《Materials Today Communications》：Multi-scale performance evaluation of composite cement concrete as a low-carbon alternative: A comparative assessment with OPC, PPC, and PSC systems
编辑推荐：
摘要
复合水泥已成为传统水泥体系可行的低熟料替代方案；然而，其在混凝土中的整体性能，尤其是在耐久性和可持续性方面的表现，仍未得到充分记录。本研究探讨了复合水泥混凝土与OPC、PPC和PSC混凝土相比，在新拌性能、力学性能、输运性能、耐久性能及环境性能方面的表现
摘要
复合水泥已成为传统水泥体系可行的低熟料替代方案；然而，其在混凝土中的整体性能，尤其是在耐久性和可持续性方面的表现，仍未得到充分记录。本研究探讨了复合水泥混凝土与OPC、PPC和PSC混凝土相比，在新拌性能、力学性能、输运性能、耐久性能及环境性能方面的表现。混凝土拌合物采用复合水泥配制，水灰比分别为0.40、0.45和0.50，而参照配合比则设计为具有可比性的和易性。新拌性能显示出受控的流变行为，坍落度范围为60至100 mm，且在坍落度、压实系数、Kelly球贯入度与屈服应力之间观察到一致的相关性。复合水泥混凝土实现了优异的力学性能，28天抗压强度达到44.6 MPa，较传统水泥混凝土提高约10%–15%。劈裂抗拉强度、抗折强度和弹性模量提高了12%–20%，证实了增强的抗裂性能和刚度。输运和耐久性指标显示出显著的孔隙细化效果，水渗透系数降低至约1.4 × 10?1? m/s，RCPT通过电量降至300库仑以下，90天表面电阻率超过140 kΩ·cm，表明腐蚀风险极低。在侵蚀性环境下，复合水泥混凝土表现出较低的质量损失，在酸和硫酸盐暴露后分别保留了其原始抗压强度的89%以上和93%以上。生命周期评估结果显示，与OPC混凝土相比，隐含能耗降低了10%–12%，全球变暖潜值降低了15%–17%。
复合水泥混凝土多尺度性能评估的学术解读
**1. 研究背景与问题提出**
水泥和混凝土行业面临着减少熟料消耗及相关碳排放的双重压力，同时需维持结构性能和长期耐久性。普通硅酸盐水泥（OPC）虽然应用广泛，占全球水泥产量近65%–70%，但由于熟料生产的高能耗和石灰石煅烧过程，具有较高的隐含能耗和全球变暖潜值。据统计，OPC生产每公斤水泥约排放0.85–0.95 kg CO?，贡献了全球人为CO?排放总量的7%–8%。随着2050年全球水泥需求预计超过55亿吨，对高熟料OPC体系的持续依赖日益不可持续。为此，波特兰火山灰水泥（PPC）和波特兰矿渣水泥（PSC）等混合水泥体系已被广泛开发和应用。然而，粉煤灰的未来供应量预计将因燃煤电厂的逐步淘汰而显著下降，矿渣的供应则受限于区域分布并与钢铁生产趋势密切相关。这些供应不确定性对基于单一辅助胶凝材料（SCM）的混合水泥的长期可扩展性构成了挑战。
复合水泥作为有前景的低熟料胶凝材料应运而生。其通过将熟料与多种辅助胶凝组分进行受控混合而成，符合IS 16415标准要求。通过结合粉煤灰、矿渣、石灰石或其他SCM，复合水泥体系能够实现更高效的资源利用，同时与OPC相比CO?排放量可减少30%–50%。多种SCM的协同效应可促进孔隙细化、降低渗透性并增强抗化学侵蚀能力，使耐久性成为复合水泥混凝土的核心性能优势。
然而，现有研究存在明显不足。以往对混合水泥混凝土的研究主要集中于实验室设计的替代体系，且多数研究仅考察孤立的性能方面，如抗压强度或单一耐久性指标，未能在新拌流变性能、输运性能、化学耐久性和可持续性结果之间建立一致的关系。相比之下，对商业化生产的复合水泥研究仍然有限，现有研究多集中于水泥净浆行为或早期强度特征，对实际配合比和现实水灰比条件下混凝土尺度的性能关注不足。输运相关耐久性参数（如吸水性、水渗透性、表面电阻率和快速氯离子渗透）的系统研究尤为匮乏。此外，在酸性环境和硫酸盐环境等侵蚀性暴露条件下，力学性能和化学耐久性的综合评估关注有限。另一个重要局限是可持续性指标与实验验证性能数据的整合不足。虽然生命周期评估研究经常报告混合水泥和复合水泥在隐含能耗和碳排放方面的减少，但这些发现很少与混凝土层面的综合力学和耐久性能相关联。
