含有矿渣水泥和粉煤灰的二元及三元混凝土体系的性能与碳减排效果

《Journal of Building Engineering》：Performance and Carbon Reduction of Binary and Ternary Concrete Systems with Slag Cement and Fly Ash

　　•含有矿渣和粉煤灰的二元及三元混凝土结合了强度、耐久性与可持续性。•优化后的三元混合料可实现强度与耐久性的最佳平衡。•使用大量替代水泥材料制成的混凝土可降低多达63%的二氧化碳排放量。•通过迁移学习得到的随机森林模型能够准确预测混凝土强度。

引言
混凝土因其多样性、易得性以及良好的力学性能，成为世界上应用最广泛的建筑材料1, 2。尽管具有这些优势，但其生产过程带来的环境影响已日益成为全球关注的焦点。普通波特兰水泥是混凝土中的主要粘结材料，约占全球人为二氧化碳排放量的8%3, 4。这些排放主要源自两个方面：能耗较高的熟料生产过程，以及水泥制造过程中石灰石的煅烧，这两者都会释放大量二氧化碳[5]。随着全球基础设施需求的不断增长，减少以水泥为基础的材料的碳足迹已成为实现可持续建筑的关键挑战。

降低混凝土环境影响的有效策略之一是使用替代水泥材料来部分替代普通波特兰水泥。诸如矿渣水泥和粉煤灰之类的替代材料，能够在保持甚至提升水泥材料的力学性能和耐久性的同时，显著减少熟料的消耗6, 7。含有矿渣水泥的二元体系已被广泛用于提高耐久性并降低隐含碳含量。近年来，结合矿渣水泥和粉煤灰的三元体系越来越受到重视，因为它们能在保持足够强度和耐久性的同时实现更高的水泥替代率，从而为减少碳排放提供更大潜力6, 7。

含有普通波特兰水泥和矿渣水泥的二元混凝土体系被广泛用于在降低混凝土生产中熟料需求的同时提升其长期性能。在早期阶段，矿渣的水化速度比普通波特兰水泥慢，但在水泥水化产生的碱性环境中被激活后，它有助于形成次生钙硅酸氢盐凝胶。这种延迟反应有助于增强基质密度，从而在28天之后继续提升强度，若养护得当，其强度往往能超过普通波特兰水泥7, 8。此外，矿渣的加入还能降低水化热，减少峰值温度，有助于控制大型或厚型混凝土构件的温度裂缝问题。不过，过高的矿渣替代率会因水化动力学较慢以及初始反应性较低而延缓凝固时间并降低早期强度[9]。随着水化进程的推进，矿渣水化产物会优化孔结构并提升耐久性。含有矿渣的二元体系通常具有更高的电阻率、更强的抗氯离子渗透能力，以及较低的孔隙网络离子移动性，这些都有助于防止钢筋混凝土结构出现腐蚀10, 11。

三元混凝土体系则同时包含两种替代水泥材料与普通波特兰水泥，最常见的组合为矿渣水泥和粉煤灰。与二元体系相比，三元粘结材料的水化行为更为复杂，因为矿渣和粉煤灰通过不同的反应机制发挥作用[9]。在早期阶段，由于矿渣水化缓慢，且粉煤灰的火山灰反应依赖于水泥水化过程中释放的氢氧化钙含量，三元混凝土的凝固时间往往较晚，强度也低于普通波特兰水泥或二元混合物[9]。三元体系的早期表现还受所使用粉煤灰类型的影响。F类粉煤灰的钙含量较低，主要通过缓慢的火山灰反应发挥作用，这可能会延长诱导期并延迟强度发展，尤其是在高替代率情况下12, 13。相比之下，C类粉煤灰的CaO含量较高，具有部分自凝特性，能够参与早期水化反应，从而在一定程度上弥补因矿渣存在而导致的强度发展延迟14, 15。在后期阶段，矿渣的持续水化以及粉煤灰的火山灰反应会消耗氢氧化钙并生成更多的C–S–H凝胶[16]，进而实现微观结构的致密化并提升基质的连续性17, 18。这些反应也会影响耐久性。含有F类粉煤灰的三元混合物通常具有更好的长期耐久性，因为持续的火山灰反应能够优化孔结构、减少孔隙连通性，从而提升抵抗氯离子侵入和化学侵蚀的能力19, 20。相反，含有C类粉煤灰的三元体系虽然早期水化速度可能更快，但如果氢氧化钙消耗不完全，后期则可能出现相对粗糙的孔结构14, 15。此外，C类体系中的快速早期反应可能会加剧低水胶比混合物的自干燥现象和内部湿度下降，若养护不足，还会增加出现微裂纹的风险[21]。

此外，评估二元和三元粘结体系的可持续性时，需要同时考虑环境影响和工程性能，包括强度发展和耐久性。先前的研究已经表明，使用替代水泥材料可以降低混凝土的碳足迹。例如，用粉煤灰替代20–40%的波特兰水泥，可减少约9–40%的二氧化碳排放量；而用矿渣替代约40%的波特兰水泥，也能实现类似的减排效果22, 23。然而，大多数研究要么单独评估力学性能，要么单独分析环境效益，而没有探讨两者的综合影响。生命周期评估研究表明，可持续的混凝土设计必须同时考虑技术性能和环境指标，因为仅依据碳排放量无法确定最优的混合料配比[24]。此外，尽管含有矿渣和粉煤灰的三元体系已得到广泛研究，但矿渣水化与粉煤灰火山灰反应之间的相互作用，尤其是在替代率超过50%的高替代率情况下，仍缺乏足够的了解。这些不足表明，需要进一步的研究来系统地评估高替代率二元和三元粘结体系的力学性能、耐久性特征以及碳排放减少效果，从而找到既能保证结构可靠性又能实现环境可持续性的混合料设计方案。

