再生农业与工业副产物部分替代水泥对超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）力学性能与耐久性的影响：稻壳灰（RHA）、粉煤灰（FA）、玻璃粉（GP）与粒化高炉矿渣粉（GGBFS）在10%和20%替代率下的比较研究

《Scientific Reports》：Effect of recycled agricultural and industrial by-products on mechanical and durability properties of ultra high-performance fiber reinforced concrete

　　

使用再生农业和工业副产物作为部分水泥替代材料可减少水泥消耗及相关环境影响。本研究考察了以稻壳灰（RHA）、粉煤灰（FA）、玻璃粉（GP）和粒化高炉矿渣粉（GGBFS）在10%和20%替代率下替代水泥对超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）新拌及硬化性能的影响。性能取决于材料类型和替代率。GGBFS20%达到最高28 d抗压强度149.1 MPa，较对照增加8.5%。其还达到最高劈裂抗拉强度10.9 MPa，增加18.5%，以及最高抗弯强度29.4 MPa，增加19.0%。RHA10%使28 d抗压、劈裂抗拉和抗弯强度分别提高3.1%、12.0%和11.7%。FA通常降低力学强度，尤其在20%替代率时；GP降低抗压、劈裂抗拉和抗弯强度。FA20%表现出最高工作性。GGBFS在10%和20%替代率下使吸水率分别降低约20%和30%，而RHA20%表现出最高吸水率。总体而言，RHA10%和GGBFS在选定性能方面表现良好。

研究人员围绕再生农业与工业副产物作为部分水泥替代材料对超高性能纤维增强混凝土（ultra-high-performance fiber-reinforced concrete, UHPFRC）新拌性能、力学性能和耐久性能的影响开展了试验研究。研究背景是气候变化和CO₂排放上升使环境可持续性成为全球优先事项，水泥工业是主要贡献者。农业和工业废物衍生辅助胶凝材料（supplementary cementitious materials, SCMs）可减少水泥用量、限制废物处置并保护自然资源，尤其适用于水泥含量高的UHPFRC。UHPFRC是具有密实微观结构、高力学强度和优良耐久性的先进水泥基复合材料；ACI-239 C要求抗压强度不低于150 MPa，ASTM C1856将抗压强度高于120 MPa的混合料归为UHPFRC，中国标准GB/T 31387将抗压强度高于100 MPa的混凝土归为UHPC。其生产通常水胶比为0.16~0.20，水泥用量约600~1000 kg/m³。钢纤维通过桥接裂缝改善拉伸、抗弯、韧性和裂后行为，纤维几何、长径比、形状、取向和体积分数影响纤维-基体相互作用和拔出行为。已有研究关注RHA、FA、GP、GGBFS等SCMs，最佳替代水平通常为10%~30%，但不同副产物在一致混合与测试条件下的比较有限。因此，本研究旨在评估RHA、FA、GP、GGBFS以10%和20%替代水泥对新拌性能、力学性能、吸水率和密度的影响，并识别有利替代水平以减少水泥消耗。

研究人员制备九组UHPFRC，水胶比0.18，SCMs替代0%、10%和20%水泥，钢纤维用量恒定40 kg/m³。测试包括新拌坍落度和流动直径、7 d和28 d抗压强度、28 d劈裂抗拉强度、28 d抗弯强度、吸水率和28 d密度。结论显示，GGBFS20%获得最高28 d抗压强度149.1 MPa，较对照提高8.5%；劈裂抗拉强度10.9 MPa，提高18.5%；抗弯强度29.4 MPa，提高19.0%。RHA10%使28 d抗压、劈裂抗拉和抗弯强度分别提高3.1%、12.0%和11.7%。FA总体降低力学强度，尤其20%替代；GP降低抗压、劈裂抗拉和抗弯强度。FA20%工作性最高。GGBFS使吸水率在10%和20%替代下分别降低约20%和30%，RHA20%吸水率最高。总体上，RHA10%和GGBFS在选定性能方面表现有利。意义在于支持农业和工业副产物在高性能混凝土中的更广泛工业应用，同时指出需进一步研究多SCM体系、长期耐久性和微观结构演变。

关键技术与方法：采用试验研究方法。RHA采自埃及当地农场，按Faried et al.所述程序以约10 °C/min升温至750 °C并保持约5 h，自然冷却后粉磨并过No. 200筛；FA为低钙F类粉煤灰；GP由废玻璃粉碎后过No. 200筛；GGBFS来自铁厂。胶凝材料为CEM I 52.5 N普通硅酸盐水泥，掺入硅灰、石英粉、天然硅质砂、白云石粗骨料、高效减水剂和端钩钢纤维。制备九组UHPFRC，水胶比0.18，替代率0%、10%、20%，钢纤维40 kg/m³。拌合时干混约2 min，加入水和减水剂后高速拌合约15 min，再掺入钢纤维，总拌合约20 min。试件浇筑后覆盖塑料膜，24 h脱模，70 °C热水养护3 d，再常温水养护至28 d。测试包括坍落度、流动直径、抗压、劈裂抗拉、四点弯曲、吸水率和密度。

研究结果如下。

Properties of fresh and hardened UHPFRC

Workability：通过坍落度和流动直径测试。FA或GP改善工作性，RHA或GGBFS产生负效应。FA10使坍落度和流动直径分别较对照提高55.20%和65.3%，FA20提高69%和124.5%。GP也改善工作性；原文报告GP10使流动直径和坍落度分别提高40.0%和20.4%，GP20相应为13.8%和16.3%。RHA10使坍落度和流动直径分别降低3.4%和14.3%，RHA20降低15.9%和20.4%。GGBFS10使坍落度略降4.8%，流动直径无明显变化；GGBFS20使坍落度和流动直径分别降低12.40%和8.2%。