**2. 研究内容概述**
本研究旨在对复合水泥混凝土与OPC、PPC和PSC混凝土进行全面的、以性能为导向的评估。研究聚焦于使用工业生产的复合水泥制备的混凝土，通过控制水灰比（0.40–0.50）的变化来反映实际施工条件。具体目标包括：（i）使用多种和易性指标考察复合水泥混凝土的新拌流变行为；（ii）通过抗压、抗拉、抗折强度和弹性模量评估力学性能；（iii）评估输运和耐久特性，包括渗透性、吸水性、电阻率、RCPT以及抗酸和硫酸盐侵蚀能力；（iv）量化隐含能耗和全球变暖潜值以建立性能关联的可持续性评估。
**3. 主要技术方法**
研究人员采用多维度实验测试与生命周期评估（LCA）相结合的方法。实验部分包括：使用坍落度、压实系数和Kelly球贯入度测试评估新拌性能；通过立方体抗压、圆柱体劈裂抗拉、棱柱体抗折及应力-应变测试测定力学性能；采用超声波脉冲速度（UPV）和回弹锤进行非破坏性检测；输运性能通过水渗透系数（IS 3085）、吸水性（ASTM C1585）和快速氯离子渗透试验（RCPT，ASTM C1202）表征；表面电阻率按AASHTO T 358测定。耐久性评估包括5%盐酸（HCl）溶液酸侵蚀试验（ASTM C1898）和5%硫酸钠（Na?SO?）溶液硫酸盐侵蚀试验（ASTM C1012）。生命周期评估采用从摇篮到大门（cradle-to-gate）的系统边界，以1 m3混凝土为功能单元，基于文献中的材料环境系数进行隐含能耗和全球变暖潜值计算，并进行性能归一化和敏感性分析。
**4. 研究结果**
**4.1 新拌性能与流变特性**
复合水泥的初凝时间为97分钟，终凝时间为283分钟，较OPC分别延迟58分钟和78分钟，但均满足IS标准要求。复合水泥混凝土的坍落度随水灰比从60 mm（CC40）系统增加至约100 mm（CC50），坍落度损失保持在15 mm以内的适中水平，和易性保持指数在84.0%–85.2%范围内。基于ACI 238.1R-08理论公式计算的屈服应力与坍落度呈强线性负相关（τ? = ?8.00S + 2361.0，R2 = 0.96）。压实系数从CC40的0.85增至CC50的约0.93，Kelly球值从40增至近65。回归分析显示压实系数（CF = 0.0025S + 0.672，R2 = 0.99）和Kelly球值（KB = 0.47S + 16.3，R2 = 0.98）均与坍落度呈强线性正相关。
**4.2 物理性能与非破坏性检测**
复合水泥混凝土的密度随养护龄期增加而增大，CC40从28天的2440 kg/m3增至90天的约2455–2460 kg/m3。超声波脉冲速度（UPV）和回弹锤强度均优于参照水泥体系，CC40的UPV从28天的4.50 km/s增至90天的约4.65–4.70 km/s。UPV与抗压强度（R2≈0.94）及回弹锤强度与抗压强度（R2≈0.98）之间均呈强正线性相关，验证了非破坏性方法在复合水泥混凝土质量评估中的可靠性。
**4.3 力学性能**
复合水泥混凝土在各龄期均表现出优于参照体系的抗压强度。CC40的28天抗压强度为44.6 MPa，较OPC等参照混凝土提高约10%–15%；90天强度达到52.1 MPa，28至90天间强度增益约8–9 MPa，表明持续水化贡献显著。相对强度分析显示，以OPC 28天强度为基准（100%），CC40在56天和90天的相对强度达120%–130%。劈裂抗拉强度方面，CC40从28天的5.0 MPa增至90天的5.6 MPa，相对值提高至110%–125%，较参照体系增强12%–20%。抗折强度同样呈现相似趋势，CC40从6.3 MPa增至约7.1 MPa。弹性模量从37 GPa（28天）增至约42 GPa（90天），相对模量为115%–125%。值得注意的是，与国际规范（ACI 363R-92、ACI 318、CEB-FIP和AS 3600）的预测模型比较显示，现有规范公式显著低估了复合水泥混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度，表明这些基于OPC体系校准的经验模型不能完全反映复合水泥混凝土因持续水化和微观结构细化所增强的拉伸抗力。
