1. 前言
全球建筑业目前正经历一场范式转变，这一转变由环境可持续性的紧迫需求和数字技术的快速发展所驱动。作为使用最广泛的人造材料，混凝土处于这一转型的核心。传统波特兰水泥生产造成了全球二氧化碳（CO2）排放的很大一部分 [1,2]。因此，研究人员正在探索新型胶凝材料、矿物掺合料（SCMs）和回收策略，以在保持或增强结构性能和耐久性的同时，降低该行业的碳足迹 [3]。本合集收录的十篇研究文章全面概述了这些进展，涵盖从自流平砂浆和复合胶凝材料的化学优化，到人工智能和低成本传感器在结构健康监测中的应用。
2. 文章简介
2.1. 活性超细粉煤灰与硫铝酸盐水泥在自流平砂浆中的研究（Chuang 等）
Chuang 等人研究了通过将 I 型波特兰水泥、硫铝酸盐水泥（SAC）和活性超细粉煤灰（RUFA）相结合来优化自流平砂浆（SLM）。自流平砂浆要求具有高流动性和稳定性，且不发生离析。研究发现，由于球形形态和高火山灰活性，RUFA 显著提高了微观结构的密度并降低了孔隙率 [4]。虽然硫铝酸盐水泥增强了早期强度，但其掺量必须仔细控制（理想体积掺量约为 10%），以平衡干燥收缩和长期强度。
2.2. 骨料需水量作为自密实混凝土配合比设计的主导因素（Urban）
Maciej Urban 强调，在高效减水剂时代，骨料的需水量（或比表面积）是自密实混凝土（SCC）设计中被低估的因素。作者评估了四种分析模型（Bolomey、Stern、Loudon 和相对比表面积），并证明它们都与包裹骨料的浆体相对厚度呈高度线性相关。这项研究简化了设计过程，允许根据简单的骨料级配数据确定"最小浆体需求线"。
2.3. 高比例包覆再生骨料对钢筋混凝土梁的影响（Martínez 等）
本研究解决了再生骨料（RAs）在结构应用中使用的局限性。Martínez 等人测试了替换率为 50% 和 100% 再生骨料的钢筋混凝土梁，其中再生骨料表面包覆了再生胶凝浆（RBP），以改善其表面微观结构。虽然 100% 替换时抗压强度下降高达 12.73%，但梁的裂缝模式和承载能力与 ACI 318 和 Eurocode 2 的理论预测相当或超过。
2.4. 采用替代性钢相容盐激发的复合砂浆（Cruz-Hernández 等）
该研究探索了复合水泥——含 70-80% 工业副产物（矿渣）且仅含 20-30% 熟料的胶凝材料 [5]。Cruz-Hernández 等人专注于使用碳酸钠和硝酸钠激发基于矿渣的复合砂浆。碳酸盐激发在降低孔隙率方面更为有效，而硝酸盐激发形成了特定相（硝酸盐-AFm），有效阻碍了氯离子扩散，表明其在钢筋混凝土结构中具有高耐久性 [6]。
2.5. 体积电阻率作为耐久性指标（Santos Cortés 等）
本研究评估了掺入火山灰（VA）和甘蔗渣灰（SCBA）混凝土的可持续性和耐久性。Santos Cortés 等人使用体积电阻率（ER）作为材料抗氯离子渗透的非破坏性指标 [7]。由 5% 火山灰和 15% 甘蔗渣灰组成的三元混合物显示出高达 37% 的电阻率增加和约 16.8% 的二氧化碳减排，证明其是沿海建设的一种可行的绿色替代方案。
2.6. 纤维类型对混凝土氯离子侵入的影响（Silva 等）
Silva 等人利用 X 射线宏观荧光（MacroXRF）对掺入玻璃纤维和聚丙烯纤维的混凝土中的氯离子渗透进行了测绘。研究结果表明，虽然纤维不增加抗压强度，但能有效缓解氯离子侵入。掺量为 0.25% 的聚丙烯纤维表现最佳，强调了最佳纤维体积对于增强混凝土在恶劣环境中的保护能力至关重要。
