掺入电炉钢渣和二氧化碳富集纳米气泡水的低碳超高性能纤维增强混凝土：力学性能与微观结构表征

《Sustainable Materials and Technologies》：Low-carbon ultra-high-performance fiber-reinforced concrete incorporating electric arc furnace slag and CO?-enriched nanobubble water: Mechanical performance and microstructural characterization

　　

摘要

本研究探讨了电弧炉还原渣（ERS）与CO?纳米气泡水（CNW）对超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）力学性能及微观结构演化的协同效应。采用0%–20%的ERS部分替代普通波特兰水泥（OPC），并以自来水（TW）和CNW作为拌合用水。研究了抗压强度和单轴拉伸行为，并结合数字图像相关性（DIC）技术对裂缝发展进行了分析。利用热重分析（TG）/差示热重分析、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射（XRD）对微观结构演化进行了表征。结果表明，用ERS部分替代OPC可显著提升抗压和抗拉性能，最佳性能出现在ERS替代率约为10%时。在TW组中，抗拉强度、抗拉应变能力和应变能密度从0% ERS时的14.1 MPa、0.53%和64 kJ/m3分别提高至10% ERS时的17.1 MPa、0.70%和106 kJ/m3，增幅分别为21.27%、32.08%和65.6%。在CNW组中，掺入10% ERS的试件达到了17.7 MPa的抗拉强度、0.79%的抗拉应变能力和118 kJ/m3的应变能密度。此外，不含ERS试件的抗压强度从使用TW时的180.6 MPa提高至使用CNW时的184.5 MPa。这些改善主要归因于C-S-H凝胶的形成增加和聚合度提高，以及成核能力的增强。相比之下，过量的ERS掺量（20%）会降低碱度并促进惰性相的积累，从而抑制渣的活化和水化反应。在所有替代水平下，CNW拌合试件均表现出优于TW试件的力学性能。这种增强是由于纳米气泡加速了水化反应、改善了水泥基相的溶解以及通过CO?碳化原位形成纳米级CaCO?。此外，XRD和TG分析表明，在中等替代率下，CNW促进了ERS中γ-C?S的活化和碳化，从而有助于基体致密化和纤维-基体界面性能的改善。综上所述，将ERS与CNW结合使用可有效提高UHPFRC的性能和可持续性，通过减少水泥用量并促进CO?利用。

引言

超高性能混凝土（UHPC）作为新一代水泥基复合材料，凭借其出色的耐久性和卓越的拉伸延性，越来越多地应用于桥面板铺装、预制连接构件、路面加固和结构改造等工程领域[1]、[2]、[3]。随着UHPC应用的不断扩展，研究人员对其材料特性和设计方法进行了深入探索。为降低实验研究相关的成本和时间，近年来提出了多种预测UHPC力学性能的机器学习模型[4]、[5]。

然而，UHPC优异的力学和耐久性能在很大程度上依赖于其极高的胶凝材料含量。通常，UHPC的水泥用量为1100–1300 kg/m3，约为普通混凝土的三倍[6]，这导致隐含能源消耗和二氧化碳排放大幅增加。由于全球年水泥产量超过22亿吨，水泥行业估计占全球CO?排放量的约8%[7]、[8]，因此UHPC高水泥含量所带来的环境负担尤为显著。因此，在保持UHPC优异力学性能和耐久性的同时降低其环境足迹，已成为一个关键的研究焦点。

UHPC的可持续性可通过两种主要途径提升：一是减少普通波特兰水泥（OPC）的使用以降低生产过程中的CO?排放[9]、[10]、[11]、[12]；二是将CO?引入混凝土基体中[13]、[14]、[15]。Korpa等人[16]报道，在UHPC典型的超低碳灰比条件下，仅有30%–35%的水泥颗粒发生水化，其余部分未水化，仅起填充作用。因此，利用辅助胶凝材料（SCMs）部分替代水泥的方法已被广泛研究，以同时减轻环境压力、降低材料成本，并提高超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）的力学性能[17]、[18]、[19]、[20]。特别是，最近的研究探索了使用碱激活性材料和工业副产品作为UHPC的替代胶凝材料，以进一步提高可持续性和减少碳排放[21]。

