在酸性及硫酸盐环境中，掺入再生钢纤维和超细棕榈油燃料灰的高强度混凝土的耐久性及微观结构行为

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Durability and microstructural behavior of high-strength concrete incorporating recycled steel fibers and ultrafine palm oil fuel ash under acidic and sulfate exposure

　　乌萨马·哈比布（Usama Habib）| 诺拉祖拉·穆罕默德·布努诺里（Norazura Muhamad Bunnori）| 乌·约翰逊·阿伦加拉姆（U. Johnson Alengaram）| 萨伊斯塔·纳齐尔（Shaista Nazir）| A.M. 萨尔曼（A.M. Salman）| 扬德拉帕蒂·皮尔斯（Yandrapati Pierce）

马来西亚玛拉亚大学工程学院土木工程系创新建筑技术中心（CICT），50603，吉隆坡，马来西亚

摘要

暴露在硫酸和酸性环境中的高性能混凝土（HSC）由于胶凝料脱钙以及膨胀性次生相的形成而容易发生耐久性劣化。应对这一耐久性挑战需要采用生态高效的策略，以增强对化学侵蚀的抵抗力同时减少对环境的影响。本研究探讨了一种基于废弃物的混合策略，在HSC中加入了20%的超细棕榈油燃料灰（UPOFA）和废旧轮胎回收的钢纤维（WTRSF），添加量分别为胶凝料重量的0.35%、0.70%和1.05%。实验程序包括密度和吸水率测量，随后是视觉评估、质量变化以及在硫酸钠（Na2SO4）和硫酸（H2SO4）溶液中暴露28天和90天后的抗压强度保持率。通过X射线衍射（XRD）和FESEM-EDX分析来研究微观结构演变。结果表明，含有0.7% WTRSF的混合材料表现出最佳的耐久性性能，在硫酸暴露下抗压强度保留率为97.7%，而在酸攻击下为32.4%，而对照组分别为81.5%和28.5%。微观结构分析证实有害相的形成减少，C–S–H基质更加致密。这些发现表明，UPOFA和WTRSF的协同效应可以提高耐久性，同时减少熟料消耗，为化学侵蚀环境中的高性能混凝土提供了一种可持续的策略。

引言

混凝土设计始终基于强度，在许多情况下，这掩盖了耐久性的重要性，而耐久性对于维持长寿命同样重要。耐久性可以描述为混凝土在其使用寿命期间抵抗物理、化学和环境作用造成的损伤的能力。酸雨、硫酸盐和氯化物等侵蚀性物质会通过改变其微观结构、溶解水化产物和形成膨胀反应产物来逐渐降解混凝土，从而导致裂缝扩展和完整性丧失（Al-Jabari, 2022; Fares et al., 2024; Rusnak, 2025）。因此，改善微观结构以限制水和离子的渗透对于提高耐久性至关重要。传统的提高耐久性的方法包括部分用辅助胶凝材料（SCMs）和其他工业副产品替代普通波特兰水泥（OPC），从而生产出可持续的高性能混凝土（HSC）。制备HSC的过程涉及通过添加SCMs、高效减水剂和纤维来调整混合比例，以提高机械性能和耐久性。因此，HSC在现代基础设施中得到了广泛应用，尤其是在需要高承载能力和延长使用寿命的情况下。尽管如此，HSC也有其缺点，如成本高和脆性大，这主要是由于水泥生产所需的高能耗和材料（Marvila et al., 2021）。这些限制表明需要新的策略来平衡性能、成本和对环境的责任。

废物增值提供了有前景的途径。据估计，全球每年有超过15亿个轮胎被废弃，其中约88%的废物来自中国、美国、欧盟、印度和日本等主要工业化国家（Kandasamy and G?kalp, 2015; Mashiri et al., 2015; Zhong et al., 2022）。2021年，中国产生了700万吨废弃轮胎，欧洲276万吨，美国236万吨，日本约100万吨（Prokop et al., 2025）。英国每年大约有50万个废旧轮胎未得到处理，据估计未来每年将有12亿吨轮胎被废弃（Thomas et al., 2015; Zia et al., 2022）。为了克服这一问题，欧盟指令1999/31/EC禁止将轮胎填埋，并要求将其转化为能源或回收利用（Stanic-Maruna and Fellner, 2012）。因此，大约94%的废弃轮胎通过水泥窑和发电厂的热回收处理，或者回收为材料，其中橡胶和钢主要用作混凝土生产中的增强剂和再生骨料（Dorr et al., 2019; Rossli and Ibrahim, 2012），如图1中的废物减少模型（WARM）所示。

