《Case Studies in Construction Materials》：Post-heating mechanical behavior of concrete containing rice husk ash and asbestos cement sheet waste: Experiments and predictions
编辑推荐：
本研究评估了含稻壳灰（RHA）与石棉水泥板废料（ACSW）混凝土的高温后力学行为。以ACSW替代天然粗骨料在常温下未表现出抗压强度损失。RHA与ACSW的联合使用改善了热性能，但在所有温度下均降低了弹性模量。含7.5% RHA的配合比在600 °C下最能保持抗
本研究评估了含稻壳灰（RHA）与石棉水泥板废料（ACSW）混凝土的高温后力学行为。以ACSW替代天然粗骨料在常温下未表现出抗压强度损失。RHA与ACSW的联合使用改善了热性能，但在所有温度下均降低了弹性模量。含7.5% RHA的配合比在600 °C下最能保持抗压性能。所提出的校准模型可确定RHA-ACSW混凝土在热暴露前后的力学性能。
研究人员为评估工农业副产品在混凝土中的协同利用，针对石棉水泥板废料（ACSW）与稻壳灰（RHA）复掺混凝土在高温后的残余力学行为开展了试验与预测研究。背景上，混凝土行业消耗大量矿物资源并产生大量废物，将ACSW替代天然粗骨料、RHA替代部分胶凝材料被视为兼顾性能改良与废物管理的途径；但既有研究多集中于常温性能或单一材料，关于二者复掺后在严重热应力下残余力学行为的实证数据匮乏。为此，研究人员以水胶比0.43、RHA质量替代水泥0%、7.5%、15%，ACSW质量替代粗骨料0%、20%、40%，制备9组配合比、共81个100 mm×200 mm圆柱试件，经28 d水养后分别于20 °C、300 °C、600 °C暴露（高温组先60 °C预热24 h，达到目标温度后恒温1 h，炉内自然冷却并环境调节至少10 d），系统测试抗压强度、初始与割线弹性模量、峰值应力应变、极限应变、韧性指数与破坏模式，并结合SEM分析微观结构；同时建立归一化抗压强度、归一化割线弹性模量与归一化峰值应变的非线性回归经验模型，并与ACI 216 R、ASCE、EN 1994-1-2及CEB-FIP 1991标准预测值对比。结论表明：常温下RHA提高抗压强度，ACSW替代粗骨料未造成明显强度损失；300 °C与600 °C下R15-A20与R7.5-A20分别较对照保留更多残余强度；7.5% RHA最有利于600 °C下抗压性能保持；复掺总体上降低各温度下弹性模量；600 °C下峰值应变与极限应变显著增大。研究意义在于为双组分废物混凝土在火灾等高温工况下的性能评估提供试验依据与经验预测工具。
关键技术方法概述：采用绝对体积法按ACI 211进行配合比设计，以质量替代方式控制RHA与ACSW掺量并保持水胶比恒定；新拌混凝土按ASTM C143进行坍落度试验；试件按ASTM C192成型与养护；按ASTM C39进行单轴抗压试验（加载速率0.12 MPa/s）；按ASTM C469由应力-应变曲线计算初始与割线弹性模量；采用电阻式马弗炉实施20 °C、300 °C、600 °C热暴露制度并以热电偶监测炉温与试件芯部温度；采用扫描电子显微镜（SEM）分析微观结构；采用非线性回归建立经验预测模型。样本来源为本地建材供应商积存的破损石棉水泥板碎片，经清洗、破碎、筛分后使用；RHA粒径分布采用动态光散射（DLS）表征。
研究结果：3.1 抗压强度——通过单轴压缩试验得出，未加热试件抗压强度为37.9~43.7 MPa，300 °C降至19.1~34.9 MPa，600 °C降至7.4~12.9 MPa；RHA因活性二氧化硅与氢氧化钙（Ca(OH)?）发生火山灰反应生成额外水化硅酸钙（C-S-H）凝胶而提高强度，ACSW在常温下影响不明显；300 °C时ACSW改善强度，归因于胶凝相部分脱水、 microstructure致密化及石棉纤维抑制微裂缝；600 °C时R0-A40强度最低，40% ACSW因纤维降解与基体完整性下降导致剥落。3.1.1 归一化抗压强度——通过非线性回归得出经验式（R2=0.95，RMSE=0.11，MAE=0.1），与试验数据吻合良好。3.2 弹性模量——通过应力-应变曲线测定得出，未加热试件初始与割线弹性模量分别为21.9~29.3 GPa与21.0~29.2 GPa；常温下复掺降低弹性模量，R0-A40降幅达20.2%；300 °C时R0-A0的初始与割线模量降幅最大（48.2%、48.8%）；600 °C时R15-A0降幅最大（90.7%、90.8%），机理为氢氧化钙（CH）分解与C-S-H凝胶降解。