基于RSM的掺入热解咖啡渣可持续混合纤维增强高性能混凝土力学、化学耐久性及微观结构性能多响应优化

《Frontiers in Materials》：Multi-response optimization of mechanical, chemical durability, and microstructural performance of sustainable hybrid fiber-reinforced high-strength concrete incorporating pyrolyzed coffee grounds using RSM

　　

使用农业废料和混合纤维增强混凝土是生产具有改进力学性能和耐久性的高性能建筑材料的一种可持续方法。本研究探讨了掺入15%在350°C下生产的热解咖啡渣（PCG）作为部分细骨料替代的高性能混凝土的力学、化学耐久性、热学及微观结构性能。端钩钢纤维和碱处理香蕉纤维用作混合增强材料，同时采用基于中心复合设计（CCD）的响应面法（RSM）优化纤维掺量及钢-香蕉纤维混杂比的影响。力学性能通过抗压、劈裂抗拉和抗弯强度试验评估，同时在10% NaCl、5% HCl和5% HNO₃暴露条件下评估耐久性。采用SEM/EDX、XRD和TGA/DTG分析进行微观结构表征。结果表明，PCG与混合纤维的协同掺入通过改善裂纹桥接、基体致密化和孔结构细化提升了混凝土性能。最优配合比（总纤维掺量1.25%–1.50%，钢-香蕉纤维比80:20）实现了69.6 MPa的抗压强度、9.0 MPa的劈裂抗拉强度和14.0 MPa的抗弯强度。该配合比还表现出优异的化学耐久性，在NaCl、HCl和HNO₃暴露下最小质量损失分别为2.45%、3.90%和4.40%。微观结构分析证实了更致密的基体、更强的纤维-基体粘结、更低的孔连通性以及水化产物形成的增强，而TGA/DTG结果表明热稳定性改善。验证试验与模型预测高度吻合，证实了CCD-RSM模型的可靠性。总体而言，热解咖啡渣与混合钢-香蕉纤维的协同利用制备了一种耐久、高强且环境可持续的混凝土，适用于侵蚀性环境中的结构应用，同时在循环经济框架内促进了咖啡加工废物的增值利用。

可持续混合纤维增强高性能混凝土的多响应优化——基于PCG与RSM的研究解读

（一）研究背景与意义

建筑业是自然资源消耗与CO₂排放的重要来源，普通硅酸盐水泥（OPC）生产约占全球人为CO₂排放的8%（Mu?oz Pérez等、Jaramillo等），亟需开发可持续建筑材料以降低环境负担。废弃咖啡渣是产量大但利用不足的生物质资源，填埋处置会加剧环境污染。热解处理可将其转化为具有稳定碳质结构的热解咖啡渣（PCG），前期研究已确定15% PCG（350°C热解）为最优条件，能改善颗粒堆积、促进内养护并细化孔隙。高强度混凝土（HSC）虽具有高抗压强度和耐久性，但脆性大且抗拉性能差；钢纤维可桥接宏观裂缝，碱处理香蕉纤维能控制微裂缝，二者混杂可形成多尺度增强机制。同时，混凝土在氯盐和酸性环境中易发生劣化，需提升化学耐久性。然而，目前联合应用PCG、端钩钢纤维和碱处理香蕉纤维并采用统计优化方法的研究仍然有限。本研究旨在利用中心复合设计（CCD）耦合响应面法（RSM）系统优化纤维掺量与混杂比，综合提升混凝土力学、化学耐久性和微观结构性能，该研究成果发表于《Frontiers in Materials》。

（二）研究设计与关键方法

研究人员采用基于CCD的RSM设计试验。自变量为纤维体积掺量（0.50%–2.00%）和钢-香蕉纤维混杂比（60/40–100/0），恒定掺入15% PCG（350°C热解）替代细骨料，共13组配合比，每组3个试样。力学性能按BS EN 12390-3、ASTM C496和ASTM C78标准测试；耐久性通过10% NaCl、5% HCl、5% HNO₃溶液浸泡28天测定质量损失；微观结构采用扫描电子显微镜/能谱（SEM/EDX）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA/DTG）表征。样本来源：废弃咖啡渣收集自坦桑尼亚阿鲁沙本地咖啡加工厂和餐馆；混凝土原材料包括OPC、河砂和碎石。多目标优化采用期望函数法并通过验证试验检验模型可靠性。

（三）主要研究结果

**3.1 混合纤维增强HSC的力学性能**

实验测得抗压强度49–68 MPa，劈裂抗拉3.9–6.4 MPa，抗弯6.5–11.6 MPa。最优区域位于纤维掺量1.25%–1.50%、混杂比80/20–60/40；预测最高值分别为抗压69.6 MPa、劈裂抗拉9.0 MPa、抗弯14.0 MPa，较最低值提高约42.0%、130.8%和115.4%。各回归模型R2为0.9826–0.9912，验证试验误差