类似地，棕榈油燃料灰（POFA）是在700-1000°C下燃烧油棕残渣的产物（Huseien et al., 2022; Kwek and Awang, 2021），虽然仅占处理后生物量的5%，但每年的产量巨大（Abu Aisheh, 2023）。马来西亚2010年生产了超过400万吨POFA和其他相关废物（Abu Aisheh, 2023），泰国每年生产超过10万吨（Chindaprasirt et al., 2007）。棕榈油是一种重要的国际商品，超过60%的油籽用于出口，需求仍在快速增长，这导致了大量的废物产生（Gozan et al., 2024）。同时，水泥生产也排放了全球8-10%的二氧化碳，因此替代熟料是必要的（Poudyal and Adhikari, 2021）。超细棕榈油燃料灰（UPOFA）是一种精制形式的POFA，含有50-60%的二氧化硅，具有较高的火山灰活性，可以细化孔隙结构，降低渗透性，并增强对化学侵蚀的抵抗力。因此，POFA减少了与过量二氧化碳排放相关的水泥消耗，符合现代混凝土生产中的可持续和新概念（Abu Aisheh, 2023; Kroehong et al., 2011），如图2所示。

近年来，纤维增强剂和SCMs的联合使用已成为提高HSC耐久性能的有效策略。在这种混合系统中，纤维主要增强抗裂性能和开裂后行为（Afroughsabet et al., 2016; Kroviakov et al., 2025），而火山灰材料则通过二次水化反应细化孔隙结构并降低渗透性，生成额外的钙硅酸氢盐（C–S–H）凝胶（Liu et al., 2022; Mohd Sufian et al., 2025）。裂纹桥接纤维和基质致密化之间的协同作用显著抑制了侵蚀性离子的渗透，并提高了长期稳定性。例如，Nachimuthu等人（2026）证明，添加含有5%二氧化硅火焰的纤维可以通过致密化的基质和增强的纤维-基质粘结来提高耐久性，其中玻璃纤维由于化学反应性较低而更具韧性。在类似的研究中，Patil等人（2022）记录了含有粉煤灰和二氧化硅火焰的混合纤维增强高性能混凝土（HPC）对酸和硫酸侵蚀的更好抵抗力。他们的发现表明，SCM诱导的孔隙细化和纤维裂纹桥接显著减缓了强度劣化，这一点也得到了SEM和XRD的证实。Justin等人（2025）和Qureshi等人（2020）也得到了一致的结果，表明由纤维和不同SCMs组成的混合系统增强了了对氯离子渗透、吸水率和酸攻击的抵抗力。所有这些研究都证实，纤维-SCM系统中的耐久性提高主要是由于两种现象的协同作用，即微观结构致密化和裂纹扩展控制，它们限制了侵蚀性离子的渗透并减少了化学暴露期间的表面劣化。

最近的研究还致力于开发基于可持续废物的材料，作为传统SCMs和纤维的替代品。研究表明，超细棕榈油燃料灰（UPOFA）具有较高的火山灰活性，能够通过细化孔隙和致密化微观结构来提高耐久性。根据Hamada等人（2020）的研究，随着UPOFA含量的增加，吸水率和孔隙率下降，而Alsubari等人（2014）和Philip等人（2019）指出，经过处理的POFA通过促进二次水化反应和细化微观结构大大提高了HSC的酸和硫酸抵抗性。然而，大量的火山灰材料可能会增加基质的脆性和开裂倾向（Anish and Logeshwari, 2024; Sivakumar and Santhanam, 2007; Toutanji, 1999）。为了克服这一限制，经常添加纤维增强剂来通过裂纹桥接机制提高韧性和抗裂性（Butler et al., 2001; Kuder and Shah, 2010）。最近，废旧轮胎回收的钢纤维（WTRSF）作为一种绿色增强材料受到了关注。Loganathan等人（2021）发现，废旧轮胎钢纤维在硫酸攻击中通过抑制裂纹扩展和颗粒脱落减少了重量损失。Elzaroug和Boalhasia（2022）则发现，在硫酸暴露条件下，钢纤维增强混凝土的抗压强度得到了提高，而Mermerda?等人（2021）发现，由于纤维与基质之间的粘结力增强和表面劣化的减少，酸抵抗性也提高了。从经济和可持续性的角度来看，像回收钢纤维（RSF）和POFA这样的废物衍生材料在胶凝复合材料中提供了显著的好处。与传统工业钢纤维（ISF）相比，RSF减少了能源消耗的钢生产过程。Roshan等人（2023）的研究表明，用RSF替代ISF可以降低全球变暖潜力，因为其内含能量较低，另一项Wang等人（2025）的研究记录了使用RSF制成的超高性能混凝土的二氧化碳排放显著降低。其他研究也证实了回收纤维可以减少能源和碳排放（Frazao et al., 2022; Pawelska-Mazur and Kaszynska, 2021）。在这些研究中，加入火山灰副产品如POFA可以进一步提高这些积极效果。作为水泥的部分替代品，POFA降低了熟料需求，并由于火山灰反应增强了微观结构的致密化，从而减少了相关的二氧化碳排放（Hasan et al., 2025）。此外，RSF和POFA的成本（比传统纤维和水泥低37-70%）（Isa et al., 2020; Mastali et al., 2018; Roshan et al., 2023）。总的来说，这些结果表明，使用回收纤维和火山灰废物可以创建强度高、经济性强且更可持续的混凝土材料。

