使用TOPSIS方法评估掺入碎枣核的混凝土性能

《Buildings》：Performance Evaluation of Concrete Incorporating Crushed Date Kernel Using TOPSIS Method Adnan Bawadekji, Mohamed I. S. Elmasry, Muhammad Akbar and Nejib Ghazouani

　　

尽管近期研究广泛探讨了将多种农业副产品作为骨料替代物掺入混凝土的可行性，但碎枣核（crushed date kernel, CDK）的具体潜力因其丰度而仍未被充分表征。本研究评估了以5%至30%体积比部分替代细骨料的CDK混凝土的性能。实验计划旨在确定混合料的主要特性，如抗压强度（compressive strength）、劈裂抗拉强度（splitting tensile strength）、抗弯强度（flexural strength）和粘结强度（bonding strength），此外还包括超声波脉冲速度（ultrasonic pulse velocity, UPV）、吸水率（water absorption）、密度（density）和热导率（thermal conductivity）。标准混合料28天后的抗压强度为26.73 MPa，抗弯强度为4.47 MPa，热导率为1.99 W/m·K。5%替代率时抗压强度为26.78 MPa，但抗弯强度更高达4.85 MPa，同时热导率降至1.86 W/m·K。较高的替代率导致力学强度逐渐损失，而30%替代率时对应应力为19.65 MPa；然而热导率持续下降至1.27 W/m·K，表明绝缘能力更佳。此外，TOPSIS多准则决策分析在多种权重组合下表现出稳健的分类。分析确定5%替代率为运行最优，10%替代率为可持续性最优。

论文解读：基于TOPSIS方法的碎枣核混凝土性能评估

**研究背景与问题**

混凝土作为全球使用最广泛的建筑材料，其骨料约占体积的60%–75%。随着城市化加速，骨料消耗量激增，建筑行业面临减少依赖原生资源和采用低环境影响材料的压力。绿色混凝土旨在用天然或工业副产品部分替代传统组分，同时满足性能和结构要求。近年来，许多研究探索了农业废弃物（如橡胶树种子壳、椰子壳、核桃壳、橄榄石等）在水泥基复合材料中的应用，表明可控替代水平下可降低密度且保持可接受的力学与耐久性。然而，碎枣核（crushed date kernel, CDK）作为一种在中东和北非地区尤其丰富的木质纤维素生物质，其作为细骨料替代物的潜力尚未得到充分表征。枣核（date kernel, DK）约占果实质量的10%–15%，富含纤维素、木质素和半纤维素，具有低密度和低比重，有望用于轻质和热性能改善的水泥基复合材料。但已有研究表明，将枣核作为骨料替代物会一致降低力学强度，同时改善绝缘性能，且这种强度-绝缘权衡取决于替代率、材料形态和处理方式。由于该系统涉及多个相互冲突的准则（如工作性、密度、力学性能、耐久性、热性能和成本），单一响应评估无法有效优化混合料，因此需采用多准则决策方法。本研究旨在系统评估粒径控制的CDK（0.60–4.75 mm）作为细骨料部分替代物的混凝土性能，并通过TOPSIS方法确定最佳替代率。

**研究内容与结论**

研究人员配制了七种混合料：基准混合料（M0）以及以5%、10%、15%、20%、25%和30%体积比用CDK替代天然砂的六种混合料。实验评估了力学性能（抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度、粘结强度）、物理性能（密度、吸水率）和热性能（热导率），并通过直接拉拔测试评估混凝土-钢筋粘结强度。同时，采用TOPSIS多准则决策框架进行性能排序和灵敏度分析。结果表明，5%替代率时混凝土保持或略微改善力学性能，28天抗压强度为26.78 MPa（基准26.73 MPa），抗弯强度提高至4.85 MPa（基准4.47 MPa），热导率降至1.86 W/m·K（基准1.99 W/m·K）；30%替代率时抗压强度降至19.65 MPa，但热导率进一步降至1.27 W/m·K。TOPSIS分析一致识别5%替代率为运行最优，10%替代率为可持续性最优，且灵敏度分析显示该排名在七种权重场景下保持稳健。研究发表在《Buildings》。

**主要关键技术方法**

研究采用的关键技术方法包括：材料预处理（将CDK浸泡48小时至表面饱和干状态，控制粒径0.60–4.75 mm）；配合比设计采用绝对体积法（ACI 211.1），水灰比0.58，水泥用量350 kg/m³；力学性能测试按照ASTM标准（抗压ASTM C39、劈裂抗拉ASTM C496、抗弯ASTM C78、粘结拉拔测试）；物理性能测试（密度与吸水率ASTM C642、超声波脉冲速度ASTM C597、热导率瞬态探针法ASTM D5334）；多准则决策采用TOPSIS法并设置七种权重场景进行灵敏度分析（含熵权法）。样本来源：CDK来自沙特阿拉伯Saud Al-Gosaibi农场，粗骨料和砂来自当地采石场。

