本文来自ScienceDirect的公开论文，作者是奥地利工程师。由于小编水平和时间限制，文章基本采用机器翻译，比较粗糙。敬请谅解。
关键点：
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水泥的部分替代超高水平研究补充材料。
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足够的SCM不会导致SCM的显着退化机械性能.
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对填料密度的影响超过了SCM的水力反应性因素。
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用足够的SCM代替水泥可以带来更好的生态特性。
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考虑材料节约和增强的耐用性改善UHPC生态平衡。
概要：
钢筋混凝土（RC）是主要和最常用的建筑材料，全球年材料流量约为200-250亿吨。因此，水泥作为最常用的无机结合材料，占人为二氧化碳排放总量的5%以上。超高性能混凝土（UHPC）是一种新兴的高科技建筑材料，与正常强度混凝土（NSC）相比，在设计RC结构时具有更高的细长度和耐用性。UHPC的生态影响受到高水泥含量的影响，与正常强度混凝土相比，所需的量是其两倍以上。研究了用能耗较低的水力混凝土添加剂替代混合物中的水泥对混凝土性能的影响以及针对不同UHPC混合物计算的环境影响参数。2
1. 研究意义：混凝土建筑的可持续性
在欧盟，大约40%的总能源消耗来自建筑和施工部门。在中欧国家，大约70%的总材料流是由建筑业引起的[1]，[2]。这些数字说明了可持续性在建筑领域的重要性。因此，除了努力改进建筑材料外，可持续性问题近年来越来越受到关注，并已成为建筑材料行业的首要关注点。
生态目标包括尽量减少对不可再生资源的开发，从而确保可再生资源的再生和减少建筑废物和残留物。此外，有效利用原材料生产建筑材料以及建筑废物再利用和回收的概念对于跟上1987年布伦特兰报告中列出的未来需求是必要的，其中“可持续性”一词首次被定义[3]。
钢筋混凝土（RC）是众所周知的全球最重要的建筑材料。最近在高效减水剂形成方面的成功已经让位于超高性能混凝土（UHPC）新混凝土系列的开发，该系列的抗压强度达到了以前只有钢才能达到的水平。同时，还制定了一些涉及UHPC材料性能和设计概念的指南[4]，[5]，[6]。
据估计，世界每年的混凝土总物料流量约为20-25 Gt[7]，[8]。这个数量的混凝土将对应于边长超过 2 公里的立方体填充混凝土。水泥是最常用的无机结合材料。根据文献，其2012年的全球产量约为3.6 Gt[9]，由于其生产技术，这具有显着的生态影响。目前水泥产量的增长率约为每年3-5%。水泥行业占人为一氧化碳总量的5-8%2排放 [10]。这一高数字主要来自水泥生产中的主要原料石灰石的脱酸，此外还有达到1450°C煅烧温度所需的能量化合物。因此，混凝土对环境的影响的显著减少在于用能源密集度较低的液压混凝土添加剂部分替代水泥。这在像UHPC这样水泥含量高的混凝土材料中具有更大的意义。
在本研究的第一部分中，研究了使用不同补充胶凝材料（SCM）的UHPC混合物与钢纤维的混合物与参考UHPC混合物的比较。目标是达到与新混凝土和硬化混凝土相似的性能，同时对环境的影响较小。为了量化这种影响，在第二步中，在UHPC的准生命周期评估（LCA）方法中考虑了一次能源输入（PEI）和以下环境影响指标：
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全球变暖潜能值。
•
酸化电位。
•
富营养化潜能值。
没有考虑臭氧在平流层（ODP）和光化学创造过程（POCP）的影响。反映能源和环境影响指标的数据取自文献[11]，[12]，[13]。
2. 用PLC替代UHPC混合物中的水泥
这项研究的一个主要重点是开发用于UHPC的新混合物，用当地可用的补充胶凝材料（如粒化高炉渣（GBS）或粉煤灰（FA））代替高能量密集型水泥。由于水泥含量高，约为800公斤/米3 在混合比例方面，UHPC与NSC相比对环境具有重大影响。通过用SCM代替水泥含量，将注意力转向新拌混凝土的可加工性和硬化混凝土的力学性能。为了可视化效果，研究了与仅使用水泥作为粘合剂的参考混合物的性能。由于最高可达到的抗压强度不在本次研究的重点范围内，因此没有对UHPC试样进行热处理。