2.7. 水泥稳定土的强度预测（Miturski）
Miturski 提出了一种新的经验关系，用于预测水泥稳定土的无侧限抗压强度（UCS），考虑了孔隙率、水泥指数和养护时间。通过开发等值线图解，作者为公路工程提供了一项实用工具。研究证明，水泥指数是强度发展的主导因素，而养护时间可以通过数学建模来提供长期预测。
2.8. 超混凝土力学行为的细观模拟（Martínez Raya 等）
探索超材料的前沿领域，Martínez Raya 等人开发了一种二维细观有限元模型，用于"超混凝土"——含谐振包体（带橡胶涂层的钢芯）的混凝土，设计用于衰减振动和冲击波。该研究量化了与这些包体相关的强度损失，并建议最佳谐振器含量（3-5%）以保持结构完整性，同时实现所需的谐振特性。
2.9. 早期混凝土中低成本传感器的评估（Porras 等）
监测早期混凝土对于质量控制至关重要。Porras 等人验证了一种基于 Arduino 的低成本无线传感器系统，用于跟踪内部温度和湿度。该系统在实验室条件下和工业预制新泽西护栏上均成功进行了测试。研究结果证实，此类系统能够可靠地检测温度梯度和成熟度，为工厂环境中的养护管理提供可操作的数据。
2.10. 使用 YOLOv10 和 Transformer 进行重型设备检测（Eum 等）
针对建筑工地的安全问题，Eum 等人实施了 YOLOv10 目标检测框架，集成了基于 Transformer 的骨干网络（Swin Transformer），用于监测重型设备。该模型表现出高准确率（AP50 = 89.72%）和实时处理速度（35 FPS）。这项技术可实现持续的安全监测，降低碰撞风险，并提高复杂工作环境中的运营效率 [8]。
3. 讨论
这十篇文章的综合分析揭示了现代土木工程的多方面方法。首先，对可持续胶凝材料——如活性超细粉煤灰、硫铝酸盐水泥、基于矿渣的复合材料以及农业灰烬（SCBA）——的关注，强调了向循环经济的转变，即把工业废物转化为资源。其次，先进表征和建模技术的整合，如用于氯离子测绘的 MacroXRF 成像和用于超混凝土的细观有限元分析，使得对材料行为的理解超越了传统的宏观测试。第三，数字技术的采用，包括低成本物联网传感器和人工智能驱动的目标检测，标志着"建筑 4.0"的到来，9 即数据驱动的决策增强了安全性和质量控制。
总之，这些研究指出，虽然可持续材料在机械强度方面往往涉及权衡（例如，再生骨料混凝土或纤维增强混凝土的强度降低），但可以通过创新的包覆技术、优化的配合比设计和精确的化学激发来缓解这些问题。此外，通过电阻率和成熟度模型预测性能的能力为工业应用提供了必要的可靠性。
4. 未来发展方向
基于综合研究结果，建议未来研究方向如下。
4.1. 数字孪生与实时反馈
将低成本传感器数据与 AI 模型集成，创建混凝土构件的"数字孪生"10，允许在预制厂中实现自主养护调整（例如，自动喷雾系统）。
4.2. 先进表面工程
进一步使用纳米材料精炼再生骨料和纤维的包覆技术，以消除强度损失并增强界面过渡区（ITZ）11。
4.3. 极端气候下的长期耐久性
将复合胶凝材料和火山灰混凝土的研究扩展到高度腐蚀性（C-5）或极地环境中的长期暴露，以验证服役寿命模型。
4.4. 多模态 AI 安全系统12
将设备检测与工人姿态分析和全工地物联网网络相结合，创建一个整体的、预防性的安全生态系统。
