利用颗粒堆积理论和骨料优化技术降低混凝土的全球变暖潜能

《Journal of Building Engineering》：Reducing Global Warming Potential of Concrete Using Particle Packing Theory and Aggregate Optimization

混凝土生产占全球人为CO?排放的8-9%，其中波特兰水泥贡献了70%的排放。本研究通过集料优化和补充水泥材料（SCMs）替代，提出提高集料堆积密度以减少水泥用量的方法，并验证了在北美东北部地区实际应用中可降低19.6%的全球变暖潜力（GWP），同时保持混凝土力学性能达标。

　　

沙尚克·古普塔（Shashank Gupta）| 马修·P·亚当斯（Matthew P. Adams）| 亚伦·斯特兰德（Aaron Strand）| 张岩（Yan Zhang）| 黄伟（Wei Huang）| 马修·J·班德尔特（Matthew J. Bandelt）| 王浩（Hao Wang）| 雷扎·莫伊尼（Reza Moini）

普林斯顿大学土木与环境工程系，新泽西州，08544

摘要

仅混凝土生产就占全球人为二氧化碳排放量的8-9%和年能源需求的2-3%。波特兰水泥是二氧化碳排放的主要来源，占混凝土生产总排放量的70%。通过提高混凝土中骨料的堆积密度，可以减少水泥粉的使用量，从而开发出低碳混凝土（LECC）。然而，挑战在于保持足够的性能。在这里，我们提出了一种全面的颗粒堆积方法以及二元和三元骨料优化方法（在含有不同硅酸盐矿物（SCMs）和水灰比（w/b ratio）的基准混合物中），以降低美国东北部混凝土工厂生产的混凝土的全球变暖潜能（GWP）。考虑了实验和理论（改进的Toufar模型）骨料堆积度（PD）和功率曲线（PC）来确定混凝土的骨料比例，最终骨料选择受到现场施工可操作性的限制。研究发现理论PD与实验PD之间具有一致性。使用三元优化骨料的混凝土的新鲜状态和硬化状态性能与未优化骨料的现场混合料进行了比较，表明其对于普通强度混凝土具有足够的性能。评估了GWP和生态效率指标，包括相对于抗压强度的GWP标准化值，并对其进行了分解，以量化替代性胶凝材料（SCM）的使用、增加的水灰比以及骨料优化所带来的贡献。这些分析有助于评估抗压强度与环境影响之间的权衡。虽然使用SCM和更高的水灰比可以减少GWP，但骨料优化可以进一步降低GWP，最多可减少19.6%，同时保持普通强度混凝土的性能。

引言

全球范围内，混凝土生产占人为二氧化碳排放量的8-9%和年能源需求的2-3%[1]、[2]、[3]、[4]。尽管混凝土生产相关的温室气体排放量低于钢铁、玻璃和某些聚合物[5]，但由于其巨大的全球产量，总体排放量仍然很高。混凝土是世界上消费量第二大的材料，每年每人消费量超过3.8吨[6]，这得益于其低成本、高抗压强度和耐久性，以及原材料的普遍可用性，以及能够浇筑成任何尺寸或形状的能力。传统混凝土由普通波特兰水泥、粗骨料、细骨料和水组成。在所有混凝土成分中，水泥生产（涉及燃料燃烧和石灰石煅烧）是二氧化碳排放的主要来源，至少占传统混凝土总排放量的70%[7]。因此，减少水泥含量是降低水泥消耗和全球混凝土生产相关碳足迹的关键方法。一个主要挑战是在不损害机械性能或导致这种低碳混凝土在实际应用中遇到问题的情况下减少水泥含量。

