基于多准则决策分析的花岗岩废料骨料在自密实混凝土中的优化应用研究

为应对传统自密实混凝土(SCC)高成本、高收缩及环境负担问题，研究人员通过掺入30%粉煤灰(FA)及0-60%花岗岩废料骨料(GWA)替代天然细骨料(NFA)，开发了9种SCC混合物。结果表明，40% GWA掺量使抗压强度提升20%，50% GWA显著降低渗透性指标（水渗透性降53%），LCA显示环境足迹减少26%（全球变暖潜能）。TOPSIS和VIKOR多准则分析确定30-35% GWA为最优掺量，为密集配筋结构提供了兼具技术性能与环境效益的解决方案。

　　

随着城市化进程加速，建筑行业面临密集配筋结构施工难度大、传统振捣混凝土易出现蜂窝麻面等问题。自密实混凝土(SCC)因其卓越的流动性和自密实特性成为解决方案，但其高水泥用量导致成本攀升（较普通混凝土高20-30%）及显著收缩裂缝风险。更严峻的是，水泥生产贡献了全球8%的CO₂排放，而天然骨料开采每年消耗约400亿吨资源。与此同时，花岗岩加工业每年产生数百万吨废料，堆积造成土地资源浪费和重金属污染。如何协同解决建筑材料性能、经济性与环境可持续性的矛盾，成为当前土木工程领域的关键挑战。

针对这一系列问题，印度理工学院坎普尔分校(ACMS, IIT Kanpur)与马拉维亚国立理工学院(MRC, MNIT Jaipur)的研究团队创新性地提出"双废协同"策略——同时利用火力发电厂副产物粉煤灰(FA)和花岗岩加工废料(GWA)改造SCC。研究通过9组实验设计，系统评估了FA恒定替代30%水泥、GWA梯度替代0-60%天然细骨料(NFA)对SCC性能的影响，并首次引入生命周期评估(LCA)与多准则决策(MCDM)方法进行综合优化。

关键技术方法包括：采用ASTM C618标准FA和43级OPC水泥；通过坍落流动度、V型漏斗等测试验证SCC工作性；按IS:516-1959标准测试7/28/56天抗压强度；通过水渗透性、毛细吸水率(sorptivity)和氯离子扩散系数评估耐久性；使用扫描电镜(SEM)观察微观结构；基于ISO 14040框架进行LCA；应用TOPSIS和VIKOR算法进行多目标优化。

材料特性
XRF分析显示FA富含SiO₂(58.19%)和Al₂O₃(26.93%)，其352 m²/kg的比表面积显著高于水泥(297 m²/kg)。GWA的棱角形貌和4.75 mm以下粒径分布使其可完全替代NFA。

力学性能
抗压强度呈现"先升后降"趋势：30% GWA掺量时56天强度达峰值48.77 MPa，较基准组提升20.17%。SEM显示该组水化产物最致密，GWA与浆体界面无裂隙。超过40%替代后，因骨料级配失衡导致强度回落。

耐久性表现
50% GWA组展现最优抗渗透性：水渗透系数降幅达53%，毛细吸水率降低24%，氯离子扩散系数下降25%。微观机制分析表明，GWA的微粉填充效应和FA的二次水化反应协同降低了孔隙率。

环境效益
LCA结果显示，30% GWA组的全球变暖潜能(GWP)降低26%，矿物资源消耗减少23%。值得注意的是，运输距离分析表明，当GWA取材半径<50 km时，其环境优势可完全抵消预处理能耗。

多准则优化
TOPSIS与VIKOR两种算法均指向30-35% GWA为最佳平衡点，此时技术性能得分0.82（满分1），环境得分0.78，显著优于传统SCC。敏感性分析显示抗压强度（权重0.35）和GWP（权重0.3）是决策关键因子。

该研究通过"性能-环境-经济"三维度论证了GWA在SCC中的应用价值：技术上，30%掺量可实现强度与耐久性的协同提升；环境上，每立方米混凝土可减少82 kg CO₂当量排放；经济上，GWA的使用使材料成本降低15-18%。研究创新点在于：首次建立GWA-FA-SCC系统的LCA模型，开发了适用于建材优化的MCDM流程，为《绿色建筑评价标准》提供了数据支撑。未来研究可拓展至GWA在海水环境混凝土、3D打印建材等领域的应用验证。

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加外部引用。专业术语如自密实混凝土(SCC)、粉煤灰(FA)等均在首次出现时标注英文缩写，并保留原文的上下标格式如CaO、SiO₂等。）