低熟料SF–DK–LS杂化复掺HSC的力学性能、硫酸盐与高温耐久性及隐含碳综合评估

《Scientific Reports》：Integrated mechanical, durability, and sustainability assessment of low-clinker hybrid-blended HSC under sulfate and elevated temperatures exposure conditions

　　

杂化复掺废粉可在降低隐含碳（embodied carbon）的同时制备具有增强耐久性和改善环境可持续性的高强混凝土（high-strength concrete, HSC）。本研究在恒定水胶比0.30和水泥替代率至35%条件下，制备了9组掺入硅灰（silica fume, SF）、脱铝偏高岭土（dealuminated metakaolin, DK）和石灰石粉（limestone powder, LS）的二元、三元和四元胶凝体系杂化HSC。常温条件下，结果表明SF–DK体系表现出最大的力学性能提升，其中15SF5DK混合料获得最高28 d抗压强度，较对照混合料提高约39.07%，并在劈裂抗拉和抗折强度上显著改善。此外，扫描电子显微镜–能量色散X射线光谱（scanning electron microscopy–energy-dispersive X-ray spectroscopy, SEM–EDX）分析提示，该性能由微观结构致密化和结合基体内Ca/Si比降至2.21所驱动。杂化体系的传输相关性能显著改善，吸水率和渗水深度分别最多降低40.9%和29%，表明微观结构更致密、毛细连通性降低。进一步，8个月暴露于10% Na₂SO₄溶液显示，由早期传输控制阶段向后期化学控制劣化阶段转变。富SF体系和15SF10LS体系表现出较优稳定性，而单独DK混合料经历严重后期劣化——10DK记录最高的8个月质量损失5.80%和最低强度保留率（56.2%），归因于活性氧化铝相。然而，四元复掺成功缓解了这种化学不稳定性，限制了8个月质量损失并保持高残余强度。暴露于500 °C后，SEM–EDX微观结构观察显示高性能杂化体系中存在更富硅的结合相和更低Ca/Si比，与残余抗压强度改善和微观结构劣化减少一致。从可持续性角度，四元复掺15SF10LS10DK实现最大环境效益，在保持高强性能的同时将隐含碳降低约31.4%。总体而言，本研究结果表明，SF、DK和LS的策略性掺入可有效增强低熟料HSC的力学性能、耐久性和环境影响。

研究背景与问题：高强混凝土（high-strength concrete, HSC）需兼具高承载与长期耐久，但常通过低水胶比、高胶凝材料用量实现，导致普通硅酸盐水泥（ordinary Portland cement, OPC）依赖和CO₂排放增加。水泥生产能耗高，熟料生产约需1800 MJ/t，水泥工业约占人为CO₂排放8%。以辅助胶凝材料（supplementary cementitious materials, SCMs）替代熟料是主要减碳路径。SF与LS常用于高性能胶凝体系，DK是硫酸铝（alum）生产中以偏高岭土酸浸脱铝产生的富硅铝废料，埃及报道约240,000 t/年alum生产产生约80,000 t/年DK废料，亟需资源化。已有研究对DK在HSC多组分低熟料体系中的SF–LS–DK协同、硫酸盐与高温耐久性认识不足，故开展综合评估。

研究人员设计9组HSC，恒定水胶比（water-to-binder ratio, w/b）0.30、2%聚羧酸减水剂，OPC替代最高35%，SF固定15%、LS固定10%、DK为5%和10%，形成二元、三元和四元体系。关键技术方法（≤250字）：采用OPC CEM I 52.5、SF、DK、LS及19 mm碎石和天然硅砂；DK由Egyptian Shaba Company供应，LS来自埃及本地石灰石加工，SF为本地制造。测试坍落度、28 d抗压/劈裂抗拉/抗折；测定毛细吸收、吸水率和压力渗水深度；以10% Na₂SO₄浸泡2、4、6、8个月测质量变化和残余抗压；100 °C预干后经300、500 °C加热，测残余抗压和超声脉冲速度（ultrasonic pulse velocity, UPV）；用SEM–EDX观察500 °C后形貌与Ca/Si比；按cradle-to-gate估算隐含碳。

结果如下。坍落度结果：经坍落度试验，对照为12 cm，杂化组为9.8–11.2 cm，降幅不超过18.3%，说明在2%减水剂下工作性仍可满足浇筑。抗压强度结果：经7 d和28 d抗压试验，所有杂化组均高于对照；15SF5DK的28 d强度最高，为84.90 MPa，较OPC提高39.07%。劈裂抗拉与抗折强度：经28 d试验，10DK劈裂抗拉最高为5.27 MPa（提高43.60%），15SF10DK抗折最高为12.00 MPa（提高40.68%），LS三元体系改善较中等。吸水率与毛细吸收：经毛细吸收和吸水率试验，杂化体系降低传输；15SF10DK毛细吸收最低为7.17×10^?6 mm/s^0.5，吸水率1.40%，较OPC降低40.9%。渗水深度：经压力渗水试验，OPC为1.40 cm，15SF10LS10DK降至1.00 cm，降幅29%，表明孔连通性降低。硫酸盐抵抗：经8个月10% Na₂SO₄浸泡，呈早期传输控制、后期化学控制；15SF强度保留80.9%且残余强度最高，15SF10LS保留77.3%；10DK最差，强度保留56.2%、8个月质量损失5.80%，四元15SF10LS10DK质量损失降至4.05%。高温抵抗：经300 °C和500 °C后残余抗压试验，强度先升后降；15SF10DK在500 °C残余77.37 MPa，较25 °C高2.68%；15SF10LS10DK在500 °C降至68.53 MPa，较常温降15.24%。UPV：随温度升高而下降，OPC在500 °C为3.26 km/s，SF/DK体系较高，LS体系在500 °C为3.63–3.64 km/s，指示裂缝连通性较低。高温后微观结构观察：SEM–EDX显示OPC裂纹明显、Ca/Si为4.99；15SF10DK呈连续C–S–H、Ca/Si最低为2.21；15SF10LS10DK较15SF10LS更均匀。环境影响：按cradle-to-gate估算，OPC为594.0 kgCO₂e/m³，15SF10LS10DK为407.3 kgCO₂e/m³，降低31.43%；15SF10DK降低21.96%且具最高28 d抗压强度。

讨论与结论译文：讨论指出，硫酸盐与高温暴露对胶凝体系的排序不同，因损伤触发机制不同：硫酸盐受离子传输与膨胀性化学反应共同控制，高温则受水分重分布、300 °C前短暂再水化/密实及500 °C脱水与热微裂控制，故最优体系取决于暴露条件而非普适。结论译文：在w/b=0.30时，OPC最高35%替代不劣化力学性能；15SF5DK获得最高28 d抗压84.9 MPa（较OPC提高39.07%）；10DK劈裂抗拉最高，15SF10DK抗折最高；杂化体系传输指标显著降低；8个月10% Na₂SO₄暴露呈多阶段劣化，富SF体系最稳定，高DK需与SF–LS杂化以抑制后期膨胀性劣化；500 °C后强度呈非单调变化，300 °C可暂时密实、500 °C发生降解，SF–DK杂化保持较完整；SEM–EDX显示最优15SF10DK的Ca/Si为2.21，而OPC为4.99；15SF10LS10DK实现31.43%隐含碳净降低；因此常温最高强度选15SF5DK，高温残余性能选15SF10DK，硫酸盐耐久选15SF等富SF体系，可持续与抗渗综合选15SF10LS10DK。