通过LECA内部养护和粉煤灰三次搅拌协同增强混凝土强度：力学、微观结构和可持续性评估

《Results in Engineering》：Synergistic enhancement of concrete strength through LECA internal curing and fly ash triple mixing: mechanical, microstructural and sustainability assessment

　　

本研究调查了轻质膨胀粘土骨料（LECA）作为部分细骨料替代品和内部养护剂，以及结合粉煤灰作为粗骨料涂层材料的三次搅拌方法，以同时增强混凝土的力学性能并降低环境影响。研究人员制备了五种配合比设计，其中LECA按体积比0%、5%、10%、15%和20%替代天然河砂，所有非对照组配合比均使用12%的普通硅酸盐水泥（OPC）被粉煤灰替代。结果表明，与对照组相比，10% LECA替代（10LECA）在28天时抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度分别提高了29.41%、8.18%和13.15%。预饱和LECA作为内部养护剂和粉煤灰通过三次搅拌顺序作为针对性粗骨料涂层的联合作用，促进了混凝土基体内持续的水分可用性，并与定性上更致密的界面过渡区（ITZ）相关，这通过扫描电子显微镜（SEM）得到了定性证明。从环境角度来看，用粉煤灰部分替代OPC以及用LECA逐步替代天然河砂，与对照组相比，减少了4.8-10.1%的隐含CO₂e（二氧化碳当量）排放，并每立方米混凝土节约了31.69至126.73 kg/m³的天然河砂，表明在统一的三次搅拌框架内，力学性能和材料级可持续性目标可以同时实现。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
混凝土的常规水养护通过水化机制对强度发展至关重要，但一旦微观结构硬化，外部养护水难以完全渗透致密基体，导致自收缩和自干燥，进而引发裂缝。内部养护通过从混凝土内部提供水分（而非外部表面）来缓解这一问题，而轻质骨料（如轻质膨胀粘土骨料，LECA）因其高吸水能力被广泛研究作为内部养护剂。同时，粉煤灰作为辅助胶凝材料（SCM）可部分替代硅酸盐水泥（OPC），减少熟料用量并提升耐久性。然而，现有研究多将LECA内部养护与粉煤灰改性分开进行，或仅应用于轻质混凝土或再生骨料体系，缺乏在普通骨料混凝土中结合LECA内部养护与粉煤灰靶向粗骨料涂层的统一三次搅拌框架。此外，以往工作很少将力学性能评估与直接微观结构观察及定量材料级可持续性指标（如隐含CO₂e排放和天然细骨料节约）相结合。因此，本研究旨在通过系统实验评估LECA-粉煤灰混凝土在三次搅拌下的协同效应，涉及内部养护、界面过渡区（ITZ）改性及环境影响，填补该领域空白。论文发表在《Results in Engineering》。

**主要技术方法**
本研究采用以下关键技术方法：
1. **LECA预饱和处理**：将LECA浸泡于饮用水中至少24小时，达到饱和面干（SSD）状态，确保其作为内部水储藏库的功能。
2. **三次搅拌方法**：包括三个连续阶段——（i）将粗骨料与粉煤灰及部分拌合水预混，形成均匀的火山灰涂层；（ii）加入水泥浆体，在骨料与浆体间形成致密ITZ；（iii）加入剩余水、高效减水剂（Conplast SP430）和预饱和LECA，达到目标工作性和内部养护配置。所有配合比水胶比（w/b）恒定为0.355。
3. **力学性能测试**：依据IS 516和IS 5816标准，对150 mm立方体试件进行抗压强度测试，对150 mm直径×300 mm圆柱体进行劈裂抗拉强度测试，对100 mm×100 mm×500 mm棱柱体进行三点弯曲抗弯强度测试，测试龄期为3、7和28天，每组3个平行样。
4. **微观结构表征**：采用扫描电子显微镜（SEM）在20 kV加速电压下，对对照混合物（CM）28天及最优10LECA混合物3天和28天的断裂面进行二次电子（SE）成像，观察浆体均匀性和ITZ形貌。
5. **环境影响评估**：基于材料生产阶段（摇篮到大门）的隐含CO₂e排放因子（OPC: 0.820 kg CO₂e/kg，LECA: 0.369 kg CO₂e/kg，河砂: 0.005 kg CO₂e/kg，粉煤灰: 0.004 kg CO₂e/kg，视为工业副产品），计算每立方米混凝土的总CO₂e排放，并统计天然河砂节约量。样本来源：OPC采用43级水泥（符合IS 8112），粗骨料为破碎石灰岩（最大粒径20 mm），细骨料为河砂（符合IS 383 Zone II），粉煤灰为F级（来自热电厂），LECA来自Rivaasha Construction Pvt. Ltd.。

**研究结果**
**3.1 环境影响评估**
- **3.1.1 隐含碳减排**：通过粉煤灰替代12% OPC，水泥用量从386.46 kg/m3降至340.08 kg/m3，基于所采用的排放因子，净CO₂e减排范围为4.8%（20LECA）至10.1%（5LECA），其中10LECA实现8.3%减排（26.84 kg CO₂e/m3），同时获得最高抗压强度增益。
- **3.1.2 天然河砂节约**：LECA按体积替代5%、10%、15%和20%的河砂，分别节约31.69、63.37、95.05和126.73 kg/m3天然河砂，其中10LECA节约63.37 kg/m3，同时强度提升29.41%。

