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Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

本研究评估了掺入纳米二氧化钛和粉煤灰底灰作为细骨料替代品的 M35 混凝土的性能与可持续性，证明了这种组合在增强机械强度、耐久性和微观结构完整性的同时，降低了环境影响并减少了对天然砂的依赖。

原作者： Anirudha shirke, Shruti Sukhadhan

发布于 2026-07-28

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原作者： Anirudha shirke, Shruti Sukhadhan

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

技术摘要：掺入纳米二氧化钛与煤底灰混凝土的性能评估

问题陈述
建筑业面临着双重挑战：一方面是水泥制造的高环境足迹，其二氧化碳排放量巨大；另一方面是天然细骨料（河砂）日益匮乏且成本上升。由于资源枯竭以及采石和疏浚造成的生态破坏，传统上对普通硅酸盐水泥（OPC）和天然砂的依赖是不可持续的。此外，煤底灰（CBA）等工业副产品的处置仍是一个废物管理问题。虽然研究人员已经探索了补充性胶凝材料（SCMs），但仍需优化配合比设计，以便在不损害工作性和长期耐久性的前提下，同时利用工业废弃物作为细骨料替代品并引入纳米材料以增强微观结构特性。

研究方法
本研究针对 M35 级混凝土进行，设计遵循 IS 10262:2009 和 IS 456:2000 标准。实验程序涉及三个主要变量：

细骨料替代： 将天然细骨料部分或全部替换为煤底灰（CBA），替换比例从 10% 到 100% 不等。
纳米材料添加： 在水泥基体中加入不同剂量（按重量计为 1% 至 7%）的纳米二氧化钛（NTi），以评估其对水化作用和微观结构的影响。
对照组配合比： 以常规 M35 配合比作为对比基准。

研究采用了全面的测试体系：

新鲜性能： 通过坍落度测试、压实因子测试和流动度测试评估工作性。
力学性能： 测量 3、7、28、56 和 90 天的抗压强度；并在 28、56 和 90 天时评估劈裂抗拉强度和抗折强度。
耐久性： 通过测量浸泡在 5% HCl 中的质量损失和强度降低情况，测试抗酸侵蚀能力。在 90 天时进行快速氯离子渗透测试（RCPT）以评估渗透性。
无损检测（NDT）： 使用回弹仪测试和超声脉冲速度（UPV）测量来评估内部质量和密度。
微观结构分析： 利用 X 射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）来识别晶相、水化产物和孔隙结构精细化情况。

主要贡献与结果

工作性： 掺入 60% CBA 和 40% 天然细骨料通常能保持中等工作性。添加 NTi 改善了工作性，其中 5% 的剂量产生了最高的坍落度（128 mm）和流动度（93%），被归类为“高”工作性。然而，超过 5% 的剂量会出现收益递减或性能下降。
力学强度：
- CBA 替代： 含有 60% CBA 和 40% 天然细骨料的配合比表现优于对照组。在 90 天时，该组合实现了 47.1 N/mm² 的抗压强度（相比之下，对照组为 46.3 N/mm²），并提高了劈裂抗拉（3.04 N/mm²）和抗折强度（3.54 N/mm²）。完全使用 CBA 替代细骨料会导致强度下降。
- NTi 优化： 向 60% CBA 配合比中添加 5% NTi 获得了最佳力学性能。该组合在 90 天时达到了 47.9 N/mm² 的峰值抗压强度，超过了对照组和仅含 CBA 的改性配合比。较低剂量的 NTi（1-2%）最初导致强度低于仅含 CBA 的配合比。
耐久性：
- 抗酸性： 5% NTi 配合比表现出卓越的 5% HCl 暴露抗性。在 28 天时，其强度降低仅为 12.07%，显著低于对照组（27.01%）和 60% CBA 配合比（23.50%）。虽然强度损失随时间增加，但在 90 天时，NTi 改性配合比仍比其他变体更具抗性。
- 氯离子渗透性： RCPT 结果表明，5% NTi 配合比具有最低的氯离子渗透性（379 库伦），属于“极低”级别，而 60% CBA 配合比为 756 库伦，对照组为 886 库伦。
- NDT 结果： UPV 测试证实了 NTi 改性配合比增强的质量，其记录的脉冲速度为 5.36 km/sec（“优秀”），而 CBA 配合比为 3.85 km/sec，对照组为 3.66 km/sec。
微观结构见解：
- XRD 分析： 确认了 NTi（锐钛矿相）的存在。5% NTi 配合比显示氢氧化钙（石灰石）峰值减少，以及硅酸钙水合物（C-S-H）区域的强化，表明 NTi 起到了成核位点的作用，促进了更致密的水化。
- SEM 分析： 微观图显示，NTi 改性配合比具有精细的孔隙结构和减少的空隙。CBA 颗粒充当微细集料填充了空隙，而 NTi 增强了界面过渡区，从而形成了更致密的基体。

意义与主张
论文得出结论，将煤底灰作为可持续细骨料替代品与纳米二氧化钛作为性能增强添加剂协同使用，为可持续混凝土的发展提供了一条可行路径。研究声称，60% CBA 和 5% NTi 的特定组合代表了一种最佳折衷方案，能够实现：

增强的力学性能： 比传统混凝土具有更高的抗压、抗拉和抗折强度。
提高的耐久性： 显著降低氯离子渗透性并提高抗酸侵蚀能力，表明在侵蚀性环境中具有更长的使用寿命。
微观结构精细化： 具有更致密的基体、更少的孔隙率和优化的水化产物。
实际可行性： 配合比保持或改善了工作性，表明这些可持续性修改不需要复杂的现场处理程序。

作者将这种方法定位为并非“万灵药”，而是对于优先考虑长期结构完整性和环境可持续性的应用场景中的有力竞争者。该研究验证了通过先进纳米材料的结合，可以有效地实现工业废物的价值化利用，从而解决传统混凝土的局限性。

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