2.1. 替代程度
斯德哥尔摩皇家理工学院[14]研究了用石英填料代替>30%重量的水泥，用于不同类型的高强度混凝土。水泥含量较低的混合物具有相似的可加工性和抗压强度。超细填料增加的堆积密度和低水粘结比导致未反应水泥含量大是造成这种行为的原因。
Heinz [15] 提出了另一项具有类似重点的研究结果，通过使用不同体积百分比的 GBS 代替波特兰水泥。讨论了UHPC混合物对可加工性和力学性能的影响。对于非热处理混合物，在35%至55%体积的取代范围内获得最佳结果。
Puntke还根据颗粒堆积密度的概念研究了UHPC混合物中SCM（粉煤灰，粒化高炉炉渣）对硅酸盐水泥的替代程度[16]。在这方面，GBS和FA的最佳替代率为31%（重量计）[17]。
在本研究中，硅酸盐水泥被GBS和FA取代。结果是在UHPC混合料设计中45%（重量）的替代率的基础上获得的，在第3节中讨论。
2.2. 混合比例
参比混合物是细粒混合物UM-5，最大晶粒尺寸为0.5毫米。作为粘结剂材料 CEM I 42.5 R，SR 0（不含 C3A） 被使用。石英砂的晶粒尺寸范围为0.1-0.5 mm，石英粉的晶粒尺寸范围为40 μm，最细的颗粒微硅（97%SiO）的粒度范围为40 μm。2），0.1–0.3 微米。钢纤维的长度为15毫米，直径为0.20毫米。作为高效减水剂，采用了西卡奥地利公司提供的特殊配方。表1列出了所有混合物（参考混合物，带有SCM的混合物）的混合设计。参比混合物UM-5的混合比例主要基于细粒堆积密度的最大化，从而减少了所需的水量。所使用的方法是Puntke开发的设置[16]，通过缓慢加水直到粉末表面的水平下降并因此指示水饱和点来识别粉末填充的小容器中的空隙。最大填料密度对应于所需的最小水量。
表 1.不同UHPC混合物的成分。
| 组件 | UM-5 | UM-5-FA | UM-5-GBSf | UM-5-GBSef |
|---|---|---|---|---|
| （公斤/米3) | ||||
| 水泥CEM I 42.5 R | 729 | 401 | 401 | 401 |
| 微硅 （k = 1.0） | 124 | 124 | 124 | 124 |
| FA （k = 0.4） | – | 328 | – | – |
| GBSf （k = 0.8） | – | – | 328 | – |
| GBSef （k = 0.8） | – | – | – | 328 |
| 石英粉 | 397 | 397 | 397 | 397 |
| 石英砂 | 833 | 833 | 833 | 833 |
| 总水量（包括SP） | 200 | 200 | 200 | 200 |
| 高效减水剂（SP） | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 纤维 （Stratec 0.2/15） | 155 | 155 | 155 | 155 |
| w/c情 商 | 0.234 | 0.305 | 0.254 | 0.254 |
| w/f | 0.47 | 0.44 | 0.45 | 0.45 |
w/c情 商表1中的值是当量水与粘合剂的比例，是根据EN 206-1 [18]的k值概念得出的。因此，通过 k 因子考虑 SCM 的水力活动（FA 的 k = 0.4，GBS 的 k = 0.8）。除了基于体积的水/细比，w/f 被定义为包装密度的间接度量。关于细粉（颗粒<125μm）[6]，[19]的这一决定性作用，w/f比在混合物比例中几乎保持不变（见表1）。
2.3. 所用辅助胶凝材料的表征
使用特定表面分析（布莱恩值，cm2/g），通过激光粒度法进行材料密度和粒度分布。 UHPC混合物中使用的单片机的材料特性如表2所示。
表 2.水泥和单片机的材料特性。
| CEM I | 发 | GBSf | GBSef | |
|---|---|---|---|---|
| 密度（克/厘米3) | 3.24 | 2.51 | 2.74 | 2.90 |
| 布莱恩值（厘米）2/g） | 4387 | 4410 | 4790 | 5620 |
| D50：MMD （质量中值直径） （微米） | 11.05 | 14.29 | 14.71 | 8.47 |
水泥：CEM I 42.5 R， SR 0.