**3.2 新鲜性能**
坍落度试验显示，随着LECA替代率增加，坍落度逐步降低（对照最高，20LECA最低），但所有配合比均满足IS 1199对结构混凝土的工作性要求。这一降低归因于LECA的多孔吸水性，但吸收的水分随后用于内部养护。

**3.3 力学性能**
- **3.3.1 抗压强度**：3天时所有配合比强度相近；7天起5LECA和10LECA强度开始超越对照；28天时10LECA达到51.8 MPa，较对照提高29.41%。当LECA替代超过10%（15LECA和20LECA），强度下降，可能归因于轻骨料含量增加、胶凝基体稀释及氢氧化钙（CH）可用性变化。
- **3.3.2 劈裂抗拉强度**：3天时对照稍高，7天和28天时5LECA和10LECA表现更优；10LECA在28天达到3.44 MPa，较对照（3.18 MPa）提高8.18%。15LECA和20LECA强度低于对照，因ITZ致密化不足及LECA弹性模量较低。
- **3.3.3 抗弯强度**：10LECA在28天达到5.16 MPa，较对照（4.56 MPa）提高13.15%，且LECA掺入混合物表现出更渐进的开裂模式，反映致密ITZ的裂缝抑制能力。15LECA和20LECA强度下降，20LECA低于对照（4.40 MPa）。

**3.4 弹性模量**
基于IS 456经验关系E=5000√f_ck估算的弹性模量，趋势与抗压强度一致，10LECA在28天最高，反映其致密微观结构；高LECA替代率下弹性模量降低，因LECA刚度较低。

**3.5 强度效率比**
强度效率比（每单位LECA替代率的抗压强度增益百分比）显示，10LECA效率最高（2.95%每1% LECA），5LECA为2.35%，15LECA和20LECA分别降至1.08%和0.38%，确认10%为最优替代率，超过此阈值后内部养护收益被基体稀释效应抵消。

**3.6 与文献比较**
与Issa和Al-Asadi（2014）的全LECA粗骨料替代混凝土（28天抗压强度32 MPa）及Kong等（2019）的粉煤灰-硅灰三次搅拌再生骨料混凝土（约45-50 MPa）相比，本研究10LECA在仅用10% LECA细骨料替代和12%粉煤灰涂层下达到51.8 MPa，证明三次搅拌法在不同骨料体系中的可转移性，且仅用粉煤灰即可实现显著ITZ致密化。

**3.7 微观结构研究**
SEM图像显示，对照混合物28天呈现不均匀浆体、残留未水化水泥熟料、宏观孔和微裂缝；10LECA在3天时可见未反应粉煤灰颗粒和部分水化水泥，但28天时呈现显著更致密、均匀的C-S-H凝胶分布，宏观孔隙率和微裂缝密度降低，ITZ更致密，定性支持内部养护与火山灰涂层的协同机制。

**讨论与结论**
讨论部分指出，LECA内部养护与粉煤灰三次搅拌的协同作用通过持续水分供应和ITZ致密化，实现了力学性能提升和环境影响降低。10LECA作为最优配合比，在抗压、劈裂抗拉和抗弯强度上分别提高29.41%、8.18%和13.15%，同时减少8.3%的CO₂e排放并节约63.37 kg/m3河砂。研究结论翻译如下：
- 随着LECA按体积替代率5%至20%逐步替代天然河砂，工作性系统性降低，但所有配合比坍落度仍符合IS 1199对结构混凝土的可接受范围，证实了所提出配合比设计策略的实践可行性。
- 当LECA替代率超过10%时，抗压强度下降，可能归因于轻骨料含量增加、胶凝基体稀释及氢氧化钙可用性变化；10LECA在28天时劈裂抗拉和抗弯强度较对照分别提高8.18%和13.15%。在15%和20%替代率下，劈裂抗拉和抗弯强度降至对照值以下，确认存在最优LECA替代阈值，超过此阈值后CH消耗限制火山灰反应性，导致拉伸性能劣化。强度效率分析确认10LECA为最优配合比，在所有研究配合比中实现了每单位LECA替代率最高的抗压强度增益（2.95%每1% LECA）。
- 10LECA试样28天的SEM分析显示，与对照相比，浆体基体相对致密、均匀，ITZ视觉上更精细，为LECA内部养护和粉煤灰三次搅拌的火山灰ITZ致密化双重机制提供了定性支持；然而，定量微分析确认（如XRD、TGA、EDS）未在本研究范围内。
- 在采用摇篮到大门、材料生产系统边界及粉煤灰作为低负担工业副产品的分配假设下，粉煤灰部分替代OPC使所有LECA水平下的隐含CO₂e排放较对照减少4.8%至10.1%。逐步LECA替代每立方米混凝土节约31.69至126.73 kg/m3天然河砂，其中10LECA同时实现最高抗压强度增益（29.41%）和8.3%的CO₂e减排，表明在所提出的LECA-粉煤灰三次搅拌策略中，结构性能和材料级可持续性目标可同时推进。这些可持续性结果应在有限摇篮到大门边界下作为材料级指标解读；包括运输、LECA制造能耗和寿命终结过程的全面生命周期评估仍是未来工作的主题。