《Open Ceramics》：Utilization of Iron Powder as a Partial Replacement for Silica Sand in Heavy-Weight UHPC
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本研究调查了利用铁粉（Iron Powder, IP）作为超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）中硅砂的部分至完全替代材料的可行性，考察其对密度、力学强度、耐久性和微观结构的影响。研究人员制备了六组混合料，
本研究调查了利用铁粉（Iron Powder, IP）作为超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）中硅砂的部分至完全替代材料的可行性，考察其对密度、力学强度、耐久性和微观结构的影响。研究人员制备了六组混合料，铁粉按细骨料体积计替代率为0%至100%。结果表明，铁粉含量与性能之间呈非单调关系。密度随铁粉含量持续增加，在100%替代时达到3006 kg/m3，较对照组提高23.7%。然而，力学测试确定50%替代率为关键最优值，获得峰值抗压强度121 MPa、劈裂抗拉强度7.5 MPa和抗折强度10.1 MPa，分别较对照组提高14%、19%和25%。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）证实，在50%铁粉时，颗粒充当微填充体和C-S-H凝胶的成核位点，致密化界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）并形成均质基体。相反，超过50%铁粉会产生严重劣化；在100%替代时，抗压和抗拉强度分别低于对照组13%和31%，而吸水率从1.9%急剧升至4.3%，表明毛细孔隙显著增加。该劣化归因于堆积密度被破坏以及胶凝浆体不足以包裹过量金属颗粒。研究人员得出结论：50%铁粉替代可实现最优平衡，制得适用于辐射屏蔽和重质应用的高密高强UHPC。
研究背景方面，超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）以低水胶比、高胶凝材料用量和优化级配获得超低孔隙率与优异耐久性。传统重质混凝土常采用重晶石、磁铁矿、赤铁矿等粗骨料提升表观密度，用于核设施、医疗放疗室和粒子加速器中的电离辐射生物屏蔽，以及海洋工程压载结构；但粗骨料形貌尖锐会导致界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）发育差、骨料—浆体边界孔隙率高、工作性下降，长期易成为裂纹与有害离子通道，削弱屏蔽有效性。将重质功能嵌入UHPC细骨料体系，用高密度细颗粒替代硅砂，可在不损失UHPC流变控制与微结构致密性的前提下提升体积质量和衰减能力。铁粉（Iron Powder, IP）作为金属加工与粉末冶金副产品，比重约7.8 g/cm3、粒径可匹配UHPC级配，具备物理增重与潜在化学致密化双重优势，但其在UHPC中的水化动力学、堆积效率、自收缩与长期耐久性影响尚缺乏系统认知。因此，研究人员开展铁粉按体积替代硅砂的系统多尺度实验，相关成果发表于《Open Ceramics》。
关键技术方法上，研究人员以普通波特兰水泥（Ordinary Portland Cement, OPC）与硅灰（Silica Fume）为胶凝体系，硅砂最大粒径150 μm，铁粉粒径45–150 μm、比重约7.8 g/cm3，聚羧酸醚类高效减水剂（High-Range Water-Reducing Admixture, HRWRA）调节至相同流动度；设置0%、25%、50%、75%、100%体积替代，水胶比（w/b）0.20，细骨料与胶凝材料体积比恒定。试件经行星搅拌、振实成型，24 h拆模后23±2°C水养至28 d。测试涵盖ASTM C39抗压、ASTM C496劈裂抗拉、ASTM C78四点抗折、ASTM C138单位重量、ASTM C642吸水率，以及金溅射镀膜后的扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）形貌观察，无外部样本队列，均为室内配制试件。
研究结果如下。
密度：研究人员测得对照组2430 kg/m3，随铁粉体积替代0%→25%→50%→75%→100%升至2558、2777、2928、3006 kg/m3，100%时较对照组增23.7%；因铁粉比重远高于硅砂，体积固相质量增加且宏观密度近似线性上升，但宏观均一不代表微观无团聚。
抗压强度：7 d与28 d结果显示对照组106 MPa，25%为111 MPa，50%达峰值121 MPa（较对照+14%）；超过50%后下降至75%为99 MPa、100%为92 MPa（较对照?13%）。中等掺量借微填充、堆积致密、裂纹桥接与均匀应力传递增效；过量铁粉使级配破坏、比表面积过大、浆体包裹不足、金属—浆体ITZ黏结弱并有沉降分层。
劈裂抗拉强度：对照组6.3 MPa，50%峰值7.5 MPa（+19%），100%降至4.2 MPa（较峰值?44%，较对照?31%）；抗拉对ITZ缺陷更敏感，过量掺量下光滑铁粒—浆体界面脱黏与沉降造成剧降。
抗折强度：对照组以下，50%峰值10.1 MPa，100%最低6.5 MPa；50%前微填充与ITZ优化提升断裂韧性，超50%后团聚、流变不均、铁粒与水泥石弹性模量失配引发弯拉微裂。
吸水率：对照组1.9%，100%达4.3%；铁粒—浆体ITZ微孔连通、高掺量团聚屏蔽浆体分布、高效减水剂与 hydration 产物分布受影响，使毛隙网络互通，0%–50%吸水性仍较低，超50%渗透性恶化。
SEM：对照组孔多、硅砂—浆体界面微裂；50%铁粉时铁粒分散好，作微填充体与C-S-H成核位点，ITZ致密、基体均质，直接对应强度提升。
讨论部分总结：研究人员指出，水吸收仅作渗透性与毛隙孔隙代指标，氯离子侵入、冻融、碳化等长期耐久未做；SEM只对比0%与50%，100%级配破坏与高ITZ孔隙系由强度/吸水反推，未给高替代直采图像。未来应调铁粉级配、改表面处理、优化HRWRA、做微-纳多尺度表征与辐射屏蔽现场试验。
结论部分翻译：本研究系统调查了铁粉（Iron Powder, IP）作为硅砂在超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）中部分至完全替代材料的可行性，考察其对物理性能、力学表现、耐久性与微观结构特征的影响。实验发现铁粉含量与整体性能呈复杂非单调关系，并明确最优替代阈值。第一，铁粉显著提高表观密度（单位重量），100%替代混合料密度3006 kg/m3，较对照增23.7%；但密度提升未线性转化为强度提升。力学测试确定50%替代为关键最优值，抗压121 MPa、劈裂抗拉7.5 MPa、抗折10.1 MPa，分别较对照提高14%、19%与约25%，该剂量下铁粒物理与化学作用有利。第二，SEM证实50%替代时铁粒为高效微填充体，细化孔隙并致密化浆体—骨料界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）；金属表面提供C-S-H凝胶沉淀成核位点，形成高黏聚、均质、增强基体，利于应力传递。第三，超过50%阈值后力学与耐久性严重退化：75%与100%替代抗压分别低于对照7%与13%，抗拉较50%混合料最高降44%；吸水率由1.9%升至4.3%，连通毛隙孔隙显著增加，归因于过量金属粒破坏堆积密度、润湿性差致弱界面、胶凝浆体体积不足以包裹高比表面积铁粉。综上，硅砂全替代因高孔隙损害力学完整性与耐久性；50%铁粉策略可平衡密度与强度，机械性能提升14%–19%并获得致密高强基体，适用于辐射屏蔽与重质UHPC。未来应改性铁粉级配、用高效减水剂改善高掺工作性，或采用表面处理缓解50%以上负面效应。