尽管已有大量关于传统纤维-火山灰系统的文献，以及关于UPOFA和WTRSF的单独研究，但它们在HSC中的结合使用尚未得到充分探索。过去的研究主要集中在UPOFA的火山灰活性和基质致密化或WTRSF的裂纹桥接和吸水能力上，但没有研究它们的协同作用。因此，UPOFA改良胶凝体系与不同WTRSF含量对HSC在酸性及硫酸环境中的耐久性能的综合影响尚未得到充分理解。特别是，关于水吸收、酸和硫酸侵蚀的抵抗力以及纤维-基质相互作用和界面区的微观结构分析还很缺乏，这在可持续HSC设计中留下了一个重要空白。

本工作的创新之处在于应用了一种基于双重废物的混合策略，以提高HSC在化学不利条件下的耐久性和微观结构稳定性。特别是，该工作探索了UPOFA和WTRSF的结合使用，以增强对硫酸和酸的抵抗力。这项工作通过结合UPOFA的孔隙细化效应和WTRSF的裂纹桥接性能，为可持续HSC系统中的耐久性和微观结构性能提供了新的见解。

因此，本研究旨在评估在不同UPOFA和WTRSF含量下，HSC在硫酸和酸攻击下的耐久性和微观结构性能。主要耐久性参数，包括吸水率、化学侵蚀抵抗性和抗压强度保持率，通过FESEM-EDX和XRD进行了评估。研究结果旨在建立与耐久性相关的性能机制关系，并支持开发包含废物衍生材料的可持续HSC。该研究也有助于符合联合国可持续发展目标（特别是可持续发展目标12）的农工业废物增值。

**部分内容**

普通波特兰水泥（OPC）：
所有混合物均使用OPC，其比重为3.05，Blaine比表面积为3450 cm2/g。为了替代20%的水泥，首先收集原始POFA，然后进一步处理成UPOFA。

超细棕榈油燃料灰（UPOFA）的制备：
棕榈油燃料灰（POFA）来自于马来西亚雪兰莪州班廷的Seri Bandar Palm Oil Mill。原始灰烬首先在105±5°C的烤箱中干燥24小时，然后通过300 μm的筛网过滤以去除大颗粒。经过筛分的POFA使用球磨机进行预先研磨，以测量对照组和含有WTRSF的混合物的密度。如图16和表5所示，含有WTRSF的高性能混凝土（HSC）混合物的新鲜密度、堆积密度和开桶密度（ODD）在密度特性上仅有轻微变化。在添加了0.35%和0.70% WTRSF的情况下，新鲜密度分别略有上升（达到2465 kg/m3和2512 kg/m3），比对照组（2452 kg/m3）高出2.45%；而当添加量达到1.05%时，新鲜密度则下降至2423 kg/m3（降低了1.18%）。堆积密度和ODD也呈现出类似的趋势，在添加0.70% WTRSF时达到最高值。

结论：本研究通过实验探讨了UPOFA和WTRSF对HSC耐久性和微观结构性能的综合影响。根据研究结果，得出以下结论：
- 20% UPOFA与0.7% WTRSF的组合表现出显著的协同效应，结合了火山灰的致密作用和纤维对裂缝控制的功效，从而提升了HSC的性能。
- 表现最佳的混合物其抗压强度提高了9.45%（达到90.43 MPa），吸水性降低了12%，从而证实了性能的改善。

CRediT作者贡献声明：
Usama Habib：负责撰写、审稿与编辑、原始草案的撰写、数据可视化、验证、软件开发、资源准备、方法论制定、研究实施、数据分析、概念化工作。
Norazura Muhamad Bunnori：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、验证、项目监督、资金募集及概念化工作。
U. Johnson Alengaram：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、验证、项目监督及概念化工作。
Shaista Nazir：声明作者不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。

致谢：本研究得到了马来西亚高等教育部的基础研究基金计划（FRGS，项目编号FP074-2020）以及马来西亚国际奖学金（MIS）的支持。作者同时感谢Eco Power Synergy Sdn. Bhd提供回收的废旧轮胎钢纤维，以及Sika集团提供的Sika ViscoCrete ACE 8538高效减水剂。