绿色低碳混凝土的配合比优化及力学性能与耐久性研究

一、引言

混凝土作为建筑行业最基础的结构材料，其生产过程的高能耗、高碳排放问题已成为制约行业可持续发展的关键瓶颈。其中，水泥作为混凝土的核心胶凝材料，其生产不仅消耗大量石灰石、煤炭等资源，每生产 1 吨水泥还会排放约 0.8 吨二氧化碳，占全球人为碳排放总量的 8% 左右。随着“碳达峰、碳中和”战略的推进，研发绿色低碳混凝土技术成为建筑材料领域的重要课题。

绿色低碳混凝土的核心逻辑是通过减少水泥用量、利用工业固废替代、优化配合比设计等手段，在降低碳排放的同时保障甚至提升材料性能。目前，行业内已广泛尝试将粉煤灰、矿渣等工业固废作为矿物掺合料替代水泥，但多集中于单一掺合料的效果研究，对多掺合料协同作用、再生骨料与胶凝材料适配性等关键问题的探索仍不够系统。

二、原材料与试验方法

2.1 原材料选择

·胶凝材料：选用 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其凝结时间、强度发展等性能符合通用水泥标准，作为基础胶凝材料；选用Ⅱ级粉煤灰，其颗粒细小、形态圆润，具有良好的火山灰活性与形态效应；选用 S95 级矿渣粉，该材料经水淬处理后活性较高，可与水泥水化产物发生二次反应；辅以少量硅灰，利用其高比表面积与高活性改善混凝土微观结构。

·骨料：粗骨料采用天然碎石与再生粗骨料，其中再生粗骨料由废弃混凝土构件破碎、筛分、清洗后制得，通过预处理去除表面附着的砂浆与杂质，提升其与水泥浆体的相容性；细骨料选用机制砂，控制其细度模数与石粉含量，确保混凝土工作性与强度发展平衡。

·外加剂：采用聚羧酸高效减水剂改善混凝土流动性，减少拌合用水量；复配少量引气剂，引入均匀分布的微小气泡，提升混凝土抗冻性与抗渗性。

2.2 试验设计与方法

·配合比设计：采用 L9（3⁴） ）正交试验方案，选取粉煤灰掺量、矿渣掺量、再生骨料替代率、水胶比为核心影响因素，每个因素设置三个水平梯度。以混凝土 28 天抗压强度、抗折强度作为力学性能评价指标，以抗氯离子渗透性能、碳化性能作为耐久性评价指标，通过极差分析确定各因素影响主次顺序及最优配合比组合。

·性能测试：力学性能测试依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，制作标准试件并经标准养护后，测试不同龄期的抗压、抗折强度；耐久性测试参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用RCM 法测定氯离子扩散系数，通过碳化试验箱模拟碳化环境，定期测定碳化深度；微观分析采用 X 射线衍射仪分析水化产物组成，通过扫描电子显微镜观察混凝土内部微观结构与界面过渡区形态。

三、配合比优化结果与分析

3.1 正交试验结果综合分析

正交试验结果显示，各因素对混凝土性能的影响存在显著差异。从力学性能来看，水胶比是影响抗压强度的最主要因素，随着水胶比增大，混凝土强度呈现明显下降趋势，这是因为过多水分会在硬化后形成孔隙，降低结构密实度。

从耐久性来看，粉煤灰掺量的影响最为突出。粉煤灰的火山灰反应能消耗水泥水化生成的氢氧化钙，生成更多的水化硅酸钙凝胶，细化孔隙结构，从而降低氯离子渗透速率。矿渣掺量与再生骨料替代率的影响相对温和，矿渣的二次反应可辅助改善抗渗性，而再生骨料的孔隙特征需通过胶凝材料体系优化来弥补。综合力学性能与耐久性指标，确定最优配合比为：粉煤灰掺量 30% 、矿渣掺量 20% 、再生骨料替代率 50% 、水胶比 0.36

3.2 单因素影响规律探讨

·矿物掺合料协同效应：粉煤灰与矿渣复掺时表现出良好的协同作用。粉煤灰的形态效应可改善混凝土工作性，为矿渣的二次反应提供充足空间；

矿渣的高活性则能弥补粉煤灰早期强度发展缓慢的不足，二者搭配使用可实现强度与耐久性的同步提升。当二者总掺量控制在 50% 左右时，既能大幅减少水泥用量，又能保证混凝土性能稳定。

·再生骨料适配性优化：再生骨料表面粗糙且存在微裂纹，与水泥浆体的界面粘结性能弱于天然骨料。通过控制再生骨料替代率不超过 50% ，并采用预处理工艺去除表面疏松砂浆，同时调整胶凝材料体系的流动性与粘结性，可有效改善界面过渡区结构，减少因骨料特性导致的性能损失。

·水胶比调控作用：水胶比直接影响混凝土的密实度与水化程度。过低的水胶比会导致混凝土工作性差、振捣不密实，反而降低强度；过高的水胶比则会增加孔隙率，削弱力学性能与耐久性。通过外加剂复配与骨料级配优化，可在适宜水胶比下兼顾工作性与密实度。

四、力学性能与耐久性研究

4.1 力学性能表现

最优配合比下的绿色低碳混凝土，其力学性能可满足中高强度混凝土设计要求。从强度发展规律来看，早期强度增长相对缓慢，这是由于矿物掺合料的火山灰反应滞后于水泥水化；但随着龄期延长，强度持续提升，28 天抗压强度可达到 C40 混凝土标准，抗折强度也能满足结构承载对韧性的要求。

4.2 耐久性提升效果

·抗氯离子渗透性能：最优配合比混凝土的抗氯离子扩散能力显著优于普通混凝土。这是因为矿物掺合料的火山灰反应消耗了游离氢氧化钙，减少了易溶盐类，同时细化了孔隙结构，使氯离子渗透通道更加曲折，有效延缓了氯离子向混凝土内部迁移的速度，可满足滨海、盐碱等恶劣环境下的耐久性要求。

·抗碳化性能：碳化试验结果显示，该混凝土的碳化深度增长缓慢，56 天碳化深度远低于标准限值。分析其原因，一方面硅灰的高活性可快速生成水化产物，弥补因水泥用量减少导致的碱储备不足；另一方面，密实的微观结构阻碍了二氧化碳的扩散，降低了混凝土中性化速率，有利于保障钢筋混凝土结构的长期耐久性。

五、结论与展望

1.配合比优化成果：通过正交试验确定的最优配合比（粉煤灰 30% 、矿渣 20% 、再生骨料 50% 、水胶比 0.36），可在大幅降低水泥用量的同时，使混凝土力学性能与耐久性满足工程设计要求，为绿色低碳混凝土的配比设计提供了可行方案。

2.性能提升核心机制：矿物掺合料的协同火山灰反应、再生骨料的预处理优化及外加剂的复配调控，共同改善了混凝土的微观结构与界面性能，是实现“低碳”与“高性能”兼顾的核心路径。

3.工程应用价值：工程实践验证表明，优化后的绿色低碳混凝土具有良好的施工适应性与性能稳定性，可有效降低碳排放、节约资源成本，具备广泛的推广应用前景。

未来研究可进一步拓展工业固废的利用范围，探索赤泥、钢渣等难利用固废在混凝土中的协同应用技术；结合人工智能技术开发配合比智能设计系统，实现配比参数的精准调控；深入研究复杂环境下混凝土的长期性能演化规律，为绿色低碳混凝土的全生命周期管理提供理论支撑。

参考文献

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