鉴于三元粘结材料行为的复杂性以及混合料设计所涉及的庞大参数空间，数据驱动方法为综合考虑性能与可持续性提供了途径。人工智能和机器学习方法越来越多地被用于预测混凝土的性能，并在广泛的成分范围内优化混合料配比。诸如人工神经网络、支持向量机、随机森林以及梯度提升算法等模型，在基于足够多样化的数据集进行训练后，已展现出良好的压缩强度和耐久性相关指标预测能力25, 26。最近，人们还开始探索生成式建模方法，以增加数据量并提升混凝土性能评估的预测准确性[27]。不过，当前的研究仍存在一些局限性。许多机器学习模型是基于以普通波特兰水泥或低替代率混合料为主的数据集开发的，而含有大量矿渣和粉煤灰的三元粘结体系在现有数据集中的占比较低[28]。因此，目前尚未充分探索利用机器学习方法对三元粘结体系的力学性能、耐久性和可持续性进行综合评估。未来需要将实验数据集与机器学习技术相结合，以便更好地理解并优化含有大量替代水泥材料的二元和三元混凝土混合料的性能及碳排放降低潜力。

尽管已有许多研究探讨了含有矿渣或粉煤灰的二元体系，但在高替代率情况下，二元粘结材料与三元粘结材料之间的性能差异仍不够明确[29]。特别是，矿渣以及不同类型粉煤灰对混凝土早期新鲜状态性能、长期力学性能、耐久性指标以及碳排放减少效果的综合作用，亟需进行系统研究。此外，目前能够准确预测高替代率混凝土混合料强度发展的机器学习工具仍然有限，因为现有的大多数模型都是基于以普通波特兰水泥或低替代率混合料为主的数据集训练而成的。本研究旨在探讨含有二元矿渣体系以及三元矿渣-粉煤灰粘结材料的低碳混凝土混合料的早期新鲜状态性能、力学性能、耐久性表现以及碳排放情况。共设计了10种混凝土混合料，其替代水泥材料的比例介于30%到70%之间，其中还包含了一种100%普通波特兰水泥的对照混合料用于对比。二元体系由普通波特兰水泥和矿渣水泥组成，而三元体系则包含普通波特兰水泥、矿渣水泥以及C类或F类粉煤灰。本研究重点关注F类粉煤灰，尽管它在三元体系中应用较少，但在提升长期耐久性和减少碳排放方面具有潜在优势。这些混合料通过测试其新鲜状态性能（包括凝结时间和流变行为）、力学性能（包括抗压强度和抗弯强度的发展情况）以及耐久性相关性能（包括干燥收缩、冻融抗力以及表面电阻率）进行了实验评估，以此表征其长期性能。此外，还利用产品环境声明数据，对每种混合料的从生产到使用全过程中的碳排放进行了量化分析。最后，本研究采用了经过优化的机器学习方法来预测二元和三元混合料在28天时的抗压强度，并将预测结果与实验数据进行比较，以评估模型的准确性。通过结合实验室试验、环境影响评估以及机器学习建模，本研究旨在对高替代率混凝土体系进行全面评估。

材料
为了制备所有混合料样品，本研究采用了符合ASTM C150标准的II型普通波特兰水泥作为所有混合料中的主要粘结材料和参考物质。本研究中的矿渣水泥指的是用作替代水泥材料的磨细高炉矿渣。此外，还选择了C类和F类两种粉煤灰作为替代水泥材料，用于部分替代普通波特兰水泥。

凝结时间
所有混合料的初始凝结时间和最终凝结时间如图1所示。结果表明，矿渣和粉煤灰的加入影响了三元混凝土的水化速率和凝结行为。对照混合料（A0）的初始凝结时间为224分钟，最终凝结时间为358分钟，反映了对照组的水化特性。当部分水泥被矿渣替代后，无论是初始凝结时间还是最终凝结时间都有所延长。

二元和三元体系中的水化与火山灰反应
二元和三元水泥体系的性能取决于早期熟料水化作用与矿渣水泥及粉煤灰的延迟反应之间的相互作用。普通波特兰水泥在早期会迅速水化，生成钙硅酸氢盐和氢氧化钙。当普通波特兰水泥被替代水泥材料部分替代后，活性熟料的含量降低，这通常会导致混合料的凝结时间变长，早期强度下降。

结论
本研究探讨了含有矿渣水泥以及C类或F类粉煤灰作为替代水泥材料的二元和三元混凝土体系在早期新鲜状态性能、力学性能、耐久性以及环境影响方面的表现。研究结果表明，高替代率确实能有效降低混凝土的隐含碳含量；但由于水化速度较慢，这类混合料的凝结时间往往会延迟，早期强度也会降低。在后期阶段，尤其是那些含有C类的三元体系……

作者贡献说明
Caleb Mensah：撰写——审阅与编辑。Jiankai Xie：撰写——审阅与编辑。Qingli Dai：撰写——审阅与编辑，指导监督。Xiang Zhao：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论研究，实验实施，数据整理，概念构建。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢明尼苏达州交通部通过合同编号1036337提供的部分资金支持。

Xiang Zhao|Jiankai Xie|Qingli Dai|Caleb Mensah