**4.4 输运与电学性能**
水渗透系数显著降低，CC40从28天的3.2 × 10?1? m/s降至90天的约1.4 × 10?1? m/s。初始吸水性从0.20 mm/min?·?降至约0.12 mm/min?·?，二次吸水性从0.07降至约0.045 mm/min?·?。表面电阻率随龄期持续增长，CC40在28天为46 kΩ·cm，90天达143 kΩ·cm，远超OPC（49 kΩ·cm）、PPC（63 kΩ·cm）和PSC（71 kΩ·cm），按AASHTO T 358分类处于极低氯离子渗透等级。RCPT结果同样显著改善，CC40在90天的通过电量降至约280–300库仑，而OPC等参照体系仍处于中等至低渗透率范围。
**4.5 耐久性能**
在5% HCl溶液酸侵蚀条件下，复合水泥混凝土的质量损失显著低于参照体系。CC40在90天暴露后质量损失仅为6.2%，而OPC超过10%。CC40在28、56和90天暴露后的残余抗压强度分别为96.8%、93.5%和89.2%，而OPC仅保留约74%。在5% Na?SO?溶液硫酸盐侵蚀条件下，CC40的90天质量损失仅为3.4%，残余强度保持率达93.8%，OPC仅保留约87%强度。性能排序（CC40 > CC45 > CC50 > PSC > PPC > OPC）在两种侵蚀环境下均与输运和电学指标相一致，证实了复合水泥体系在侵蚀性环境中的优异化学耐久性。
**4.6 生命周期评估**
生命周期评估结果表明，OPC混凝土的隐含能耗（EE）约为4150 MJ/m3，而CC40降至3720 MJ/m3，降幅约10%–12%。全球变暖潜值（GWP）方面，OPC为620 kg CO?-eq/m3，CC40降至515 kg CO?-eq/m3，降幅约15%–17%。以28天抗压强度进行性能归一化后，CC40的EE强度值为83.41 MJ·m?3·MPa?1，GWP强度值为11.55 kg CO?-eq·m?3·MPa?1，较OPC分别降低16.4%和22.5%。敏感性分析表明，即使复合水泥系数在±20%范围内波动，其对OPC的环境优势依然保持，验证了评估结果的稳健性。
**5. 讨论与结论总结**
本研究的讨论部分指出，复合水泥混凝土的综合性能优势源于多种SCM的协同水化效应导致的孔隙细化和微观结构致密化。较低的水灰比进一步增强了这一效应。环境效益与力学-耐久性能的同时实现，表明复合水泥是一种兼顾结构可靠性和环境可持续性的低碳替代方案。
研究结论如下：（1）复合水泥混凝土表现出受控的新拌和易性，坍落度从60 mm（CC40）增加至100 mm（CC50），伴随压实系数（0.82至0.93）和Kelly球值（40至65）的一致增加，证实屈服应力降低和流变行为稳定。（2）CC40的28天抗压强度达44.6 MPa，较OPC、PPC和PSC混凝土提高约10%–15%，且28至90天间持续获得近8–9 MPa的强度增益。（3）劈裂抗拉强度和抗折强度在90天分别达约5.6 MPa和7.1 MPa，较参照体系增强12%–20%，表明抗裂性能和荷载再分配能力改善。（4）弹性模量从37 GPa（28天）增至约42 GPa（90天），较传统水泥混凝土提高近10%–15%。（5）输运性能显著改善，水渗透系数降至1.4 × 10?1? m/s，初始吸水性降至约0.12 mm/min?·?，RCPT通过电量在90天低于300库仑；表面电阻率从28天的45 kΩ·cm增至90天的140 kΩ·cm以上，表明抗氯离子渗透能力提升。（6）化学暴露下，复合水泥混凝土质量损失较低（酸侵蚀下≤6%，硫酸盐侵蚀下≤3.5%），90天酸和硫酸盐暴露后分别保留原始抗压强度的89%以上和93%以上。（7）生命周期评估显示，复合水泥混凝土较OPC混凝土降低隐含能耗10%–12%和全球变暖潜值约15%–17%，CC40实现最低值3720 MJ/m3和515 kg CO?-eq/m3。（8）CC40展现出在需要改善耐久性和降低环境影响的结构的应用潜力，其均衡的力学、输运和化学性能支持其在耐久性混凝土结构中的应用，是传统OPC基混凝土的有前景的低影响替代方案。
