通过实验与统计方法评估甘蔗渣灰和再生骨料在混凝土中的性能

《Hybrid Advances》：Assessing the Performance of Sugarcane Bagasse Ash and Recycled Aggregates in Concrete through Experimental and Statistical Approaches

　　

由于传统混凝土生产方式（特别是水泥生产与天然骨料开采）对环境造成的影响，建筑行业面临日益增长的可持续发展压力。本文研究了使用甘蔗渣灰（SCBA）和再生粗骨料（RCA）作为M30等级混凝土中替代材料的可能性，分别部分替代水泥和天然骨料，旨在提升可持续性而不影响结构性能。研究人员开展了一系列实验，将SCBA以0%、5%、10%和15%的比例替代水泥，将RCA以0%、10%、20%和30%的比例替代天然粗骨料（按体积计）。坍落度值在SCBA和RCA高掺量下降低，表明替代材料由于更高的比表面积和棱角性导致和易性下降。例如，坍落度从对照组混合料的85mm降至15% SCBA时的65mm和30% RCA时的55mm。这种降低凸显了调整和易性的必要性，包括掺加高效减水剂以维持新拌混凝土所需的流动性能。研究人员通过坍落度试验、抗压强度（7天和28天）、抗折强度（7天和28天）、吸水率、快速氯离子渗透试验（RCPT）、X射线衍射分析（XRD）和密度测试来测定混凝土混合料的新拌和硬化性能。此外，还采用回归分析建立统计模型以预测力学行为。结果显示，10% SCBA和10–20% RCA的组合实现了最佳强度与寿命平衡，抗压强度约40.1 MPa，且渗透性低。XRD分析表明，在此掺量下火山灰活性提高，生成了更多水化硅酸钙（C-S-H）。这些结果表明，SCBA与RCA的组合使用能够获得高性能且环境友好的混凝土，从而成为可持续基础设施开发的一种方法。

本研究围绕M30等级混凝土中同时使用甘蔗渣灰（SCBA）和再生粗骨料（RCA）的可行性展开，旨在应对传统混凝土生产对环境的负面压力，例如水泥生产贡献约8%的全球碳排放以及天然骨料开采对生态系统的破坏。已有研究多单独考察SCBA或RCA，缺乏对二者协同效应的系统评估，尤其缺少微观结构验证和预测建模。为此，研究人员开展了一项涵盖力学、耐久性、微观结构及统计建模的综合性研究。论文发表在《Hybrid Advances》。

**主要关键技术方法**：研究人员采用全因子实验设计，制备了16组混凝土混合料，SCBA以0%、5%、10%、15%替代水泥，RCA以0%、10%、20%、30%替代天然粗骨料（体积比）。材料来源：SCBA来自当地糖厂，经烘干、球磨并过75μm筛；RCA来自当地建筑拆除废物，经人工分拣、破碎、清洗至饱和面干状态。关键测试包括：坍落度试验、抗压与抗折强度（7天和28天）、吸水率、快速氯离子渗透试验（RCPT）、X射线衍射（XRD）分析及密度测试，并采用二次回归模型建立力学性能预测关系。

**研究结果**：

- **抗压强度**：7天和28天抗压强度测试表明，10% SCBA混合料（M10R0）达到最高28天强度40.1 MPa，超过对照组38.5 MPa，归因于SCBA的火山灰反应增加水化硅酸钙（C-S-H）生成。随着RCA掺量增至30%，强度逐步下降，但10% SCBA与10% RCA组合（M10R10）可恢复至38.5 MPa，接近对照。

- **抗折强度**：28天抗折强度在M10R0达到最大5.58 MPa（对照为5.30 MPa），得益于SCBA的填充效应和火山灰活性改善界面过渡区。RCA含量增加导致强度下降，但10% SCBA配合20% RCA仍保持5.0 MPa以上。

- **和易性（坍落度）**：坍落度随SCBA和RCA掺量增加而降低，从对照80 mm降至M15R30的58 mm，原因是SCBA高比表面积和RCA高吸水率降低自由水含量。高效减水剂用量保持恒定（0.8%）以隔离变量影响。

- **吸水率**：10% SCBA混合料吸水率最低（2.88%），低于对照3.10%，体现孔结构细化；但15% SCBA时升至3.25%以上，因过量未反应灰增加孔隙。RCA增加吸水率，M0R30达4.78%。

- **快速氯离子渗透试验（RCPT）**：对照组电荷通过量为2450库仑（中等渗透性）。M10R0降至2180库仑（低-中等），显示SCBA降低氯离子渗透；而M0R30升至3550库仑（高渗透性）。10% SCBA能部分补偿RCA带来的渗透性增加。

- **密度**：对照密度2450 kg/m3，M10R0升至2470 kg/m3（微填充效应），随后随SCBA和RCA增加而下降，M15R30最低为2310 kg/m3，仍在结构混凝土允许范围（2200–2600 kg/m3）内。

- **X射线衍射（XRD）分析**：M10R0和M10R20混合料中氢氧化钙（Ca(OH)₂）峰强度显著低于对照，C-S-H峰增强，表明火山灰反应消耗Ca(OH)₂并生成更多水化产物。15% SCBA混合料（M15R0、M15R30）出现未反应二氧化硅峰，显示火山灰转化不充分。

- **统计分析**：回归模型对所有性能指标均获得高确定系数（R2 > 0.90），其中抗压强度R2=0.97，抗折强度R2=0.94，密度R2=0.91，坍落度R2=0.96，吸水率R2=0.98，RCPT R2=0.97。模型采用二次回归形式Y = a + bX + cX2，X为SCBA与RCA的综合替代影响，预测趋势与实验吻合，为工程优化提供定量工具。

**讨论与结论**：研究综合证实，SCBA和RCA的联合使用可产生有益协同效应，10% SCBA与10–20% RCA为最佳替代范围。SCBA通过火山灰反应细化孔结构并改善界面过渡区，部分抵消RCA带来的负面效应。XRD结果支撑了微观结构密实化机制。研究结论指出：适度使用SCBA和RCA可获得结构性能合格、环境友好的混凝土，适用于一般建筑、路面及非侵蚀环境。未来研究建议开展长期耐久性测试（如硫酸盐侵蚀、碳化深度）并采用扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）和热重分析（TGA）进一步验证微观机理。