自密实混凝土中掺入煅烧沸石和玻璃粉的综合性能与碳排放评估

《Next Materials》：Integrated performance and carbon emission assessment of self-compacting concrete incorporating calcined zeolite and glass powder

　　

水泥制造过程是造成环境污染和二氧化碳（CO₂）排放的重要原因，这要求研究人员寻找环保的混凝土材料。本文重点研究了分别用煅烧沸石（CZ）和玻璃粉（GP）替代波特兰水泥（OPC）和天然砂的自密实混凝土（SCC）的力学性能和碳足迹排放。研究人员制备了五种替换率为0%、5%、10%、15%和20%的SCC混合物，分别命名为SCM、SCGZ1、SCGZ2、SCGZ3和SCGZ4。使用SCC标准测试分析了新拌性能，并通过在7、28、90和180天进行抗压、劈裂抗拉和抗弯试验来检验硬化性能。通过方差分析（ANOVA）对实验数据进行统计验证。结果表明，与对照混合物相比，使用CZ和GP改善了SCC混合物的力学特性。所有混合物具有不同程度的力学抗力；特别是SCGZ4混合物在28天时表现出最大抗压强度值，即36.48 MPa。力学性能的改善归因于两种材料的火山灰效应和填充效应的协同作用，改善了颗粒堆积和基体密实化。隐含碳分析证实，碳足迹从对照混合物的348 kg CO₂/m3降低到SCGZ4的308.1 kg CO₂/m3，即降低了11.4%。此外，碳强度指数（kg CO₂/MPa）证实碳效率提高了超过25%。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

混凝土是建筑领域最广泛使用的材料，但其生产，尤其是水泥制造，是CO₂排放的主要来源之一。自密实混凝土（SCC）因其无需外部振捣即可流动和密实的特性而受到广泛关注，但SCC通常需要更高的水泥用量，进一步加剧了碳排放问题。为降低环境负荷，研究人员探索利用辅助胶凝材料（SCM）和工业废料部分替代水泥和骨料。煅烧沸石（CZ）具有良好的火山灰活性，能增强混凝土力学和耐久性能；玻璃粉（GP）来源于废玻璃，可改善颗粒堆积和基体密实度。然而，现有研究多集中于单一材料的使用，对两者在SCC中的协同效应、长期耐久性、统计验证及碳排放的综合评估尚属空白。为此，本研究旨在通过整合新拌、硬化、耐久性能、方差分析（ANOVA）统计验证、隐含CO₂排放及碳强度指数评估，全面探究CZ和GP在SCC中的应用潜力。该论文发表在《Next Materials》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：1) 材料制备：将天然沸石在800°C下煅烧6-8小时获得CZ，废玻璃研磨成GP；2) 配合比设计：按M30等级SCC（EFNARC 2005指南）设计5种混合物，水泥和天然砂分别被CZ和GP以0-20%等量替代（步长5%）；3) 新拌性能测试：通过坍落流动度、T₅₀流动时间、V形漏斗、L形箱和J形环试验评估流动性和通过性；4) 硬化性能测试：在7、28、90、180天龄期进行抗压、劈裂抗拉和抗弯强度试验；5) 耐久性测试：依据ASTM标准进行吸水率、干燥收缩和硫酸盐侵蚀试验；6) 统计验证：采用单因素或双因素方差分析（ANOVA）检验混合物组成和龄期对性能的显著性影响；7) 碳排放评估：基于材料用量乘以排放因子（ROADEO数据库及文献）计算隐含CO₂排放，并计算碳强度指数（kg CO₂/MPa）。样本均为实验室制备，无特定队列来源。

**研究结果**

**4.1 新拌混凝土试验结果**

通过EFNARC标准测试发现，掺入CZ和GP后，SCC的坍落流动度从697 mm（SCM）增至726 mm（SCGZ4），V形漏斗时间从7.7 s降至6.8 s，L形箱比从0.87升至0.94，J形环值保持在8.18-9.11 mm范围内，均满足EFNARC要求。ANOVA分析显示，坍落流动度、L形箱比和J形环值具有统计显著性（p<0.05），表明CZ-GP显著改善了流动性和通过性，且T₅₀时间无显著差异，说明粘度稳定。