FA：粉煤灰。
GBSf：粒化高炉渣细。
GBSef：粒化高炉炉渣超细。
单片机和水泥的晶粒尺寸分布如图1所示。由于其潜在的水力性能，GBS和FA为水泥的替代提供了有利的性能。这两种产品在奥地利当地都可以作为钢铁高炉工艺的副产品或来自热量发电站。因此，这些SCM的环境影响在它们首次出现的行业中被考虑在内，并且没有考虑混凝土的环境影响平衡（这种方法符合[20]中的建议）。
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图 1.通过激光粒度测定法进行粒度分布。
将工业过程产生的环境影响分配给主要产品和副产品或废物的替代方法在初级和次要过程之间有所不同，后者代表对废物或副产品进行进一步使用所需的特定处理[21]，[22]。不同的分配方法，例如基于产品和副产品之间的质量比或与当前增加的经济价值有关，可能导致副产品的环境负担与替代材料不同，有时甚至更高;然而，这些程序都不是无可争议的[21]。此外，在总余额中应考虑其他优势，例如节省资源。
3. 补充胶凝材料的UHPC材料性能
3.1. 降低水泥含量的UHPC配合料设计的新鲜混凝土特性
考虑到制造技术，在UHPC加固过程开始之前应留出足够的时间。对于所研究的混合物，发现在加水约20分钟后，可加工性是合适的，从而使铸造过程从放置混凝土到在此时间段内释放滞留的空气成为可能。为了为判断UHPC混合料的可加工性和确定最佳粘度提供依据，在《欧洲自密实混凝土指南》的基础上进行了砂浆的坍落度流动测试[23]。然而，对于快速加筋过程，坍落度流测试在2分钟后已经测量新拌混凝土的铺展进行了修改（见图2中的结果）。因此，直径 270 mm 被证明是坍落度流量的下限，以便能够正确处理 UHPC 混合物。混合物的温度起着重要作用，在混合过程中不应超过30°C。
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图 2.2分钟后坍落度流量测试结果。
3.2. 硬化混凝土性能
标本的固化和储存条件符合奥地利标准ONR 23303 [24]（24小时后从模具中取出，然后在固化罐中在水下储存至第7天，然后在实验室条件下进一步在空气中固化至第28天）。在制备后第28天对由纤维增强UHPC制成的100 mm立方体进行压缩测试。如图3所示，参比混合物UM-5的抗压强度为166.1 MPa。对于混合物UM-5-GBSef，纤维增强UHPC，用超细GBSef代替45%重量的水泥，获得了类似的结果，仅低于2.6 MPa。另外两种取代混合物分别达到139.4 MPa（UM-5-GBSf）和124.7 MPa（UM-5-FA），分别为参比混合物抗压强度的83%和75%。
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图 3.抗压强度。
在可加工性（见图2）和抗压强度（见图3）方面的最佳结果是用GBSef替代布莱恩值接近6000 cm的水泥获得的。2/g.为了评估不同混合比例的堆积密度，进行了Puntke测试[16]。表 3 列出了这些测试的结果（每个测试的平均值为 3 个测试）。细粒的堆积密度（nf） 对应于水量 （nw） 需要填充空隙 （nf = 1 − nw).含SCM的混合物的填料密度略高于参比混合物的值，GBSef的堆积密度最高，为61.1%。
表 3.蓬特克测试结果 – 堆积密度。
| 超高水平混合 | nw (%) | nf (%) |
|---|---|---|
| UM-5 | 39.7 | 60.3 |
| UM-5-FA | 39.2 | 60.8 |
| UM-5-GBSf | 39.1 | 60.9 |
| UM-5-GBSef | 38.9 | 61.1 |
4. 不同UHPC混合物生态特性比较
基于良好的力学性能，对使用单片机开发的UHPC混合物进行了环境影响指标评估。在通常用于指示建筑材料环境影响类别的雷达图中[ 25]，显示了UHPC中水泥替代的影响结果以及UHPC相对于[26]中“绿色混凝土”概念的位置。
