Innovative development of high-strength concrete with ultrafine metakaolin-heated POFA binders and fine coal bottom ash aggregate: Strength, durability and microstructural performance

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Provides mechanistic insights into pore refinement and sulfate resistance through combined use of UFM, HPOFA, and CBA.

🏢実務担当者:Offers mix-design guidance for producing high-strength concrete with lower environmental impact using locally available waste materials.

🏛政策担当者:Demonstrates life-cycle benefits of waste utilization in construction, supporting policies for circular economy and low-carbon building materials.

高強度コンクリート（HSC）の製造は、建設材料の炭素フットプリント削減が緊急の課題であるにもかかわらず、依然としてセメントと天然砂に大きく依存している。一方、パーム油燃料灰（POFA）と石炭底灰（CBA）の相当量が未活用のまま残されており、既存研究の大半は、超微粒子メタカオリン（UFM）、加熱POFA（HPOFA）、またはCBAを個別に扱っており、統合されたエココンクリートシステムとしては扱っていない。本研究は、UFMとHPOFAを混合結合材として使用し、CBAが天然細骨材を部分的に置換する革新的なHSCを開発・評価するものである。主な目的は、時間に関連する強度発現、透水性、硫酸塩抵抗性、および微細構造特性に対する三元系の影響を定量化することである。10〜15%のUFM、20〜30%のHPOFA、および細骨材として0〜20%のCBAを含むHSC配合に対して、完全要因実験計画を実施した。結果は、15%のUFMが二成分系配合の圧縮強度を最大化し、一方、15%のUFMと20%のHPOFAの組み合わせが三成分系配合に最適であることを示した。全体として、CBAを細骨材とするUFMとHPOFAのシステムの最適化により、10%のUFM、20%のHPOFA、および10%のCBAが最良の性能を示す組み合わせとして特定された。10〜15%のUFMと20〜30%のHPOFAの混入は、透水性を1.80〜1.97×10⁻¹³ cm/sに低減する。15%のUFMと20%のHPOFAを含む配合は、5% Na₂SO₄溶液に300日間浸漬した後、圧縮強度、引張強度、およびUPVの低下がそれぞれわずか14.2%、8.6%、および11%であることを示す。微細構造分析により、UFMとHPOFAが細孔構造を微細化し、硫酸イオンの侵入を制限し、エトリンガイト誘発性の微細ひび割れを減少させることが確認された。ライフサイクルアセスメント（LCA）は、10〜20%のCBAの存在下で15%のUFMと30%のHPOFAを含む配合が、最も低い環境影響を達成することを示している。本研究は、同様の廃棄物特性と過酷な硫酸塩環境を有する地域に対して、機構的洞察と実践的な配合設計指針を提供するものである。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

The production of high-strength concrete (HSC) remains heavily dependent on cement and natural sand, despite the urgent need to reduce the carbon footprint of construction materials. Meanwhile, substantial quantities of palm oil fuel ash (POFA) and coal bottom ash (CBA) remain underutilized, and most existing studies treat ultrafine metakaolin (UFM), heated POFA (HPOFA), or CBA in isolation rather than as an integrated eco-concrete system. This study develops and evaluates an innovative HSC in which UFM and HPOFA serve as blended binders and CBA partially replaces natural fine aggregate. The main objective is to quantify the influence of ternary system on strength development relating to time, permeability, sulfate resistance and microstructural characteristics. A full factorial experimental program was conducted on HSC mixes containing 10–15% UFM, 20–30% HPOFA, and 0–20% CBA as fine aggregate. The results showed that 15% UFM maximizes compressive strength for binary blend, while a combined 15% UFM and 20% HPOFA is optimal for ternary blend. Overall, optimization of the UFM and HPOFA with CBA as fine aggregate system identified 10% UFM, 20% HPOFA and 10% CBA as the best-performing combination. The incorporation of 10–15% UFM with 20–30% HPOFA reduces permeability to 1.80–1.97 × 10−13 cm/s. The mixer containing 15% UFM and 20% HPOFA exhibits only 14.2, 8.6 and 11% reductions in compressive strength, tensile strength, and UPV, respectively, after 300 days of immersion in 5% Na2SO4 solution. Microstructural analysis confirms that UFM and HPOFA refine the pore structure, limit sulfate ion ingress, and diminish ettringite-induced microcracking. The life cycle assessment (LCA) indicates that mixes with 15% UFM and 30% HPOFA in the presence of 10–20% CBA achieve the lowest environmental impacts. The study offers mechanistic insights and practical mix-design guidance for regions with similar waste profiles and aggressive sulfate environments.

• semanticscholar https://www.nature.com/articles/s41598-026-49052-7_reference.pdffirst seen 2026-06-29 07:36:13 · last seen 2026-08-09 05:52:10