基于层间粘结性能的多层自密实混凝土（SCC）生命周期可持续效率评估与多准则优化

《Materials Today Communications》：Life-cycle sustainability efficiency assessment and multi-criteria optimization of self-consolidating concrete based on interlayer bond performance

　　

日益增长的环境关切及对经济可持续性的日益重视，推动混凝土行业开发能够在实际服役条件下提供增强工程性能的设计策略。然而，现有可持续性评价通常独立于其支撑的工程性能来评价环境指标，而优化研究通常识别单一最优配合比，实际灵活性有限。为克服这些局限，本研究提出一个集成框架，用于基于层间粘结性能的多层自密实混凝土（SCC）生命周期可持续效率评估与多准则优化。采用四种辅助胶凝材料（SCM）（F类粉煤灰、超细F类粉煤灰（UFAF）、C类粉煤灰和磨细粒化高炉矿渣（GBFS））在不同替代水平、浇筑间隔和养护龄期下开展了综合试验方案。将直剪试验和劈拉试验与从摇篮到大门生命周期评价（LCA）相结合，开发基于性能的可持续效率指标，将层间粘结性能与内含能（EE）、全球变暖潜势（GWP）和材料成本相关联。统计预测模型被纳入基于可行设计区域而非单一最优解的多准则优化框架。所提框架识别最优SCM、临界浇筑延迟时间、可接受配合比及在预定力学、环境和经济约束下的可持续效率。在所研究胶凝材料中，UFAF在层间粘结保持率和可持续效率之间表现出最有利平衡，而可行设计区域表明最优配合比选择强烈取决于SCM类型和施工约束。总体而言，所提方法直接将材料选择、施工规划和生命周期可持续性联系起来，为实际现场条件下多层SCC的性能导向设计提供合理依据。

研究背景：水泥生产在混凝土制造环境负担中占最大份额，每生产1 kg波特兰水泥（PC）约产生0.47–1.30 kg CO₂-当量排放，对应内含能（EE）为2.8–3.4 MJ/kg。辅助胶凝材料（SCM）部分替代PC可改善自密实混凝土（SCC）流变与力学性能，但提高SCM替代水平不一定降低环境影响。混凝土可持续性不仅取决于胶凝材料组成，还受SCM类型与替代水平、生产过程、运输及其对工程性能和耐久性的影响。生命周期评价（LCA）已成为量化混凝土可持续性的主要方法，常用指标包括全球变暖潜势（GWP）、EE和材料成本。然而，多数研究关注单一环境指标，且生命周期影响常独立于其支撑的工程性能进行评价，难以识别兼具优良工程性能和可持续性的配合比。多层SCC中，连续分层浇筑时层间界面质量取决于下层流变状态，浇筑间隔增大会因结构建立削弱界面过渡区，导致层间粘结下降。因此，需要将层间粘结性能、生命周期可持续性和施工调度统一考虑。本研究人员提出集成框架，以直剪强度（DSS）和劈拉强度（STS）表征层间粘结，结合从摇篮到大门LCA，建立性能归一化可持续效率指标，并进行多准则优化，识别可行设计区域和临界浇筑延迟时间（DTC）。

关键技术方法（≤250字）：采用全因子试验设计，制备17个SCC配合比、共1530个层间粘结试件。材料包括ASTM C150 Type I普通PC、四种SCM（F类粉煤灰FAF、超细F类粉煤灰UFAF、C类粉煤灰FAC、磨细粒化高炉矿渣GBFS）、天然河砂与碎石及聚羧酸醚高效减水剂SRF521；水泥基材料化学、物理和粒径由独立实验室按标准方法测定。水胶比0.40，SCM替代水平为15%、30%、45%、60%，浇筑间隔为0、40、80、120、160 min，养护龄期为7、28、90 d。采用DSS和STS试验评价层间粘结，并用从摇篮到大门LCA计算EE、GWP和材料成本；以粘结强度归一化EE、GWP和成本，形成效率指标。用Design-Expert进行二次回归、方差分析、逐步回归和误差评价，并用overlay plots建立可行设计区域和DTC。