4.1. UHPC 与 NSC 的比较
本节的主要议题是相关UHPC混合物与NSC之间基于其生态特性的比较。这些是根据不同混合物成分的一次能源输入参数和环境影响指标计算得出的。相应的数据来自来源[13]，[27]。所采用的程序是根据EN ISO 14040 [28]简化的LCA方法，侧重于1米所需的材料3 压实混凝土。为了更好地与NSC进行比较，对于UHPC混合物，没有考虑潜在钢纤维的影响。表4列出了考虑的环境影响参数，包括解释图4、图5中的图表时要应用的比例因子。
表 4.能源和环境影响指标。
| 环境影响指标 | 单位 | 比例因子 |
|---|---|---|
| 一次能源输入 – 可再生，爱德华王子岛再 | （兆焦耳/米3) | 102 |
| 一次能源输入 – 不可再生，爱德华王子岛non−re | （兆焦耳/米3) | 104 |
| 全球变暖潜能值，全球升温潜能值 | （千克一氧化碳2-当量/米3) | 103 |
| 酸化电位，AP | （千克索2-当量/米3) | 1 |
| 富营养化电位，EP | （千克波4-当量/米3) | 1 |
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图 4.UHPC混合料设计生态指标比较.
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图 5.1 m 之间的环境影响参数比较3C30/37，UHPC 参考混合物UM-5和UHPC与GBS超细（考虑到UHPC横截面的减少和耐久性的提高）。
图4显示了环境影响指标在1 m混合料设计中的影响3压缩的UHPC。根据每种混合物中的百分比对单个成分的生态数据进行评估和加权。结果是针对所讨论的三种混合物生成的，出于说明原因，使用表4中列出的比例因子（见图4，图5）。
与正常强度混凝土C30/37相比，数据显示UHPC在所有参数上都有大幅增加。比较两种UHPC混合物UM-5和UM-5-GBSef，由于水泥的替代，参数显着降低：具体而言，PEI不可再生减少了约32%，PEI可再生减少了24%，GWP减少了42%和AP的20%。因此，图4中的结果清楚地表明了UHPC混合料设计中对用SCM替代水泥时对生态影响较小的混合物的影响。此外，为了提供现实的评估并充分利用UHPC的生态潜力，必须考虑可能减少用于达到相同承载能力的材料量和提高耐久性。
4.2. UHPC与NSC建筑构件的比较
由于其非凡的抗压强度和增加的抗拉强度（大约是NSC的3倍），与标准RC构件相比，UHPC允许减少横截面，例如参见[1]中提出的研究。减少潜力取决于建筑构件的种类和几何形状、相关荷载场景和决定性失效模式。虽然压缩杆件在使用UHPC时允许显着增加细长，但当考虑主要受弯曲的杆件时，减少相当有限。在后一种情况下，钢筋和内杠杆臂的数量和性能在一定程度上受到混凝土抗压强度的影响，对于可实现的细长度具有决定性作用。通过充分减小腹板截面的宽度并根据压缩区中心的移动增加内杠杆臂，在弯曲构件的情况下，横截面折减电位的范围可以从小于10%到约20%。
另一方面，建筑柱是细长的压缩构件，其中屈曲是主要的破坏模式，浇筑钢筋通常超过压缩力的很大一部分。在这种情况下，当假设标准配筋度在2%和4%之间时，横截面可以减少30-50%。对于在压缩下相当紧凑的构件，没有屈曲失效的风险，可能节省的材料甚至更大，并且几乎与混凝土强度的提高成正比。
为了考虑到横截面的优化，在本研究中，减少了三分之一，即33%被认为是代表性的。在这方面，应该铭记，对耐火性的要求也可能导致更高的减少。为了与NSC进行比较，选择了参考混凝土C30/37。