**研究结果**

**3.1 工作性**
通过坍落度试验发现，所有CDK替代率（0–30%）的坍落度值仅从76 mm微增至78 mm，呈现强二次相关（R²=0.9118），表明CDK在30%以内几乎不损害工作性。

**3.2 密度**
随着CDK含量增加，干密度从2402 kg/m³（对照）逐渐降至2301 kg/m³（30%替代），降低4.2%，归因于CDK自身较低密度和改变堆积密度。

**3.3 抗压强度**
28天抗压强度从26.73 MPa（对照）降至19.65 MPa（30%替代），降低26.5%。5%替代时强度基本持平（26.78 MPa），10%替代时仅下降2.3%，表明低替代率可维持结构完整性。

**3.4 劈裂抗拉强度**
28天劈裂抗拉强度在5%–15%替代时保持或略高于对照（3.10 MPa），5%替代时达到3.14 MPa；20%替代后显著下降，30%替代时降至2.04 MPa（降低34%）。破坏面观察显示5%替代时破坏面较完整，15%替代时出现更多裂缝。

**3.5 抗弯强度**
28天抗弯强度在5%替代时提高至4.85 MPa（对照4.47 MPa，增加8.5%），而后逐渐下降，30%替代时为2.23 MPa（降低50%）。裂缝模式显示低替代时呈现典型弯曲破坏，高替代时碎片化加剧。

**3.6 粘结强度**
28天粘结强度从7.78 MPa（对照）逐渐下降，5%替代时仍为7.75 MPa，15%替代时降至6.56 MPa，30%替代时降至4.28 MPa（降低45%）。抗压强度与粘结强度呈强幂律关系（R²=0.9586）。破坏模式由拔拉型（≤10%替代）转变为劈裂型（≥15%替代），表明界面过渡区劣化。

**3.7 超声波脉冲速度（UPV）**
28天UPV从4181 m/s（对照）逐渐降至2949 m/s（30%替代），降低29%。5%替代时UPV保持4169 m/s，表明内部密实度良好。UPV与抗压强度呈强幂律相关（R²=0.9948）。

**3.8 吸水率**
吸水率从3.48%（对照）增至5.09%（30%替代），增加46%，反映出更高的孔隙率和渗透性，且与力学性能下降趋势一致。

**3.9 热导率**
28天热导率从1.99 W/m·K（对照）降至1.27 W/m·K（30%替代），降低36%，表明绝缘性能显著改善。

**3.10 协同微观结构来源**
综合微观结构分析表明，低替代率时CDK的多孔性和不规则表面通过内部养护和机械互锁维持基质连续性；高替代率时较低密度和刚度、较高孔隙率导致材料变轻、变弱但更隔热。

**3.11 多准则性能排名与灵敏度分析**
TOPSIS分析显示，所有七种权重场景下5% CDK混合料均排名第一，10% CDK和对照分列第二、三位，高替代率（≥20%）排名最低。Spearman秩相关系数接近1（仅S5场景为0.964），验证了排名的稳健性。

**3.13 与既往研究比较**
与无外加剂的农业废弃物混凝土研究相比，本研究的5% CDK混合料在保持力学性能的同时，工作性稳定、吸水率增加可控（5.2%）、热导率降低6.53%，展现了更佳的平衡性。

**讨论与结论**

**总结讨论**
研究结果定义了一个明确的CDK掺入性能窗口：5%–10%替代水平可在不牺牲工作性和结构性能的前提下引入CDK，甚至略微改善抗弯和抗拉行为，同时维持抗压强度、粘结能力和UPV；超过该范围，孔隙率增加和颗粒刚度降低占主导，导致密度降低、吸水率升高、强度下降、UPV降低以及向脆性和劈裂控制的破坏模式转变。同时，热导率大幅下降，绝缘性能提升。因此，低CDK含量适用于需平衡结构性能的场景，高替代率更适合非结构应用中优先考虑减重和热效率的情况。TOPSIS框架结合灵敏度分析为筛选最佳替代率提供了系统方法。

**研究结论翻译**
基于所得结果，得出以下结论：
- CDK是一种轻质、高吸水性且以有机物为主的材料，XRF分析表明其本质非火山灰活性，掺入混凝土后主要通过物理机制而非化学机制发挥作用。
- 低替代率（尤其约5%）下，CDK保持了可接受的拌合物行为与整体力学性能；较高替代率则导致强度显著下降，过量替代损害复合材料承载能力。
- 增加CDK含量降低了混凝土密度并改善了热绝缘性能，证实了CDK用于开发更轻、更隔热混凝土的潜力。
- CDK混凝土呈现明确的权衡：低替代率更有利于保留结构性能，高替代率在降低密度和热导率方面更具优势。
- TOPSIS排名与灵敏度分析一致确认5% CDK替代率为最平衡水平，在力学、物理和热准则间取得了最佳折中，且不同权重场景下保持稳健。
- 基于现有发现，低CDK替代率可考虑用于需兼顾结构充分性和可持续性效益的应用，高替代率更适合非结构构件中优先追求减重和隔热。
- 本研究为文献贡献了无外加剂CDK混凝土体系评价、粘结强度纳入农业废弃物混凝土评估、以及基于TOPSIS的决策框架与灵敏度验证。

总之，碎枣核作为可持续细骨料替代物在混凝土中展现出良好潜力，尤其低替代率时。未来研究应进一步考察长期耐久性、收缩、实地性能及生命周期环境影响。