通过压缩铸造方法，完全用风积砂和再生骨料替代原骨料，对高强低碳混凝土进行多尺度评估

《Journal of Building Engineering》：Multiscale evaluation of high-strength, low-carbon concrete with full replacement of virgin aggregates by aeolian sand and recycled aggregates via compression casting

　　

赛义德·明哈吉·萨利姆·卡兹米（Syed Minhaj Saleem Kazmi）| 穆罕默德·朱奈德·穆尼尔（Muhammad Junaid Munir）| 吴宇飞（Yu-Fei Wu）| 库拉姆·拉希德（Khuram Rashid）| 玛迪哈·艾哈迈德（Madiha Ahmad）

济南大学力学与建筑工程学院，中国广州510632

摘要

全球每年生产的混凝土超过300亿吨，其中骨料占其体积的70-80%。过度使用河沙（RS）和天然粗骨料（NCA）导致了资源枯竭和环境破坏。来自拆除废料的再生混凝土骨料（RCA）和沙漠中的风积沙（AS）是可行的替代品，但使用这些骨料会降低混凝土的性能。本研究通过完全用AS替代RS、用RCA替代NCA，并采用一种新型的压铸方法，克服了强度和耐久性的损失，开发出了高性能混凝土。测试了不同AS和RCA比例的混凝土混合物在机械性能、耐久性、微观结构、可持续性和多准则技术经济性方面的表现。在传统的浇筑方法中，AS-RCA的替代导致抗压强度、抗拉强度和模量分别降低了41%、30%和25%。而压铸技术减少了这些损失，使抗压强度提高了78%，抗拉强度提高了43%，模量提高了37%。耐久性也得到了改善，吸水率降低了42%，扫描电子显微镜（SEM）显示界面结合更加紧密，微观裂纹也减少了。一种新型的机器学习模型预测性能的误差小于5%，为设计天然和再生混凝土以及推进可持续性设计指南提供了可靠工具。

章节摘录

引言

近年来，由于混凝土具有无与伦比的多功能性、广泛的可用性和成本效益，其全球需求激增[1]、[2]。全球每年生产的混凝土量超过300亿吨[3]、[4]，2020年的市场规模超过6170亿美元，预计年增长率约为4.7%[5]、[6]。骨料在混凝土生产中起着至关重要的作用，占总体积的70%至80%[7]。其中，细骨料...

材料

所有混凝土混合物均使用普通波特兰水泥（OPC，PO42.5）作为胶凝剂。粗骨料分别来自当地的采石场和回收设施。本研究使用了两种类型的细骨料：AS和RS，它们的级配曲线如图1(a)所示。需要注意的是，RS符合ASTM C33:2016 [66]的标准，而AS由于颗粒尺寸分布更细，超出了规定的范围，因此需要特别处理...

应力-应变行为

图3展示了压铸（CC）对不同细骨料和粗骨料组合的混凝土试件应力-应变行为的影响。在所有混合物中，压铸制备的试件显示出比传统浇筑试件更好的应力-应变响应。基于CC的试件具有更陡峭的上升段和更高的峰值应力，表明其刚度和强度得到了提升[60]。此外，应力-应变的下降部分...

模型的开发

本研究采用了穆尼尔等人[10]提出的分析应力-应变框架，该框架最初基于曼德等人[89]和波波维奇[90]的模型发展而来。原始公式是针对含有RS和AS的压铸混凝土开发的，基于先前研究中提供的综合数据库。在本研究中，该框架被用作基线分析模型，并扩展以评估完全用AS和RCA替代RS的压铸混凝土...

环境与经济性能

为了评估所研究混凝土的可持续性性能，将参考混合物（C-00-00）与含有AS和RCA的混合物进行了比较，使用了基于文献的库存数据和已建立的计算方法[103]、[104]、[105]、[106]、[107]、[108]、[109]。评估在从原料生产（材料制造阶段）到最终使用的生命周期范围内进行，不包括施工、运输和使用寿命结束阶段。

多准则评估综合了机械性能、耐久性、环境、经济和能源指标，结果总结在图18中。完全用AS替代RS的压铸混合物（P-100-00）获得了最高的整体分数0.797，在所有混凝土中排名第一。其优异的性能反映了CC在提高抗压强度和抗拉强度、改善耐久性以及优化单位强度的环境和成本效率方面的显著作用。

对可持续混凝土发展的启示

研究表明，结合使用AS和RCA等替代骨料，并通过压铸技术强化生产工艺，可以显著提升混凝土的可持续性和性能。单位强度的成本效率提升，以及二氧化碳排放和能源需求的减少，证实了压铸混凝土作为更环保结构材料的潜力。特别是P-100-100混合物，它完全用AS替代了原生的原材料...

总结与结论

本研究探讨了在结构混凝土中完全用AS和RCA替代RS和NCA的可能性，解决了骨料级配、界面结合和耐久性方面的挑战。通过应用压铸技术，系统地评估了不同AS和RCA含量的混凝土混合物的机械性能、微观结构特征、应力-应变行为、可持续性和多准则性能。主要发现如下：

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  AS和RCA的加入影响了...

CRediT作者贡献声明

玛迪哈·艾哈迈德（Madiha Ahmad）：写作——审稿与编辑、可视化、验证。库拉姆·拉希德（Khuram Rashid）：写作——审稿与编辑、可视化、验证。吴宇飞（Yu-Fei Wu）：写作——审稿与编辑、资源获取、概念构思。穆罕默德·朱奈德·穆尼尔（Muhammad Junaid Munir）：原始草稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论研究、资金获取、数据分析、概念构思、写作——审稿与编辑。赛义德·明哈吉·萨利姆·卡兹米（Syed Minhaj Saleem Kazmi）：原始草稿撰写。

在准备本手稿期间，作者使用了OpenAI开发的ChatGPT来辅助改进语言表达、清晰度和整体可读性。所有由AI生成的内容均经过作者仔细审阅、编辑和验证，以确保准确性和适当性。作者对最终出版作品的完整性和内容负全责。

? 作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益或个人关系：作者报告称中国国家自然科学基金和深圳市科技创新委员会提供了资金支持。其他作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

本研究得到了中国国家自然科学基金（针对国际青年科学家的研究基金，项目编号W2533123和W2533122）以及深圳市科技创新委员会（项目编号KQTD20200820113004005）的资助。