另一个重要方面是UHPC构件的耐用性和使用寿命的提高。关于氯离子渗透、碳酸化、磨损和抗冻融性等耐久性参数的实验研究，可以推断出耐久性的大幅提高。根据卡塞尔大学的实验研究[29]，与标准NSC相比，UHPC在室外条件下的碳酸化过程慢3-6倍。其他几项研究报告了UHPC的类似有益耐久性特性[30]，[31]，[32]。一般来说，可以观察到氯离子迁移到UHPC的非常低的水平。根据[33]，与普通混凝土相比，氯化物扩散延迟（基于快速氯化物迁移测试），时间因子大于4。
为了考虑UHPC与NSC结构相比寿命的增加，在本研究中应用了2倍（图5）。所选择的比率对应于[30]，作者根据各种执行的耐久性测试，期望UHPC在使用寿命上至少比NSC高出两倍。虽然上述研究中报告的耐久性测试[29]，[30]，[31]，[32]可以证明更高的耐久性系数是合理的（至少可以争论3-4的比例），但另一方面，现行规范并不要求相应延长建筑物和结构的设计寿命，因此在应用如此高的因素时很难争论实际收益。
考虑到上述方式的横截面减少和寿命延长，图5中生成的雷达图显示，对生态的影响显著降低，因此UHPC建筑构件最终可能比NSC造成的环境负担更小。因此，没有考虑其他辅助因素，例如减少基础的横截面或由于使用细长柱[1]而节省的占地面积。
此外，在评估建筑构件的生态影响时，考虑钢筋和/或钢纤维是另一个重要方面。RC结构通常含有至少最少量的钢筋，而UHPC由于其脆性优选配备一定量的钢纤维。根据超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）的拉伸试验，至少2%体积的钢纤维量可能导致UHPFRC的应变硬化拉伸行为，而不是应变软化[34]。然而，在许多情况下，对于结构应用，0.5-1%的纤维量可能已经足以避免脆性破坏。此外，UHPFRC成员通常还将包含少量的钢筋。由于耗能的生产过程，纤维和钢筋的结合将大大增加环境影响因素，因此在考虑所有UHPFRC成分时可能成为最主要的因素之一[35]。然而，考虑钢成分对环境的影响仅在参考具有给定钢筋布局的真实建筑构件时才有意义，因此在本研究中没有考虑在内。
5. 结论
本研究研究了高硫磷水泥被低能耗潜伏水力混凝土添加剂替代的方法，重点考察了水泥对水泥力学性能和环境影响类别的影响。与生产相关的一氧化碳2在这种情况下，不考虑此类替代添加剂的排放，因为它们是工业过程的副产品，其中考虑了其对环境的影响。调查结果可归纳如下：
1.
用适当的低能耗胶凝材料替代水泥可以高达约45%的重量，而不会显着降低机械性能和可加工性参数。
2.
结果表明，使用超细材料（如超细粒化高炉渣（GBSef））时，获得足够的堆积密度对UHPC性能的决定性甚至比此类材料的水力反应性更具决定性。
3.
将UHPC的环境影响类别与NSC的环境影响类别进行比较，用SCM替代水泥只是从生态角度提高UHPC可持续性的第一步。然而，当考虑建筑构件并考虑到材料消耗的减少以及耐用性和使用寿命的增加时，整体情况得到了显着改善。
4.
需要进一步优化水泥的部分替代和使用替代纤维材料，从环境角度提高UHPFRC的接受度和竞争力。
确认
这项研究是研究项目“HiPerComp – 高性能复合材料结构”的一部分，作者衷心感谢奥地利研究基金会（FFG）的资助，此外还要感谢奥地利材料供应商w&p Zement GmbH提供补充胶凝材料。
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无论您是世界五百强建筑航母、还是市政工程公司、园林景观公司，或是小型水泥制品企业。亦或您是建筑设计院、建材研究院，高等院校相关教研室。只要您对混凝土成像市场具有洞察力，深圳市威锴众润建材科技愿意与您携手，共享这片千亿级蓝海市场！
我们计划，每县市寻求一家合作伙伴，提供工艺技术指导,协助您成立混凝土成像工厂，在较短的时间，将混凝土成像能力覆盖全国大部分地区。让中国的建筑更具内涵，更加美丽！
您 准备好了吗？
收录于合集 #成像混凝土
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