Compressive strength：通过7 d和28 d立方体抗压测试。RHA10使7 d和28 d抗压强度分别提高约5.5%和3.1%，RHA20分别降低约6.4%和12.2%。GGBFS10提高约5.0%和2.6%，GGBFS20提高约13.8%和8.5%。FA10降低约13.5%和14.0%，FA20降低约19.9%和19.5%。GP10降低约25.0%和26.3%，GP20降低约27.7%和32.5%。按ASTM C1856，对照、RHA10、GGBFS10、RHA20和GGBFS20抗压强度大于120 MPa，满足UHPFRC分类；按GB/T 31387，含FA10、GP10和FA20的混合料抗压强度大于100 MPa，满足UHPC分类；除GP20低于100 MPa外，所有混合料28 d抗压强度均大于100 MPa，GP20被归为高强混凝土（high-strength concrete, HSC）而非UHPFRC。RHA在10%替代最有效，GGBFS可在20%替代下不损害抗压强度。

Splitting tensile strength：通过28 d圆柱劈裂抗拉测试。RHA10使劈裂抗拉强度约提高12%，RHA20降低约4.3%。GGBFS10和20分别提高9.8%和18.5%。FA10和20分别降低约12.0%和22.8%。GP10和20分别降低约26.1%和28.3%。

Flexural strength：通过四点弯曲测试。RHA10使抗弯强度提高11.7%，RHA20降低约13.0%。GGBFS10和20分别提高16.6%和19.0%。FA10和20分别降低约21.9%和28.7%。GP10和20分别降低6.5%和33.2%。

Water absorption：按ASTM C642测试，吸水率反映基体水可及性和孔结构。RHA10和20使吸水率分别增加15%和45%。FA10和20分别降低10%和5%。GP10降低15%，GP20降低约7.5%。GGBFS10和20分别降低20%和30%。RHA20吸水率最高，GGBFS降低吸水最明显。

Density：28 d密度按ASTM C642测试。所有掺废料SCM混合料密度均高于对照。GGBFS密度增加最多，10%和20%分别约7.9%和10.2%。RHA增加约5.5%和6.1%。FA增加约3.2%和4.4%。GP增加约2.4%和3.0%。

讨论部分总结：原文讨论认为，FA改善工作性归因于细球形颗粒、低需水量和较弱颗粒间粘结；GP归因于低吸水能力、高细度模数和有效表面特性；RHA降低工作性归因于颗粒高孔隙和更高自由水需求；GGBFS10保持工作性归因于有利颗粒特征及对新鲜基体流变行为影响有限。强度方面，RHA10改善可能与其高火山灰反应性（pozzolanic reactivity）和细颗粒有关，但原文指出未直接表征这些微观机制；RHA超过10%的强度下降主要归因于稀释效应（dilution effect）。GGBFS增强归因于潜在水硬活性（latent hydraulic activity），可能促进额外水化产物形成和基体致密化。FA降低强度与早期火山灰反应较低及稀释效应有关。GP降低强度与相对缓慢的火山灰反应和稀释效应有关。吸水率方面，RHA增加吸水与多孔性和高比表面积有关；FA和GP降低吸水可能与填充效应、改善颗粒堆积（particle packing）和更密实基体有关；GGBFS最显著降低吸水与潜在水硬活性、额外水化产物形成、细颗粒改善颗粒堆积和降低水可及性有关。密度增加方面，GGBFS归因于潜在水硬活性和基体致密化；RHA归因于高火山灰反应性和填充效应；FA归因于球形颗粒形态；GP归因于较慢火山灰反应，对基体致密化贡献相对有限。原文特别说明，粒径分布（particle-size distribution, PSD）未在本实验计划中测量，因此颗粒堆积仅作为吸水率变化的可能解释，而非直接验证机制。

研究结论翻译：本研究通过试验考察了掺入RHA、FA、GP和GGBFS作为部分水泥替代材料后UHPFRC的新拌、力学和耐久性能。基于试验结果，可得出以下结论：辅助胶凝材料的掺入显著影响UHPFRC混合料的工作性；FA、GP和GGBFS总体改善工作性，而RHA因其较高需水量产生负效应；在所研究混合料中，FA在20%替代率时工作性最高。GGBFS和RHA被确定为对力学性能最有效的辅助胶凝材料；GGBFS在20%替代率时获得最高28 d抗压强度，较对照提高8.5%，其次为RHA在10%替代率时提高3.1%；使用FA和GP降低抗压强度，尤其在20%替代率时。GGBFS在提高抗拉和抗弯强度方面最有效，尤其在较高替代率时，这归因于其潜在水硬活性；RHA的力学优势限于10%替代率，超过该水平后因稀释效应强度明显下降；FA和GP在所有替代率下均降低抗拉和抗弯强度。在耐久性方面，RHA20%因RHA多孔性表现出最高吸水率，而GGBFS在两个替代率下均产生最密实基体并稳定降低吸水率，证实其优越的长期致密化能力。总体而言，这些发现确定RHA在10%和GGBFS最高至20%是开发环保型UHPFRC的最佳替代策略，可平衡力学性能、耐久性和可持续性。这些结果支持农业和工业副产物在高性能混凝土应用中的更广泛工业采用，同时强调需进一步研究组合多SCM体系、长期耐久性和微观结构演变。