《Buildings》：LoopRAG: A Closed-Loop Multi-Agent RAG Framework for Interactive Semantic Question Answering in Smart Buildings
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本研究通过响应面法(RSM)系统优化了以矿渣(GGBFS)、粉煤灰(FA)、钢渣(SS)和脱硫石膏(DG)制备的碱激发材料(AAM)混凝土配合比，揭示了其“微观致密化-宏观高强度”的内在关联，为工业固废高值化利用和低碳混凝土开发提供了重要理论依据与技术支撑。
1. 引言
在全球建筑行业面临“双碳”目标严格约束的背景下，传统水泥混凝土生产的高能耗与高碳排放已成为制约行业可持续发展的关键瓶颈。作为混凝土中主要的胶凝材料，水泥在其原材料全生命周期碳排放中占比高达90%。因此，探索水泥替代品并降低其在混凝土中的用量，是实现混凝土行业绿色低碳发展的核心策略。利用固体废弃物制备的碱激发材料(AAM)替代水泥生产混凝土，不仅具有经济效益，更能促进固废循环利用，对环境保护和资源可持续管理具有多重积极意义。
碱激发材料是一种新型铝硅酸盐胶凝材料，主要利用富含硅、铝的工业固废（如矿渣、粉煤灰）为原料，通过碱性激发剂或碱性固废的协同水化作用，替代传统的硅酸盐水泥。碱激发材料展现出与普通水泥相媲美甚至更优的性能，例如更高的早期强度发展速率、优异的抗硫酸盐侵蚀能力、减少预应力混凝土中的钢筋腐蚀以及显著的高温稳定性等。这些优势使其在修复/加固材料、耐化学介质侵蚀等领域具有广阔的应用前景。
现有研究已阐明了不同固废前驱体的功能贡献：矿渣(GGBFS)和钢渣(SS)作为富钙源提供Ca2+用于凝胶形成；粉煤灰(FA)提供丰富的SiO2和Al2O3，促进铝硅酸盐网络的聚合；脱硫石膏(DG)提供SO42?，诱导钙矾石(AFt)形成。这些前驱体有望协同生成以C-S-H、C-(A)-S-H和AFt为主的复合凝胶体系，已被证明能增强混凝土的耐久性。然而，当前研究主要集中在使用高活性固废（如GGBFS）的二元或三元体系，导致钢渣、脱硫石膏等低品位固废的利用率有限，且多种前驱体之间复杂的协同机制及其对凝胶形成的交互影响尚未得到充分探索。因此，本研究旨在构建一个整合GGBFS、FA、SS和DG的四元固废体系，以最大化低品质固废的资源化利用率，同时优化碱激发混凝土(AAC)的力学性能和微观结构。
2. 实验
2.1. 原材料
实验所用S105级粒化高炉矿渣粉(GGBFS)、粉煤灰(FA)、钢渣(SS)和烟气脱硫石膏(DG)采购自中国河南省郑州市的洁卫环保材料有限公司。其主要化学成分为CaO、SiO2和Al2O3。
碱性激发剂为模数1.2的硅酸钠(Na2SiO3)溶液，由工业级Na2SiO3固体（初始模数3.3）和纯度95%的氢氧化钠(NaOH)配制而成。细骨料为天然河砂，粗骨料为5-20mm的天然花岗岩碎石。
2.2. 实验方法
研究首先进行了砂浆试验，评估了矿渣-粉煤灰二元固废体系中GGBFS含量和Na2SiO3掺量对抗压强度的影响。随后，引入钢渣和脱硫石膏部分替代粉煤灰，以确定四元体系的合理配比。在此基础上，采用响应面法(RSM)，以GGBFS含量、Na2SiO3掺量和水胶比(W/B)为自变量，以3天、7天、28天抗压强度和坍落度为响应值，构建预测模型，分析各因素及其交互作用对力学性能和工作性的影响机制，并通过模型优化得出最优配合比。
混凝土试件的制备、养护及强度测试均严格按照中国国家标准进行。使用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对选定配合比的AAM混凝土进行微观形貌观察和元素分析，以表征其微观结构特征和强度形成机理。
3. 实验结果与分析
3.1. 基础试验与微观结构分析
砂浆试验结果表明，GGBFS和Na2SiO3对AAM胶凝基体强度存在双向影响，其最优范围分别为60-80%和7-9%。钢渣掺量在5-10%时，28天抗压强度略高于基准组，表明钢渣中的碱性成分对矿渣-粉煤灰体系水化有一定激发作用，但过量添加会稀释胶凝组分，导致强度劣化，最优掺量为10%。脱硫石膏掺量在6-10%时，强度呈先增后减趋势，其提供的SO42?可与体系中的Ca2+和Al2O42?反应生成钙矾石(AFt)，增强早期强度，但过量则可能因微膨胀性导致内部孔隙增多和膨胀开裂，最优掺量为8%。
通过扫描电镜(SEM)观察发现，Na2SiO3激发的二元体系（GGBFS-FA）主要水化产物为纤维状和片状的C-S-H凝胶，FA贡献生成了致密层状结构的C-A-S-H凝胶。加入钢渣(SS)的三元体系，钢渣提供的Ca2+和Fe2+促进了更多C-S-H凝胶的生成，并可能形成结构更致密的Fe-C-S-H类凝胶。引入脱硫石膏(DG)的四元体系，SO42?诱导生成了针状AFt晶体，填充孔隙，同时细化C-S-H凝胶形态，使其呈更细小的颗粒状或短纤维状，分布更均匀，结构致密性显著提高。能谱(EDS)分析显示，Fe元素和S元素在界面区均匀分布，推测Fe元素可能促进了C-S-H与AFt的界面结合。
与二元和三元混合物相比，四元固废混合物不仅增强了强度、优化了微观结构，还提高了低品质固废的利用率。
