善受力性能。电镜观测发现，RTSF表面残留橡胶颗粒在OPC基体中形成弱界面过渡区（ITZ），但在LC³中因火山灰反应改善界面结合。

3.5. 劈裂抗拉强度提升显著

RTSF对拉伸性能改善尤为突出：1.2%掺量使OPC和LC³混凝土劈裂强度分别提升73%和82%。线性回归方程表明，纤维体积分数与强度增益呈显著正相关（R²>0.98）。

3.6. 弯曲性能实现韧化转变

三点弯曲试验揭示关键现象：普通混凝土呈现脆性破坏，而RTSF掺量≥0.9%时出现明显的变形硬化行为。LC³-0.9组试件的韧性指数I₅达5.04，能量吸收值T₁₅₀¹⁰⁰为21.38J，均优于同掺量OPC体系。纤维破坏机制分析显示，短纤维主要发生拔出破坏，长纤维则更易断裂，这种多尺度协同作用有效抑制裂缝扩展。

3.8. 微观界面相互作用

SEM微观分析揭示机理本质：RTSF表面附着的橡胶颗粒虽在OPC中弱化界面，但其中CaCO₃组分能与LC³中煅烧粘土的氧化铝反应生成碳铝酸盐，反而增强纤维-基体粘结。这种"变废为宝"的化学反应是协同效应的核心机制。

3.9. 环境与经济性双赢

生命周期评估显示，LC³混凝土碳排放在326-340kg CO₂eq/m³范围，较OPC体系（438-453kg CO₂eq/m³）降低25%。成本分析表明LC³材料成本降低12%-18%，虽纤维增加成本，但综合CO₂强度指标（单位性能碳排放）显著优化。

3.11. 多准则优化确定最优配比

通过建立考虑7项指标（抗压强度、劈裂强度、弯拉强度、韧性指数、能量吸收、GWP、成本）的总体合意函数D，最终确定LC³-0.9为最优体系（D=0.629），其在高力学性能与低环境影响间取得最佳平衡。

本研究通过严谨的实验设计和多维度分析，证实了RTSF与LC³混凝土的协同增强机制。这种协同作用源于两个层面：在微观尺度，煅烧粘土的火山灰反应优化了纤维-基体界面；在宏观尺度，RTSF的多尺度纤维桥接效应与LC³的基体强化形成互补。研究建立的力学性能预测模型为工程应用提供理论依据，而环境经济性分析则证明该技术符合可持续发展需求。特别值得关注的是，将废弃轮胎钢纤维与低品位粘土这两种"废弃物"转化为高性能建筑材料，为循环经济模式提供了典范案例。该成果对推进建筑行业碳中和目标具有重要实践意义，尤其在抗震设防区、承受动载结构等需要高韧性的工程场景展现广阔应用前景。未来研究可聚焦于长期耐久性、动态荷载性能及更高替代率的LC³体系优化，进一步拓展该技术的应用边界。