利用基于蟹壳的水泥替代品通过响应面方法研究对高性能混凝土（HSC）进行优化

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：Optimization of HSC Using Crab Shell-Based Cement Substitutes Through a Response Surface Methodology Study

本研究系统评估蟹壳粉（CSP）作为水泥替代材料在高强混凝土中的性能与环境效益。采用未烧制（UCSP）和烧制（CCSP）两种形式，2.5%-10%掺量及7.5%混合掺量，通过响应面法（RSM）和环境影响分析，发现10% CCSP混凝土综合性能最优（R2=0.980），28天抗压强度提升24.4%，同时成本降低21%、CO?减排9.54%、能耗减少7.34%，证实了其环境友好及可持续应用价值。

　　

摘要

水泥生产对环境造成了重大挑战，约占全球二氧化碳排放量的7-8%，是气候变化的主要来源之一。本研究探讨了将蟹壳粉（CSP）作为可持续替代材料部分替代水泥用于高强度混凝土（HSC）的有效性。蟹壳粉以两种形式被评估，作为增强高强度混凝土的新技术：未煅烧的蟹壳粉（UCSP）和煅烧的蟹壳粉（CCSP）。分别设计了含有2.5%-10%蟹壳粉的混凝土混合物，以及总含量为7.5%的混合混合物。通过响应面方法（RSM）和环境影响研究，系统地评估了这些混合物的新鲜状态性能、抗压强度（CS）、抗裂拉伸强度、抗弯强度、弹性模量以及微观结构特征。结果表明，增加蟹壳粉的使用量可以降低混凝土的坍落度，尤其是10% UCSP时效果最为显著，最大坍落度减少了31.8%。蟹壳粉显著改善了混凝土的力学性能，尤其是CCSP。经过RSM优化的最佳混合物（10% CCSP）具有最高的整体性能优势（R² = 0.980），其28天时的抗压强度比参考混合物提高了24.4%。微观结构分析显示，蟹壳粉通过减少孔隙率和改善颗粒堆积来优化了水泥基质。这些发现证实了蟹壳粉作为一种适用于高性能混凝土的可行且环保的材料。10% CCSP混合物在成本/MPa方面降低了21%，二氧化碳排放量减少了9.54%，能源消耗减少了7.34%。这些结果表明，使用UCSP和CCSP材料提供了具有成本效益的解决方案，并带来了显著的环境效益，使其成为可持续建筑实践的理想选择。将优化后的蟹壳粉混合物应用于高强度混凝土，为海洋废弃物的资源化利用提供了可行的途径，直接支持了可持续基础设施的发展，同时保持了优异的施工性能。