3.2.1 归一化弹性模量——通过与ASCE、CEB-FIP 1991、EN 1994-1-2、ACI 216 R标准对比及回归得出经验式（R2=0.95）。3.3 峰值应力应变——通过试验得出，常温下为0.002~0.0033；300 °C时多数试件变化不显著，R15-A20增幅47.8%；600 °C时显著增大，R0-A20增幅最小、R15-A40增幅最大（162.2%）。3.3.1 归一化峰值应变——通过回归得出经验式（R2=0.96，RMSE=0.12，MAE=0.09），600 °C时实测归一化值为1.7~2.6，低于EN 1994-1-2预测的五倍增长。3.4 极限应变——以残余强度0.85f′c对应应变定义，通过试验得出常温下复掺增大极限应变；600 °C时全部试件极限应变增大，R15-A20与R0-A20分别为增幅最大与最小者。3.5 韧性——通过应力-应变曲线下面积之比定义的韧性指数得出，600 °C时R0-A0韧性指数增大51.1%；不同配合比呈现强度损失与峰值应变增大的竞争机制。3.6 微观结构分析——通过SEM观察R0-A0、R7.5-A20与R15-A40在20 °C与600 °C后的形貌得出，常温下R7.5-A20结构最致密；600 °C后R0-A0孔隙与热裂缝显著增多，而复掺试件基体连续性与热稳定性较好。3.7 破坏模式与外观——通过压缩试验后观察得出，未加热试件以竖向裂缝或端部局部锥形破坏为主，受热试件呈端部完整锥形破坏并伴竖向与斜向裂缝；300 °C表面呈奶油色，600 °C呈红奶油色，并随温度升高出现覆盖层开裂与剥落。
讨论与结论总结：讨论部分指出，复掺RHA与ACSW在高温下表现出强度保留优势，但弹性模量普遍降低；经验模型与试验数据吻合良好，且与ACI、ASCE标准总体趋势一致，但仅适用于所研究的替代水平与材料来源；受再生材料固有变异性与替代水平范围限制，需更大样本与更多材料来源的进一步研究以完善预测精度。结论部分译文：本研究评估了稻壳灰（RHA）作为水泥替代材料与石棉水泥波纹板废料（ACSW）作为骨料替代材料对混凝土常温及高温暴露后力学性能的协同效应，主要发现如下：1. 常温下最佳抗压强度出现在R7.5-A0与R15-A0配合比，分别较对照提高7.0%与2.9%；ACSW骨料在常温下对混凝土抗压强度无明显影响；就热性能而言，RHA与ACSW同时掺入被证明有益，在300 °C与600 °C下R15-A20与R7.5-A20分别较对照试件多保留17.9%与33.6%的残余强度，表明其抗热退化能力更强。2. 在20 °C常温下R7.5-A20试件抗压强度最高；然而将ACSW掺量提高至40%（R0-A40、R7.5-A40、R15-A40）导致各RHA替代水平下抗压强度与弹性模量均呈下降趋势。3. 以RHA替代水泥、尤其是7.5%水平，似乎是保持热稳定性最有效的策略，600 °C下抗压性能保持最优即为证据。4. 提高ACSW与RHA替代水平总体上导致所有测试温度下初始与割线弹性模量降低；弹性性能降幅最显著者出现在较高替代水平配合比，其中R15-A40试件在20 °C、300 °C与600 °C下相对其对照的弹性模量降幅最大。5. 300 °C下峰值应力对应应变与极限应变未表现出一致趋势，随配合比设计而变化；然而在600 °C下两种应变参数均显著增大，达到其初始值的约两至三倍，其中R15-A40与R15-A20配合比变化最显著。6. 定性SEM观察表明，RHA与ACSW同时存在可能与更致密的基体形貌及潜在改善的界面过渡区（ITZ）特征相关；这些微观结构观察似乎与残余强度及热稳定性的改善相一致，尤其是在R7.5-A20试件中。7. 高温下含ACSW与RHA试件表面出现变色、剥落与开裂，表明表面完整性受损；压缩荷载下裂缝主要自试件端部竖向扩展，与观察到的热损伤模式一致。8. 所提出的含ACSW与RHA混凝土力学性能经验关系与试验数据吻合良好；这些数学模型可作为估算该特定材料组合在热暴露下力学行为的描述性工具；虽然与ACI和ASCE标准所建立的总体趋势一致，但这些模型系针对所研究的替代水平与材料来源专门校准。9. 尽管观察到的趋势为RHA与ACSW基混凝土行为提供了有价值见解，但再生材料的固有变异性与所研究替代水平的有限范围表明，需开展更大样本量与更多材料来源的进一步研究以完善这些经验模型的预测精度。
