关于使用再生超高性能混凝土（UHPC）来减少UHPC混合料中水泥的需求：机械性能与耐久性的验证

《Journal of Building Engineering》：On the use of recycled UHPC to reduce cement demand in UHPC mixes: mechanical and durability validation

研究通过将废弃UHPC经破碎筛分后替代天然骨料和30%水泥，开发了两种再生UHPC混合料（C100C含粗粒，C100F含细粒），评估其自愈合性能与碳足迹。结果表明：C100C在盐雾环境下裂纹闭合率（ICS）达90%，6个月后强度恢复优于基准（REF）；C100F因细粒吸水性强导致愈合效率降低。生命周期评估（LCA）显示C100C通过减少水泥使用使碳排放降低19%，但运输和加工能耗增加环境负担，经强度归一化后仍具优势。结论表明再生UHPC在可持续建材中具有潜力，但需优化细粒掺量和回收工艺。

　　在当今建筑行业对可持续发展日益关注的背景下，超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete, UHPC）因其卓越的强度和耐久性而受到重视。然而，UHPC的高环境足迹，主要源于其高水泥含量和原材料开采过程的环境影响，成为制约其广泛应用的关键因素。本文通过研究两种回收型UHPC（Recycled UHPC, R-UHPC）的性能，探讨了如何在不牺牲机械性能和耐久性的前提下，实现UHPC的可持续生产。这些回收型UHPC通过将所有天然骨料替换为破碎的UHPC，并部分用回收材料替代波特兰水泥（30%），展示了潜在的环境效益。

研究采用了两种不同的回收策略。其中一种使用未分级的破碎UHPC，另一种则进一步加工以获取更细的颗粒（≤75 μm）。结果显示，两种R-UHPC混合料在压缩强度方面均优于参考UHPC，并且在弯曲强度方面表现相当。在重复的NaCl暴露条件下，它们展现出有效的自愈能力，裂缝密封、吸水性、强度和刚度在六个月内实现了完全恢复。然而，含有回收细颗粒的混合料在重复损伤-愈合循环中表现较差，这主要归因于其较高的吸水率，影响了自愈效果。

为了全面评估这些混合料的环境影响，研究采用了一种从原材料到生产门（cradle-to-gate）的生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）方法，并以1 m3为功能单位。LCA结果显示，机械性能对环境影响有显著影响，特别是在长期压缩和弯曲强度的基础上进行归一化处理后，这种影响更加明显。值得注意的是，细颗粒的额外加工和更大输入量导致了所有类别中的更高环境影响。这表明，在推动循环经济理念应用于高性能水泥基材料和结构的设计与生产时，需要在材料回收和加工过程中进行优化，以减少对环境的负面影响。

研究还强调了UHPC在结构设计中的潜力，尤其是在循环利用旧UHPC结构时。通过使用从旧UHPC中回收的材料，不仅能够减少原材料的开采和加工需求，还能降低运输成本。此外，研究指出，回收材料中的未反应结合剂颗粒可以在新混合料中参与水化反应，从而减少对新水泥的需求，提高材料的可持续性。然而，回收细颗粒的高吸水率可能对材料的耐久性产生不利影响，尤其是在腐蚀性环境中。

在实验过程中，研究者采用了多种方法来评估R-UHPC的自愈能力。例如，通过三点弯曲测试评估弯曲性能，利用数字显微镜观察裂缝情况，并采用水吸收测试（Sorptivity Test）评估材料的吸水性变化。结果表明，裂缝密封和吸水性恢复是评估自愈能力的关键指标，而刚度恢复则反映了材料在弹性范围内的性能变化。研究还发现，虽然R-UHPC混合料在初期表现出较高的自愈能力，但随着重复损伤-愈合循环的进行，其自愈效果逐渐减弱。这可能与未反应结合剂颗粒的消耗以及回收材料的反应性降低有关。

在自愈性能的评估中，研究者引入了多个指标，如裂缝密封指数（Index of Crack Sealing, ICS）、吸水性愈合指数（Index of Sorptivity Healing, ISH）和刚度恢复指数（Index of Stiffness Recovery, ISR）。这些指标帮助研究人员更准确地量化自愈过程的效果，并识别不同混合料在自愈能力上的差异。研究结果表明，R-UHPC混合料在自愈过程中能够有效恢复裂缝密封和吸水性，但其刚度恢复能力可能受到材料组成和损伤历史的影响。

通过生命周期评估，研究进一步揭示了R-UHPC在环境影响方面的优劣。尽管R-UHPC混合料在某些环境影响类别中表现优于参考混合料，但其较高的加工需求和运输成本可能抵消部分环境收益。研究还指出，使用不同粒径的回收材料会影响环境影响的计算结果，特别是在使用压缩强度或弯曲强度作为功能单位时。因此，为了更准确地评估R-UHPC的可持续性，需要在材料设计和生命周期分析中考虑机械性能的归一化处理。

此外，研究还探讨了UHPC在建筑行业中应用的潜力。UHPC因其高密度的结构、优异的强度和增强的耐久性，特别适用于暴露在恶劣环境中的基础设施，如海洋环境。然而，其高环境足迹和原材料开采的挑战限制了其广泛应用。因此，研究提出了一种通过回收旧UHPC结构来生产新R-UHPC的策略，以减少对新原材料的需求，同时保持材料的高性能。这一策略的可行性主要依赖于回收材料的加工和再利用过程的优化，以及对材料自愈能力的深入研究。

研究还指出了当前回收技术的一些局限性。例如，回收细颗粒的高吸水性可能对材料的长期耐久性产生不利影响，而回收粗颗粒则表现出更好的自愈效果。这些发现为未来的材料设计和工程应用提供了重要的参考。为了进一步提升R-UHPC的自愈能力和环境性能，研究建议采取更高效的回收设施、促进材料在本地化生产中的应用，以及优化混合料设计，通过不同的处理方法、表面处理或定制的颗粒粒径分布来减少材料的环境影响。

总之，这项研究为推动UHPC在建筑行业的可持续发展提供了新的思路和方法。通过回收旧UHPC结构，不仅可以减少原材料的开采和加工需求，还能有效降低碳足迹，提高材料的自愈能力和耐久性。然而，回收过程中的高能耗和高运输成本仍然是需要解决的问题。未来的研究应进一步优化回收技术和材料设计，以实现更高效、更环保的UHPC生产，从而在建筑行业中推广循环经济理念。