在过去十年中，已经开发了几种策略来减轻与混凝土生产相关的二氧化碳足迹。使用副产品和低碳无机胶凝剂及矿物进行材料替代[8]、[9]、[10]，碳捕获与储存（CCS）[11]、[12]，骨料堆积和优化[13]、[14]、[15]、[16]，以及替代燃料和高效的熟料燃烧技术[17]、[18]等方法是实现可持续混凝土生产的一些方法。减少混凝土相关排放的最常见方法是使用替代性胶凝材料（SCMs）来替代水泥，这些材料通常是其他行业的副产品。最常见的SCMs包括粉煤灰、粒化高炉矿渣（GGBFS）和硅灰，它们分别是燃煤电厂、钢铁厂和/或硅铁合金行业的副产品[19]、[20]。此外，多项研究表明，SCMs通过胶凝或火山灰反应提高了混凝土的机械性能和耐久性[21]、[22]。另一项研究显示，用不同的SCMs替代25-50%的水泥可以将单位重量的二氧化碳排放量减少25-37%[23]。

通过优化骨料混合物的堆积度（PD）和级配来减少混凝土中的水泥含量，同时保持或提高混凝土的机械性能[15]、[24]、[25]，这种方法被应用于传统的建筑和交通领域。虽然从可持续水泥消耗的角度来看，最高的堆积度是理想的，但在混凝土行业中尚未充分利用粗骨料和细骨料的更高堆积度[26]。这是由于目前可实现的骨料种类和级配范围有限。过去的研究人员使用各种骨料尺寸和比例实验研究了骨料PD的优化[15]、[24]、[27]。同样，也有几项研究通过分析方法实施了颗粒堆积理论，如Toufar模型[15]、[28]、改进的Toufar模型[29]、Furnas模型[30]、Dewar模型[31]、Aim模型[24]和可压缩堆积模型[32]来优化骨料PD。

此外，还有一些研究开发了计算模拟模型，使用顺序堆积模型[33]和随机顺序添加（RSA）模型[34]等算法来优化骨料堆积。这些计算模拟需要捕捉颗粒在动态载荷下的运动，这需要通过求解每个颗粒的微分方程来确定[35]、[36]。因此，对于大量的颗粒，模拟在计算上可能非常昂贵，并可能需要先进的计算资源[35]。在本研究中，采用了理论改进的Toufar模型和Aim模型，其实施不需要大量资源。

使用更高堆积度的骨料混合物优化也被报道可以改变或提高抗压强度，同时减少水泥用量[15]、[39]。

先前的工作引入了其他堆积模型，如压实-相互作用堆积模型（CIPM）和可压缩堆积模型（CPM），以改善骨料比例并减少混凝土中的胶凝剂含量[40]、[41]。然而，骨料优化仅限于二元骨料系统。除了优化混合设计外，本研究还通过计算混凝土生产过程中的二氧化碳排放量来量化碳足迹，强调了基于堆积方法的环境效益[40]，尽管没有报告甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）的额外排放。最近的研究使用CPM探索了回收骨料系统，以评估堆积效率及其对机械性能和环境影响[41]。这些研究采用生命周期影响评估来评估全球变暖潜能（GWP）、酸化作用和人类毒性等指标，强调了优化骨料级配在减少环境负担方面的潜力[41]。然而，基于CPM的理论堆积/优化研究没有进行堆积度的实验验证，也没有使用更广泛的级配/功率曲线来进行骨料优化。

将骨料堆积扩展到混凝土优化对整体性能特性提出了额外的挑战。尽管过去在骨料优化或结合使用SCMs方面进行了大量研究，但在评估这些方法对实际混凝土混合物GWP的有效性和协同作用方面仍有限[42]。此外，先前的研究从不同角度探讨了骨料相关参数对混凝土性能的影响。例如，使用基于微裂纹的框架研究了石灰石粉含量对抗压强度的影响，确定了增强强度的最佳填料含量[43]。另一项研究探讨了粗骨料粒径如何通过改变界面过渡区来影响抗压强度和弹性模量，最佳骨料粒径取决于水灰比[44]。此外，还提出了基于湿颗粒堆积理论的数值方法，通过将干堆积概念扩展到新鲜混凝土系统来设计具有目标流动性的混凝土混合物[45]。

