生物碳酸化反应性MgO胶结建筑与拆除废弃物的耐久性：湿干循环的影响

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Durability of the bio-carbonated reactive MgO cemented construction and demolition waste: Effect of wetting-drying cycles

建筑垃圾生物碳化镁氧水泥（BCM）的湿润-干燥循环耐久性研究。通过实验发现，循环会降低BCM样品的物理力学性能，表现为质量损失率、吸水率增加，干密度和波速下降，抗压强度从2.43 MPa降至1.20 MPa。预水解处理可将抗压强度衰减幅度从50.7%降至25.4%，因生成更多稳定水镁石碳酸盐（HMCs）增强结构。机理分析表明，初期循环导致可溶物快速流失破坏结构，后期碳酸盐溶解削弱胶凝作用。扫描电镜显示预水解样品孔隙更少，晶体结构更完整。

　　随着全球对低碳和环保建筑材料的需求日益增长，特别是在交通和地质工程领域追求碳中和目标的背景下，开发新型低碳可持续建筑材料已成为学术界和工业界普遍关注的研究方向。与此同时，由于基础设施更新和建设活动的频繁进行，建筑拆除废弃物（Construction and Demolition Waste, CDW）的产生量也在不断增加。CDW不仅占据了大量宝贵的土地资源，还可能释放重金属离子、粉尘和有害气体，带来严重的环境问题。因此，如何高效地利用CDW作为建筑材料，尤其是通过生物碳化技术实现其固结，成为当前研究的重要课题。

生物碳化技术，特别是利用活性氧化镁（Reactive MgO）进行的生物碳化（Bio-carbonation of reactive MgO, BCM）已被视为一种有前景且环保的CDW固结方法。BCM技术通过尿素酶细菌将尿素水解为碳酸盐离子，这些离子随后与活性氧化镁反应生成具有水泥性质的水合氧化镁碳酸盐（Hydrated Magnesia Carbonates, HMCs）。这些HMCs能够有效填充CDW颗粒间的孔隙，提高材料的结构稳定性和力学性能。与传统的水泥固结方法相比，BCM具有更低的碳排放量，因为活性氧化镁的煅烧温度较低（750 °C），且其原材料可以从海水和盐湖中获取，从而减少了对高能耗传统波特兰水泥（Portland Cement, PC）的依赖。

然而，BCM技术在实际应用中面临一个重要的挑战，即其在极端气候条件或地下水波动引起的湿干循环（Wetting-Drying Cycles, W-D cycles）下的耐久性问题。在实际工程环境中，湿干循环是一种常见的自然现象，尤其是在多雨地区或地下水位变化频繁的区域。这种环境条件可能会显著影响BCM固结材料的结构完整性和力学性能，进而影响其在实际工程中的应用效果。因此，研究BCM材料在湿干循环下的耐久性及其退化机制，对于推动该技术在交通和地质工程中的实际应用具有重要意义。

为了深入理解BCM材料的耐久性及其退化机制，研究人员制备了一系列BCM样品，并在湿干循环条件下对其物理力学性能和微观结构演变进行了系统研究。研究发现，湿干循环会对BCM材料造成一定程度的退化，其物理力学性能的变化在循环初期较为剧烈，随后趋于平缓。在循环初期，由于可溶性物质的快速流失，样品表面会出现明显的白霜（efflorescence）和微裂纹。随着循环次数的增加，这些白霜和裂纹会逐渐扩展，最终导致样品的结构完整性下降。此外，湿干循环还会导致样品质量损失和吸水率增加，而干密度、压缩波速和无侧限抗压强度（Unconfined Compression Strength, UCS）则呈现下降趋势。

值得注意的是，尿素预水解处理能够显著提高BCM材料的耐久性。在预水解过程中，尿素被提前水解为碳酸盐离子，从而在后续的混合过程中避免了尿素酶细菌的失活，提高了碳酸盐离子的浓度。这不仅增强了HMCs的生成效果，还提升了材料的结构稳定性和力学性能。具体而言，经过10次湿干循环后，预水解处理的BCM样品的UCS下降幅度仅为25.4%，降至4.45 MPa，而普通BCM样品的UCS则下降了50.7%，降至1.20 MPa。这一结果表明，尿素预水解处理能够有效缓解湿干循环对BCM材料性能的负面影响，显著提升其在实际应用中的耐久性。

研究还揭示了BCM材料在湿干循环下的退化机制。在循环初期，由于可溶性物质的快速流失，材料的结构完整性迅速下降，导致力学性能的急剧恶化。而在后续循环中，由于HMCs和水镁石（Brucite）的溶解和流失，材料的水泥作用逐渐减弱，进一步加剧了结构退化。因此，BCM材料的耐久性主要受到两种因素的影响：一是循环初期可溶性物质的快速流失导致的结构破坏；二是循环过程中HMCs和水镁石的持续溶解造成的水泥作用减弱。

从微观结构的角度来看，湿干循环对BCM材料的影响也十分显著。普通BCM样品在经历多次湿干循环后，其内部的孔隙和微裂纹逐渐扩展，导致材料的微观结构变得松散，进而影响其整体性能。相比之下，经过尿素预水解处理的BCM样品由于HMCs的充分生成和更稳定的结构，其微观结构退化程度较低，表现出更高的耐久性。此外，研究还发现，预水解处理后的BCM样品具有更致密的结构和更小的孔隙，这有助于减少水分的迁移和溶解作用，从而延缓材料性能的退化。

为了进一步探讨湿干循环对BCM材料的影响，研究还分析了压缩波速与UCS之间的关系。结果表明，随着循环次数的增加，压缩波速和UCS均呈下降趋势，这反映了材料结构完整性下降和密实度降低的力学特性。普通BCM样品的UCS与压缩波速之间呈现出指数关系，而预水解处理的样品则表现出较弱的相关性，说明其结构稳定性更高，力学性能退化较慢。这一发现为后续研究提供了新的思路，即可以通过压缩波速来预测预水解BCM样品在湿干循环后的UCS变化。

此外，研究还探讨了尿素预水解处理对BCM材料物理力学性能的影响。结果显示，预水解处理能够显著降低样品的质量损失率和吸水率，同时提高其干密度和压缩波速。这表明，预水解处理不仅增强了HMCs的生成，还提高了材料的整体稳定性。在循环过程中，预水解样品由于其更致密的结构和更稳定的HMCs，能够更好地抵抗水分的侵蚀和物质的流失，从而保持更高的力学性能。

研究还指出，尽管BCM材料在湿干循环下的性能退化是不可避免的，但尿素预水解处理可以有效缓解这一问题。通过提高HMCs的生成效率和材料的结构稳定性，预水解处理显著提升了BCM材料的耐久性。这一发现为未来BCM材料的优化和应用提供了重要的理论依据和技术支持。此外，研究还建议，在后续研究中应进一步探索其他耐久性条件，如冻融循环和硫酸盐侵蚀，以全面评估BCM材料在复杂环境下的性能表现。

综上所述，本研究揭示了BCM材料在湿干循环下的耐久性及其退化机制，为该技术在实际工程中的应用提供了重要的参考。尿素预水解处理被证明是一种有效的手段，能够显著提升BCM材料的耐久性，减少湿干循环对其物理力学性能的负面影响。未来的研究应进一步探索如何优化预水解处理过程，以提高BCM材料的长期稳定性，并拓展其在更多工程领域的应用前景。同时，研究还强调了需要开发更有效的测试方法，以更准确地揭示BCM材料在湿干循环下的微观结构变化和性能退化机制，为材料的长期性能评估和工程应用提供更加科学的依据。