通过实验研究与机器学习分析含沸石和废陶粉混凝土的力学性能与耐久性

把废旧瓷砖变成更坚韧的混凝土

混凝土无处不在：在我们的住宅、桥梁和城市街道中。可作为混凝土胶结剂的水泥生产耗能巨大，并且是二氧化碳的重要排放来源。与此同时，大量来自建筑拆除的碎瓷砖被送往垃圾填埋场。本研究探索了一种同时解决这两类问题的方法——将部分水泥替换为天然火山矿物和细磨的废陶粉，并利用机器学习预测这种更环保混凝土的性能。

为什么要重新考虑混凝土的成分？

水泥是混凝土中最昂贵且对环境影响最大的部分。其生产过程燃烧大量燃料并释放 CO₂。同时，瓷砖行业每年产生数百万吨废料，传统回收手段难以处理。研究者考察了两种有前景的替代材料，可部分替代水泥：天然沸石（一种活性火山矿物）和由废弃瓷砖制成的废陶粉。两者都富含二氧化硅和氧化铝，这些成分可以与水泥水化的副产物发生反应，生成额外的胶结凝胶，可能使混凝土更强且对水和盐的渗透性更低。

设计与测试新配合比

研究团队配制了十三种不同的混凝土配方。他们保持水、砂和碎石用量不变，但系统性地将部分水泥替换为沸石（5%、10% 或 15%）和陶粉（0%、10%、20% 或 30%）。对每种配比，铸造标准试件并在水中养护最长至 91 天。随后测量了对实际结构至关重要的关键性能：抗压强度（混凝土在挤压下能承受的载荷）、抗拉和抗折强度（抵抗裂缝和弯曲的能力）、吸水率，以及氯离子（如路盐或海水中的盐分）穿透的难易程度。氯化物抗性使用一项标准的快速测试评估，该测试在六小时内测量通过混凝土切片的电荷量。

更强、更不渗透、更耐久的混凝土

实验表明，经过合理配比的沸石与陶粉混合物可以优于普通混凝土。在所有测试龄期内，含 15% 沸石和 10% 陶粉的配合比在力学性能上表现最佳，显著提高了抗压、抗拉和抗折强度。同时，这种混合材料的吸水量大幅降低——在 91 天后最多约减少四分之三，说明其内部孔隙网络变得更紧密。为了抵御腐蚀性盐分，更高比例的替代（15% 沸石和 30% 陶粉）则给出了最显著的结果：与对照混凝土约 3200 库仑的电荷相比，测得的与氯化物穿透相关的电荷量降至约 425 库仑，使该材料进入工程上使用的“非常低”渗透性等级。

混凝土内部发生了什么

显微化学解释了这些性能提升的原因。沸石和陶粉都含有细分散的非晶态二氧化硅和氧化铝。在潮湿的混凝土中，它们与水泥水化产生的氢氧化钙（一种相对弱且易溶的副产物）反应，生成额外的硅酸钙水化物及相关凝胶——这些凝胶正是赋予混凝土强度的“胶”。这些产物填充并改善孔隙体系，增厚浆体与骨料之间的结合区，减少水与氯离子可通过的通道。废陶颗粒在这里既充当微填料又是反应性成分，而沸石则提供高活性的表面以推动化学反应的进行。

让计算机来预测混凝土性能

为了超越实验室的反复试验，研究者用测试数据训练了若干机器学习模型。模型以养护时间、沸石比例和陶粉比例作为输入，学习预测抗压强度。在所测试的方法中，一种名为 XGBoost 的增强决策树算法给出了最精确的预测，预测值与实测强度高度一致。这表明，一旦在适量的实验数据上训练完毕，此类模型可以帮助工程师快速探索多种天然与废料基添加剂的组合，在实际浇筑混凝土之前筛选出最有希望的配比。

对日常工程结构的意义

对非专业读者而言，结论是：这项研究指出了一种切实可行的配方，可制备更环保、更耐久的混凝土。通过将相当比例的水泥替换为天然沸石和细磨废瓷砖粉，不仅可以减少水泥用量、回收工业副产物，同时还能获得更少开裂、吸水显著降低并且对盐害更具抵抗力的混凝土。结合可为未来配比设计提供指导的机器学习工具，这一方法为道路、桥梁和沿海结构实现更可持续、更耐久的服役性能提供了一条可行途径。

引用: Nasr, D., Babagoli, R. & Bidabadi, P.S. Mechanical properties and durability of concrete with zeolite and waste ceramic powder through experimental investigation and machine learning analysis. Sci Rep 16, 7413 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38184-5

关键词: 可持续混凝土, 废陶瓷, 沸石, 耐久性, 机器学习