钢铁行业——全球最大的能源和原材料消耗行业之一——也是最大的工业CO?排放源之一，约占全球排放量的7%，同时产生大量副产品和固体废物[22]。其中，粒化高炉矿渣粉（GGBS）是应用最广泛的矿渣类SCM，因其优异的后期强度发展和抗化学侵蚀能力[23]、[24]。然而，尽管GGBS是高炉炼铁的工业副产品，其生产依赖于不可再生的铁矿石资源和高炉的持续运行[25]。随着各国逐步削减高炉产能以实现脱碳目标并向电弧炉炼钢和基于氢气的直接还原转变，GGBS的区域供应正呈现"供应不足且可用性持续下降"的趋势，这意味着它可能无法满足未来低碳胶凝材料在混凝土行业的持续需求[26]、[27]。因此，寻找替代GGBS的SCM具有重要的工程和环境意义。

电弧炉渣（EAFS）是炼钢过程中去除杂质时产生的副产品，其成分取决于冶炼阶段。在熔化和氧化阶段，形成富含FeO和MnO的电弧炉氧化渣，通常会被移除。在随后的精炼阶段，加入石灰和脱氧剂，产生富含CaO的电弧炉还原渣（ERS）[28]、[29]。ERS是一种富含钙的工业副产品，含有相当数量的CaO和SiO?。然而，其化学组成和矿物组合与OPC存在显著差异，特别是其Al?O?和MgO含量较高而CaO含量较低。由于含有潜在反应性含钙相，ERS表现出潜在的胶凝和碳化反应活性，因此可用作辅助胶凝材料。You等人[30]报道，用30%（质量）的ERS替代水泥后经碳化养护，抗压强度比水养护对照提高了2.38倍。尽管这些结果令人鼓舞，但专门针对ERS的研究仍相对有限，现有研究主要集中于EAFS作为骨料材料的应用[29]、[30]、[31]。因此，ERS作为反应性胶凝材料的潜力尚未得到系统性研究。

矿物碳化是水泥行业中一种突出的CO?封存途径，其中CO?被永久储存为稳定的碳酸盐矿物（如CaCO?和MgCO?）。现有的碳化方法对应混凝土生命周期的三个阶段：原材料碳化[31]、[32]、[33]，搅拌过程中的碳化[34]、[35]，以及养护过程中的碳化[36]、[37]。然而，目前大多数碳化技术需要在高温、高压或高相对湿度等特定条件下进行，这使得其在施工现场的实施具有挑战性。此外，它们还会向大气释放相当数量的CO?。Ravikumar等人表明，从全生命周期评估来看，用CO?养护或CO?拌合混凝土替代传统生产的净CO?效益可能为负值[38]。

相比之下，纳米气泡技术为解决现有CO?封存方法的局限性提供了一种有前景的途径。与传统的毫米级气泡（~1 mm）不同，纳米气泡的直径通常在200 nm至50 μm之间，并具有出色的稳定性和大的比表面积[39]。将CO?注入纳米气泡中可产生CO?纳米气泡水（CNW），其双电层结构增强了气泡稳定性，并通过提高拉普拉斯压力增加CO?溶解度[14]。此外，CNW巨大的气-液界面显著提高了传质系数[40]，从而促进了CO?封存并实现水泥基体系统中更均匀的分布。更重要的是，由于UHPC的极低碳灰比和密实堆积的颗粒体系，其内部孔隙结构高度细化，导致孔隙连通性显著降低，微观结构异常致密。在传统气相碳化养护条件下，CO?的传输成为控制碳化反应的主导因素。由于扩散系数极低，CO?向内部基体的渗透受到严重限制，碳化反应主要发生在近表面区域，从而限制了内部碳化效率[41]。相比之下，本研究采用CO?纳米气泡水（CNW）作为拌合用水，使碳化反应在搅拌阶段即可发生。得益于纳米气泡的高稳定性和均匀分散特性，CO?可以更均匀地分布在UHPC基体中，使其能够早期参与碳化反应[42]。这种方法有效绕过了传统碳化过程中CO?扩散的传输限制，从而将控制机制从扩散控制碳化转变为反应驱动碳化。此外，CNW的引入不需要对现有UHPC生产流程进行改造，可直接整合到传统搅拌工艺中，为现场实施提供了显著的实践优势[43]。因此，该方法不仅提高了内部碳化效率，还克服了传统气相碳化技术相关的操作和设备限制。