**4.2 硬化混凝土试验结果**

硬化试验表明，所有CZ-GP混合物的强度均随龄期增加而提升，且优于对照混合物。SCGZ4在28天和180天的抗压强度分别达到36.48 MPa和40.17 MPa，较SCM（30.62 MPa和34.68 MPa）显著提高；劈裂抗拉强度从SCM的2.48 MPa（180天）增至SCGZ4的3.72 MPa；抗弯强度从3.99 MPa增至5.18 MPa。双因素ANOVA证实，混合组成和龄期对抗压、劈裂抗拉和抗弯强度的影响均高度显著（p<0.001），说明CZ和GP的火山灰效应和填充效应协同促进了水化产物生成和基体密实化。

**4.3 耐久性试验结果**

耐久性试验显示，CZ-GP混合物的吸水率随龄期和替代水平增加而持续降低，SCGZ4在180天的吸水率仅为1.45%，远低于SCM的2.33%；干燥收缩从SCM的0.211%降至SCGZ4的0.179%；硫酸盐侵蚀8周后，SCGZ4的重量损失和强度损失分别为16.25%和26.01%，而SCM为22.9%和36.15%。ANOVA分析表明，混合组成和龄期/暴露时间对吸水率（F=255.41，p=1.7×10^-11）、收缩、硫酸盐侵蚀损失均具有高度显著影响，证明CZ和GP通过细化孔结构和降低渗透性显著提升了耐久性。

**4.4 CO₂排放分析**

基于材料用量和排放因子的隐含碳分析表明，对照混合物SCM的隐含CO₂排放为348 kg CO₂/m3，而SCGZ4降至308.1 kg CO₂/m3，降幅为11.4%。碳强度指数（28天抗压强度与隐含碳的比值）从SCM的11.36 kg CO₂/MPa降至SCGZ4的8.45 kg CO₂/MPa，碳效率提升约25.6%，表明CZ和GP的联合使用不仅增强了力学性能，还显著降低了环境负荷。

**总结与讨论**

研究结论部分翻译如下：
• 本研究聚焦于探索CZ和GP在SCC中作为水泥和细骨料部分替代物的应用。在新拌混凝土方面，这些材料的使用导致流动性和通过性增加，同时满足EFNARC要求。
• 在硬化混凝土性能方面，掺入CZ和GP带来了显著改善。因此，抗压强度在28天时从30.62 MPa增至36.48 MPa，在180天时从34.68 MPa增至40.17 MPa。同样，劈裂抗拉强度从2.48 MPa升至3.72 MPa，抗弯强度从3.99 MPa升至5.18 MPa。应指出，上述变化主要归因于CZ和GP的火山灰活性和填充效应。
• 就SCC的耐久性而言，CZ和GP的掺入产生了积极影响。特别是，吸水率从SCM的2.33%降至SCGZ4的1.45%，干燥收缩从0.211%降至0.179%。此外，在硫酸盐侵蚀条件下，强度损失从36.15%降至26.01%，表明耐久性和抗侵蚀能力增强。
• 关于环境影响，可以指出，CZ和GP的使用导致SCC混合物的隐含CO₂排放水平降低。更具体地说，总CO₂排放从SCM的348 kg CO₂/m3降至SCGZ4的308.1 kg CO₂/m3，降幅近11.4%。同时，碳强度指数从11.37 kg CO₂/MPa降至8.45 kg CO₂/MPa。
总体而言，本研究结果表明，经煅烧沸石和玻璃粉改性的SCC可被视为一种环境友好且高性能的建筑材料。CZ和GP的使用提供了更好的工作性、力学特性、抗侵蚀能力以及环境友好性。因此，基于CZ-GP的SCC可推荐用于现代建筑目的。