与这些研究相比，本工作强调了一种系统级的骨料优化策略，旨在在保持普通强度混凝土应用所需性能的同时减少碳足迹。本研究结合了分析方法（改进的Toufar模型和Aim & Goff模型）和实验骨料优化方法，以确定具有高堆积度的二元和三元骨料混合物。最终选择骨料混合物时，采用了一个多标准框架，该框架结合了堆积度和骨料级配，并使用功率曲线进行评估，同时受到可操作性和现场适用性的限制，使用Shilstone图表进行评估。此外，通过量化100年时间范围内的包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）在内的多种温室气体的全球变暖潜能（GWP），本研究提供了更全面的碳足迹评估。

在这项工作中，我们结合了含有粉煤灰（30%和40%）和矿渣（50%）的骨料优化的研究，以及对其机械性能和GWP的评估，以了解大规模生产低碳混凝土的有效性和可行性（图1）[46]。将机械性能和GWP的比较与未优化骨料混合物进行了对比，以便更具体地了解骨料优化和使用SCMs对GWP的协同作用。混凝土混合物使用了来自预拌行业来源的两种骨料组合。

章节片段

胶凝材料

本研究创建的所有混合物均使用了符合ASTM C150要求的1型波特兰水泥（ASTM C150/C150M-22, 2022）。某些混合物使用了符合ASTM C618要求的F级粉煤灰（ASTM C618-22, 2022）；其他混合物使用了符合ASTM C989要求的120级矿渣水泥（ASTM C989/C989M-22, 2022）。水泥、矿渣水泥和粉煤灰的化学信息和相关性能如下：

二元和三元实验及理论堆积

二元和三元骨料混合物的实验堆积度分别如图2a和b所示。在Weldon粗骨料和Clayton细骨料的二元混合物中，细骨料的增加导致堆积度在一定程度上增加，随后随着细骨料进一步增加而稳定下降。在使用了50%细骨料的相对沙质混合物中，最大实验堆积度达到了77.70%

骨料优化

使用Weldon粗骨料和Clayton细骨料的二元骨料实验结果显示，50%粗骨料和50%细骨料的混合物具有最高的堆积度77.5%。改进的Toufar理论模型得到的二元骨料结果与实验结果非常接近，说明可以快速评估堆积度值和模式，误差在3.3%以内。先前的研究评估了

结论

本文讨论了骨料堆积优化的多个标准，包括颗粒堆积、使用此类骨料的混凝土混合物的性能以及由此产生的混合物的GWP降低。使用骨料优化减少GWP的机会与实现适当的新鲜状态和硬化状态性能之间取得了平衡。

实验和分析方法被用作优化混凝土骨料混合物的有效标准。分析方法非常

实际应用

本研究中提出的骨料优化框架可以在传统的普通强度预拌操作中实施，无需新的材料或改变现有的生产基础设施。使用标准的颗粒尺寸分布数据和测量的Eigenpacking值，生产者可以在批量生产前分析筛选骨料组合。这减少了试错调整的依赖性，并能够高效利用当地可用的骨料

CRediT作者贡献声明

雷扎·莫伊尼（Reza Moini）：写作——审稿与编辑，撰写初稿，监督，资源管理，项目管理，方法论，研究调查，资金获取，概念化。王浩（Hao Wang）：撰写初稿，监督，资源管理，项目管理，资金获取。马修·班德尔特（Matthew Bandelt）：监督，软件，资源管理，资金获取。张岩（Yan Zhang）：方法论，研究调查。黄伟（Wei Huang）：撰写初稿，研究调查，正式分析，数据整理。亚伦·斯特兰德（Aaron Strand）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

数据可用性

数据将按请求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢纽约和新泽西州港口管理局通过低碳混凝土试点计划以及罗格斯大学的先进基础设施和交通中心提供的支持。作者还感谢US Concrete、Heidelberg Materials、Weldon Materials和Clayton Concrete Materials提供的骨料和胶凝材料。