尽管之前采用GGBS、再生细骨料或加速碳化养护的研究已证明了部分CO?利用的可行性，但这些方法仍受限于SCM供应短缺、依赖专用高压碳化设施以及难以适用于现浇混凝土。最近的研究也证明了在UHPC中将钢渣粉与纳米气泡拌合水结合使用的可行性[44]。然而，富含钙的电弧炉还原渣（ERS）在CNW拌合UHPFRC中的应用仍研究不足。因此，本研究将ERS作为富钙辅助胶凝材料按质量部分替代商品OPC，并采用CNW作为拌合用水，以在常压下增强CO?溶解并加速矿物碳化，从而实现力学性能提升、废物资源化和CO?封存的多重改善。本研究的 conceptual framework 如图1所示，总结了UHPC中ERS粉和CO?纳米气泡水的引入及其相关的微观结构机理和性能改善。本研究首次系统地评估了自来水（TW）、CNW和不同ERS替代率对UHPC抗压和抗拉性能的联合效应。此外，采用数字图像相关性（DIC）技术分析了裂缝的萌生和扩展。与DIC不同，采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TG）和X射线衍射（XRD）对材料的微观结构演化进行了表征。

原料特性

根据ACI 239委员会的定义，UHPC是一种先进的水泥基材料，其最小抗压强度达到150 MPa，同时表现出优异的耐久性、拉伸延性和韧性。在本研究中，UHPC使用五种原材料配制：OPC、硅灰（SF）、硅粉、硅砂和ERS。OPC作为主要水硬性胶凝材料，而SF和ERS作为辅助胶凝材料。硅粉用作填充料，硅砂用作细骨料。

TG/DTG分析

图5展示了采用不同类型拌合水和不同ERS替代率的UHPC浆体的TG/DTG曲线。如DTG曲线所示，本研究中的主要质量损失区域出现在25°C–200°C、300°C–450°C和700°C–800°C的温度范围内。25°C–200°C范围内的质量损失主要是由于水化产物（如硅酸钙水化物（C-S-H）凝胶和AFm或AFt相）的脱水。在...观察到宽DTG特征

结论

本研究系统地考察了ERS替代率（0%–20%）和拌合水类型（TW和CNW）对UHPFRC力学性能和微观结构特征的联合效应。基于抗压强度试验、单轴拉伸试验、DIC分析和详细的微观结构表征，可得出以下结论：

1. 当替代率适当控制时，用ERS部分替代OPC可有效提高...

作者贡献声明

Qingbo Ning：撰写初稿、可视化、调查研究、形式分析、概念构思。
Zhengri Cui：调查研究、数据管理。
Sang-Hyun Yong：调查研究、形式分析。
Rongzhen Piao：方法论、数据管理。
Jian-Xin Lu：撰写审阅与编辑、验证。
Chi Sun Poon：撰写审阅与编辑。

Doo-Yeol Yoo：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由韩国政府（科学技术信息通信部）资助的韩国国家研究基金会（NRF）基金支持（项目编号：RS-2025-00558786）。

Qingbo Ning | Zhengri Cui | Sang-Hyun Yong | Rongzhen Piao | Jian-Xin Lu | Chi Sun Poon | Doo-Yeol Yoo

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