采用蛋壳状部分水泥替代材料时，混凝土中钢筋的腐蚀与力学性能比分析

本研究评估了蛋壳替代部分普通硅酸盐水泥后混凝土的机械性能及耐腐蚀性，发现10%蛋壳替代时抗压强度达40MPa，符合巴西标准，且长期养护下耐腐蚀性优于参考混凝土，具有环保效益。

尤里·A·迈耶（Yuri A. Meyer）|莱安德罗·C·佩肖托（Leandro C. Peixoto）|罗莎·克里斯蒂娜·C·林茨（Rosa Cristina C. Lintz）|阿莫里·E·戈麦斯（Amauri E. Gomes）|维斯莱·R·奥索里奥（Wislei R. Osório）

坎皮纳斯大学（University of Campinas）技术学院－UNICAMP，第一校区，利梅拉（Limeira），圣保罗州（SP）13484-332，巴西

摘要

本研究评估了参考混凝土样本以及用蛋壳替代普通波特兰水泥（OCP）并嵌入钢筋的混凝土的机械性能和耐腐蚀性。研究发现，当用10%的蛋壳替代水泥时，其抗压强度和抗拉强度均达到了可接受的水平。研究了四种不同的养护周期，分别为1天、7天、28天和365天。初始抗压强度约为12 MPa，365天后达到约40 MPa。所有测试样本均符合巴西标准的要求。综合分析表明，这种混凝土在轻质性和耐腐蚀性方面均优于参考样本，这可能与蛋壳在早期对钢筋的钝化作用有关，从而提高了其长期耐腐蚀性。鉴于目前对水泥消耗及其二氧化碳排放的关注，合理利用蛋壳（控制其尺寸和比例）被认为是一种环保且经济可行的策略。

引言

全球每年产生的废弃蛋壳量约为800万吨[1]。此外，食品和家禽行业每年还会产生约25万吨蛋壳废弃物[2]。有研究表明，将蛋壳用于建筑材料中可以减少填埋问题，并降低二氧化碳排放[1]。每生产1公斤普通波特兰水泥（OPC），会产生0.8至0.9公斤的二氧化碳。值得注意的是，蛋壳与水泥的化学成分非常相似，这意味着可以用适量的蛋壳替代部分水泥[2]。然而，蛋壳对水泥和混凝土性能的实际影响很大程度上取决于具体的操作条件，例如粉碎和研磨后的颗粒大小、水灰比、混合比例、外加剂的用量以及水泥类型（I、II或III）等参数[2]。Majeed等人[2]的研究表明，用蛋壳替代部分水泥可显著提高抗压强度（最高提升51%）。但也有研究指出，蛋壳的添加并不总是带来积极效果[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。Zhang等人[1]发现，在不同养护周期（1天、3天、7天和28天）下，用蛋壳替代部分水泥会导致抗压强度下降。控制组的抗压强度约为55 MPa，而添加7.5%或15%蛋壳的组抗压强度显著降低[1]。他们认为这是由于C-S-H凝胶和波特兰石结构的减少所致。Majeed等人[2]还指出，在其他添加比例（2.5%、5%、7.5%、10%、12.5%和15%）下，蛋壳也会对混凝土性能产生不利影响。

Al Abri等人[8]使用60微米大小的蛋壳颗粒替代了4种不同比例（5%、10%、15%和20%）的水泥，发现10%的蛋壳添加比例是最优的。他们同时测量了抗压和抗弯性能，但发现随着养护时间的延长，抗压强度有所下降。由于蛋壳的化学成分与CaCO₃相似，也有研究探讨了用CaCO₃替代水泥的效果[9]，部分研究显示添加CaCO₃（1%）可提高抗压强度，而另一些研究则发现其会降低抗压强度[10]。尽管如此，目前关于蛋壳替代水泥对混凝土性能影响的文献仍然较少，且缺乏系统的比较分析。

从结构角度来看，钢筋混凝土的腐蚀问题是影响其耐久性和使用寿命的重要因素[11]。当混凝土中的钢筋发生劣化（如分层和剥落）时[12]，主要是由于氯离子渗透、锈蚀膨胀和开裂[11]，这会严重威胁桥梁、隧道和公路等结构的安全性和使用寿命[12]、[13]、[14]。因此，研究钢筋混凝土的腐蚀问题具有紧迫性，需要精确的检测和分析[10]、[11]、[12]。关于蛋壳对钢筋混凝土腐蚀的影响，现有文献较少[15]、[16]、[17]、[18]。这可能是因为一方面添加蛋壳后机械性能略有下降；另一方面，监测和检测钢筋腐蚀的过程较为复杂。尽管如此，一些研究表明，细粒度的CaCO₃替代水泥可以提高耐腐蚀性[15]、[16]、[17]，因为CaCO₃具有填充作用；但也有研究指出粗粒度的蛋壳会影响钢筋的初期钝化[16]。同时，关于蛋壳在钢筋混凝土中的使用及其对钢筋腐蚀的影响的研究也不充分。

材料与混合物

本研究使用的蛋壳来自家禽养殖业和日常用途，经过粉碎处理。首先对蛋壳进行清洗和干燥（100 ± 5 °C，24小时），然后研磨至所需粒径。研磨过程可以在常压下使用手动或自动设备完成。

机械性能与蛋壳添加

虽然本文首先讨论了实验得到的机械性能结果，但这些结果有助于理解蛋壳添加对混凝土性能的影响。由于关于蛋壳添加效果的文献存在分歧，因此首先对机械性能进行了分析，并进一步探讨了腐蚀与机械性能之间的关联。

结论

根据实验结果，可以得出以下结论：

•

当用10%的蛋壳替代普通波特兰水泥（OCP）时，抗压强度和抗拉强度基本保持不变。这一现象在1天至365天的不同养护周期内均得到验证。28天时的抗压强度超过20 MPa，365天时达到约40 MPa。

作者贡献声明

维斯莱·奥索里奥（Wislei Osorio）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、项目监督、资金申请及概念构思。罗莎·林茨（Rosa Lintz）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、数据分析。莱安德罗·佩肖托（Leandro Peixoto）：负责初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验设计、数据分析。阿莫里·戈麦斯（Amauri Gomes）：负责初稿撰写、数据可视化。

未引用参考文献

[22]..

数据可用性

作者声明所有支持本研究的原始数据均包含在本文中。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢FAEPEX-UNICAMP（资助编号2169/25）、CAPES（巴西教育部高等教育人员发展协调机构，资助编号1）、CNPq（国家科学技术发展委员会，资助编号407595/2022-8、402704/2023-1和305996/2024-0）提供的财务支持。同时感谢Luiz Antonio Garcia在技术上的宝贵贡献。