结合掺和料、生物质灰与石墨烯纳米片的数据驱动高性能可持续混凝土优化

为更热的地球打造更环保的混凝土

混凝土支撑着现代生活，但普通水泥却是全球工业二氧化碳排放的重要来源之一。本研究探讨如何重新设计混凝土，使其在保持强度与耐久性的同时降低气候影响并再利用工业与农业废弃物。作者将电厂飞灰、炼钢高炉矿渣、燃烧的椰壳废料与微薄的石墨烯片混合，制成一种新型高性能混凝土，并借助机器学习与进化算法对配方进行精细调优。

把废物变成建筑材料

团队没有几乎完全依赖普通波特兰水泥，而是用三种成分大幅替代：来自燃煤电厂的飞灰、炼钢产生的矿渣微粉，以及通过控制燃烧废弃椰子纤维获得的细灰。这些粉体会与水泥发生反应并填补其微观空隙，从而减少新熟料（进而减少CO2）的使用。此外，他们还加入了一种极微小的成分：石墨烯纳米片——厚度只有十亿分之一米量级的碳薄片。其理念是让废料在纳米到毫米尺度上协同作用，构建更优的混凝土体系。

从纤维与薄片到更致密的内部结构

基于椰子的灰经过工程化处理，其颗粒富含反应性二氧化硅且表面呈分层、粗糙结构。这使其既能与水化产物中的石灰发生良好反应，又有助于均匀分散石墨烯薄片，避免团聚。飞灰和矿渣会与水泥的副产物逐步反应生成额外的胶结凝胶，而分散良好的石墨烯片既作为新晶体生长的微小成核位点，又能作为跨越微裂缝的桥接体。上述过程综合作用，形成更致密的内部结构，连通孔隙更少，砂石周围的接触区更为牢固。

强度、耐久性与耐热性的测试

研究者配制了十种不同的混凝土配比，均满足共同的结构等级，并对其新拌工作性、7天和28天强度、水和氯离子渗透阻力以及加热至300 °C后的剩余强度进行了测试。一个经优化的配比表现突出：28天抗压强度约为55兆帕，比常规对照配比高出约23%，同时氯离子渗透率降低约42%，吸水率降低约40%。即使经过加热，它仍保持原始强度的80%以上，表明热稳定性有所提升。显微观察显示，该优胜配比残留游离石灰极少，胶体结构致密，微孔明显少于普通混凝土。

让算法探索配方书

由于实验室试验既慢又昂贵，团队基于实验结果训练了若干机器学习模型，作为快速的“替代”测试器。梯度提升树（XGBoost）在强度预测上表现尤为出色，而随机森林在探索目标权衡时表现最稳定。将这些模型嵌入多目标优化算法中，作者在现实可行的范围内搜索能同时平衡四项目标的配比：高强度、低氯离子渗透率、低全生命周期CO2和合理的材料成本。得到的帕累托前沿揭示出一系列配比族群：改善某一目标（例如进一步降低碳排放）必然会在成本或施工性等其他目标上造成不利影响。

对未来建筑的意义

该研究表明，经过精心调配的工业副产物、生物质灰与纳米尺度碳材料的混合物，能够提供比标准配比更强、更耐久的混凝土，同时大幅降低与水泥相关的碳足迹（约减半），代价是材料成本上升与生产更复杂。通过结合实验测试、微观结构分析与可解释的机器学习手段，作者展示了一种在限定成分范围内设计生态高效混凝土配比的实用且可重复的方法——为更加环保且不牺牲安全性或使用寿命的建筑与基础设施指明了方向。

引用: Anand, P., Singh, S.D., Pratap, S. et al. Data-driven optimisation of sustainable high-performance concrete incorporating SCMs, biomass ash, and graphene nanoplatelets. Sci Rep 16, 10657 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45032-z

关键词: 可持续混凝土, 掺和材料, 生物质灰, 石墨烯纳米片, 机器学习优化