3.2. 响应面法(RSM)优化与验证
基于响应面法建立的3天、7天、28天抗压强度和坍落度的二次回归模型，其决定系数(R2)均大于0.98，模型失拟项不显著，表明模型拟合优度良好，能够准确预测实验结果。
因素影响分析表明：
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对抗压强度的影响：Na2SiO3掺量(X2)及其二次项(X22)是影响各龄期强度的最显著因素。强度随Na2SiO3掺量增加呈先增后减的趋势，在8%附近达到峰值。水胶比(W/B, X3)对抗压强度的影响呈抛物线趋势，过低则水化不足，过高则稀释胶凝相，最优水胶比约为0.38。GGBFS含量(X1)在70%时对3天强度有最佳效果，其对后期强度的影响趋势趋于平缓。
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对坍落度的影响：水胶比(W/B)是影响坍落度的最显著因素，坍落度随W/B增加而线性增大。Na2SiO3掺量对坍落度的影响呈先增后减的“钟形”曲线，在8%时达到最佳。GGBFS含量在70%时坍落度最大。
通过模型优化，确定了AAM混凝土的最优配合比。经验证，各响应值的预测值与实测值误差均小于5%，表明响应面法能够准确预测AAM混凝土的配合比。
与普通硅酸盐水泥(OPC P.O42.5)混凝土相比，优化后的AAM混凝土在相同水胶比下，其3天、7天和28天抗压强度分别提高了10.6%、3.6%和10.9%，表现出优异的力学性能。尽管坍落度略低，但其粘聚性好，经时损失稳定。此外，AAM混凝土还具有凝结时间短、早期承载能力强、耐水性、耐化学腐蚀性和体积稳定性好等优点，特别适用于高强度工程、恶劣环境应用和工期紧迫的施工场景。
3.3. AAM混凝土的微观结构演化
对不同龄期AAM混凝土试样的扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)分析揭示了其水化过程和微观结构演变：
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3天：样品中出现片状Ca(OH)2晶体和絮状C-S-H凝胶，结构疏松，存在较多孔隙和裂纹。EDS显示Ca/Si比高达1.62。
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7天：C-S-H凝胶含量显著增加，出现少量AFt晶体，结构呈蜂窝状，缺陷减少。Ca/Si比降至0.81，Al3+参与凝胶形成。
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14天：C-S-H凝胶更加致密，缺陷进一步减少。Ca/Si比为0.71，Al3+含量增加至10.09%，表明Al3+大量参与形成C-A-S-H和N-A-S-H凝胶。
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28天：样品呈现致密的凝胶状基体，其中均匀分布着针状晶体（推测为AFt）。EDS显示Ca/Si比显著降低至0.40，Al/S比达到1.32，表明Ca(OH)2沉淀受到抑制，形成了高度聚合的C-A-S-H凝胶和稳定的AFt晶体，结构致密，呈玻璃状晶体特征。
随着养护龄期增长，AAM混凝土的水化反应日趋完全，水化产物从以片状Ca(OH)2为主转变为以高度聚合的C-S-H/C-(A)-S-H凝胶和均匀分布的AFt晶体为主的致密复合结构，孔隙率降低，这是其宏观力学性能优异的微观根源。
4. 结论
本研究通过胶凝材料基础试验和响应面法(RSM)，系统研究了由GGBFS、SS、FA和DG组成的四元固废体系下AAM混凝土的性能优化机理，并结合微观结构表征，揭示了强度发展的内在规律。主要结论如下：
- 1.
基础试验表明，与二元和三元体系相比，四元固废体系的联合使用不仅提高了强度、优化了微观结构，还提升了低品质固废的利用率。
- 2.
采用响应面法建立的3天、7天、28天抗压强度和坍落度预测模型具有优异的拟合度（R2均>0.98），实测值与预测值误差小于5%，能够准确量化各因素及其交互作用对性能的影响，为配合比优化提供了可靠依据。
- 3.
性能协同效应显著。结合微观结构分析(SEM/EDS)揭示，其宏观力学性能的优越性与微观结构的优化密切相关：凝胶状基体（暂定为C-S-H/C-(A)-S-H）高度聚合，针状晶体（暂与AFt关联）均匀分布，形成了致密的内部结构，体现了“微观致密化-宏观高强度”的内在关联。
本研究建立了基于四元固废的AAM混凝土多目标优化框架，展示了其在工业固废资源化利用方面的潜力，研究成果对固废在混凝土中的应用具有参考价值。
局限性说明：本研究的微观结构分析主要基于SEM（形貌观察）和EDS（元素定性分析），在直接物相鉴定方面存在局限。关于“Fe-C-S-H类凝胶形成”及“C-S-H-AFt复合结构”等结论是基于元素分布与微观形貌的关联性推断，而非直接的物相鉴定证据。未来研究需结合X射线衍射(XRD)和热重/差热分析(TGA/DTG)等技术，系统验证水化产物的物相组成与演化机制。