研究结果：5.1 层间粘结性能。通过DSS和STS预测模型及90 d等高线得出，浇筑间隔是残余粘结强度的主导因素，SCM替代影响取决于SCM类型。5.1.1 RBS-DSS：随浇筑间隔0–160 min增加，RBS-DSS向低值区移动；FAF响应曲率最明显，低至中等替代可改善粘结保持，继续增加改善变小；FAC类似但较弱；UFAF和GBFS等高线较平滑近水平，主要受浇筑间隔控制。5.1.2 RBS-STS：STS比DSS更能区分SCM类型；FAF呈明显对角线，替代增加通常降低残余拉伸粘结；UFAF类似但敏感性较低；FAC上部近水平、下部上弯，高替代局部改善；GBFS居中。两种试验互补，单一方法不足以全面评价层间性能。5.2 生命周期可持续性评价。5.2.1 EE：SCM替代PC显著降低EE，60%替代时由对照组2391.8 MJ/m³降至UFAF、FAF、FAC、GBFS的1091、1060、1061、1422 MJ/m³，FAF/FAC降幅最大，GBFS较高。5.2.2 GWP：60%替代时由426.7 kg CO₂-e/m³降至179.1、178.4、178.5、202.5 kg CO₂-e/m³，FAF、FAC、UFAF低于GBFS。5.2.3 成本：FAF、FAC、UFAF在60%替代时降至52.1、52.5、53.3 USD/m³，GBFS仅降至75.9 USD/m³，经济改善有限。5.3 基于性能的可持续效率评价。5.3.1 EE效率：随浇筑间隔增加而降低，随SCM替代总体提高；UFAF最高，其次FAC、FAF，GBFS最低；90 d零延迟时60UFAF的DSS/EE较60FAF、60FAC、60GBFS分别高约29.6%、45.9%、96.9%。5.3.2 GWP效率：排序仍为UFAF＞FAC＞FAF＞GBFS，浇筑间隔增加降低GWP效率；UFAF因粘结性能优而最高。5.3.3 成本效率：UFAF最高，FAC和FAF相近且FAC略高，GBFS最低；最低成本不等于最高成本效率。5.4 统计建模与分析。5.4.1 预测模型：二次模型对八个响应均显著，R²为0.8659–0.9262，精密度高于4；浇筑间隔F值最大，为RBS-DSS和RBS-STS主导因素。逐步回归后模型保持高R²，NRMSE≤9.2%、NMAE≤7.0%，环境与经济效率响应误差更低；验证试验绝对百分误差4.8%–6.4%，MAPE为5.00%–5.80%。5.4.2 多准则优化：设置8个场景，逐步加入力学、环境和经济约束；可行设计区域随约束增强而缩小。Scenario 1中DTC依赖SCM类型和替代水平，FAF由约63 min降至12 min，FAC由约60 min降至31 min，UFAF和GBFS在约150 kg/m³处出现最大DTC约59和65 min。Scenario 2加入RBS-STS后DTC下降，FAF、UFAF、FAC在约24、172、169 kg/m³处最大DTC约61、58、55 min。Scenario 3加入环境约束后，UFAF可行区域最大，GBFS无可行区域。Scenario 4和5加入经济与环境约束后，UFAF仍保持较大可行区域，FAF受限，FAC仅高替代水平可行，GBFS无可行区域。Scenario 6–8采用Q₃严格阈值后，仅UFAF保留有意义的可行设计区域。单目标GWP效率最大化在所有SCM中均位于浇筑间隔0 min和SCM含量300 kg/m³的设计边界。讨论部分总结：研究人员强调性能归一化指标能避免仅以最低环境影响或最低成本选择材料；UFAF在粘结保持和可持续效率间平衡最佳；DTC曲线将配合比设计与施工允许延迟联系起来；可行设计区域比单点最优更具实践灵活性；结论受材料、配合比、浇筑间隔、养护龄期、实验室条件和从摇篮到大门LCA边界限制。

研究结论翻译：本研究开发了一个面向性能的集成框架，通过将层间粘结性能与从摇篮到大门生命周期可持续性评价直接联系，用于多层SCC评价和多准则优化。不同于独立评价力学性能和可持续性的传统方法，所提方法将试验粘结表征、统计建模、生命周期评价和可行设计区域分析整合于统一决策支持框架。基于研究结果可得以下结论：所提基于性能的可持续效率指标成功建立了层间粘结性能与生命周期可持续性之间的直接关系；通过将层间粘结性能对EE、GWP和材料成本进行归一化，所开发指标表明，环境影响最低的配合比不一定提供最高可持续效率，这突出了同时而非独立评价工程性能和生命周期影响的重要性。层间粘结性能主要受浇筑间隔控制，而SCM替代影响强烈取决于SCM类型；FAF和FAC对替代水平更敏感，UFAF和GBFS在直剪响应中敏感性较低；劈拉响应更清晰地区分所研究SCM，确认单一试验方法不足以全面评价多层SCC界面。在所研究SCM中，UFAF始终在层间粘结性能和可持续效率之间提供最有利平衡；尽管FAF和FAC产生最低EE、GWP和材料成本，但UFAF因粘结保持更优而在多数设计域内获得最高EE、GWP和成本效率，说明选择可持续SCC配合比时必须同时考虑工程性能与环境经济指标。所开发预测模型具有高统计可靠性和预测能力；精炼二次模型具有高决定系数、满意诊断特征和低归一化预测误差，适合SCC配合比预测和多准则优化。所提多准则优化框架通过引入可行设计区域扩展传统点优化，不限于识别单一最优配合比，而使工程师能够评价满足预定力学、环境和经济效益标准的多个可接受SCC配合比，为实际配合比设计和施工规划提供更大灵活性。将DTC纳入优化框架，在配合比设计与施工实践之间建立了实际联系；所开发DTC曲线可直接识别每种SCC配合比在保持规定层间粘结性能下的最大允许浇筑间隔，为多层混凝土施工计划提供指导并降低施工引起界面劣化风险。总体而言，在所研究试验和生命周期评价域内，所提框架表明可持续多层SCC设计不应仅基于单独最小化环境影响或最大化力学性能；将层间粘结性能、生命周期可持续性和施工相关约束整合于统一优化框架，可为材料选择和施工规划提供更合理依据。所提方法因此提供了一种面向性能的决策支持途径，用于识别在研究所设计域内同时满足层间粘结、可持续性和可施工性相关标准的SCC配合比。当前结果限于所研究材料、配合比、浇筑间隔、养护龄期和实验室条件，LCA仅限于从摇篮到大门边界；未来应研究水胶比、HRWR掺量及其他配合比参数的影响，以及不同环境暴露条件下层间粘结性能的长期演化，并建议开展现场尺度验证以评估实验室结果对实际多层施工的适用性。