采用固废基免水泥胶凝材料和废弃C30混凝土再生粗骨料制备的环保型超高性能混凝土

《Journal of Cleaner Production》：Eco-friendly ultra-high performance concrete prepared with solid waste-based cementless binder and recycled coarse aggregate derived from demolished C30 concrete

　　**摘要**本研究证明了利用拆除C30混凝土中回收的粗骨料（RCA）和电石渣（CCR）激活的无水泥胶凝材料生产生态环保超高性能混凝土（UHPC）的可行性。对掺入RCA的无水泥UHPC（CUHPC(RCA)）与掺天然粗骨料（NCA）的CUHPC(NCA)的力学性能和微观结构进行了对比研究。在CC150养护制度下（先在90°C热水中养护2天，再在150°C干空气中加热养护3天），CUHPC(RCA)的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度分别为131.6 MPa、14.7 MPa和9.2 MPa，分别比CUHPC(NCA)低9.6%、10.4%和14.8%。值得注意的是，其抗压强度超过了GB/T 31387-2015规定的120 MPa阈值。微观结构分析表明，CUHPC(RCA)的超高抗压强度可归因于周围超高强度基体提供的强约束效应，该效应限制了RCA在轴向压应力下的横向变形，抑制了RCA对CUHPC的不利影响。CUHPC基体中的RCA和NCA均表现出穿晶断裂特征，但RCA固有的微裂纹和气孔是导致其抗压强度较CUHPC(NCA)低9.6%-20.5%的主要原因。与传统水泥基UHPC相比，CUHPC在环境效益和成本效益方面表现显著优越。此外，掺入RCA并未增加单位强度的额外经济或环境成本。因此，本研究为利用C30混凝土中的回收粗骨料制备UHPC提供了一种可行途径。**引言**全球每年产生的建筑与拆迁废弃物（C&D废弃物）超过100亿吨（Gu等，2024），其中废弃混凝土占比超过50%。与此同时，天然粗骨料（NCA）的年需求量已超过500亿吨（Patil等，2024）。利用C&D废弃物中的回收粗骨料（RCA）为解决资源枯竭和C&D废弃物处理问题提供了可持续方案（Vahidi等，2024；Ma等，2025）。然而，RCA上附着的硬化水泥砂浆导致高吸水率和薄弱的界面过渡区（ITZ）（Ren等，2024），使得再生骨料混凝土（RAC）的力学性能较差（Liu等，2026；Deng等，2025；Xiao等，2022）。尽管已开发了多种改性技术来去除或增强附着砂浆，但对这些方法的批判性评审揭示了若干未解决的局限性。物理、化学和热剥离方法（Ohemeng等，2022；Reddy和Yaragal，2023；Zhan等，2022）可以部分去除附着砂浆，但往往消耗大量能量或化学品，产生二次废弃物，并可能损伤RCA表面。化学增强（Gritsada等，2023；Chen等，2025；Yang等，2023）、生物化学处理（Luo等，2024b；Alzard等，2025）和纳米材料（Wang等，2025b）可以在一定程度上改善附着砂浆或ITZ，但其效果通常局限于表层，无法完全消除旧砂浆及其固有的微裂纹和气孔。因此，在高RCA替代率下，残留旧砂浆仍主导着RAC的力学和耐久性能。如Liang等（2025）所综述的，现有改性方法无法完全消除附着砂浆的负面影响。因此，一个更根本的问题随之产生：超高强度基体能否容纳有缺陷的RCA，甚至与旧砂浆发生化学反应，而不仅仅依赖对RCA的改性？超高性能混凝土（UHPC）是一种以超高力学性能和耐久性为特征的新型建筑材料（Zhang等，2026；Amran等，2022；Altaibi等，2026）。UHPC的极低水胶比可有效稳定内部骨料（Shen等，2024；Zhang等，2025）。此外，RCA的高吸水能力使其能够在UHPC中充当"微型水库"（Liang等，2026；Marchi等，2023），有助于降低自收缩和开裂的风险。因此，将RCA掺入UHPC是一种有前景的消纳途径。RCA在UHPC中的应用已有报道，汇总于表1。然而，对表1的批判性评估表明，现有研究仍存在局限且不具备直接可比性。首先，几乎所有现有研究均基于水泥基UHPC（Abushanab等，2021；Amin等，2021、2022；Luo等，2024；Wang等，2026），而RCA在无水泥UHPC中的研究鲜有涉及。其次，大多数研究使用了定制化或高强度的母体混凝土，如C50，或未报告母体混凝土等级，这不能代表典型的低等级C30拆除废弃物。第三，各研究的RCA粒径、替代率、养护制度和胶凝材料组成差异显著，使得所报道的性能变化难以直接比较。除Leng等（2023）使用极细RCA（2.36-4.75 mm）的罕见例外外，对较大粒径RCA（4.75-20 mm）的共识是性能显著下降（表1）。因此，利用低强度等级的RCA制备抗压强度超过GB/T 31387-2015规定的120 MPa的UHPC的可行性仍不明确，超高强度基体容纳有缺陷RCA的机理作用也尚未探索。基于地聚物胶凝材料的无水泥UHPC避免了水泥消耗，因此是一种理想的替代方案（Wang等，2025a；Xia等，2026；Yan等，2025）。在最新的UHPC综述中，Hiew等（2026）将低碳发展确定为该领域的关键方向。然而，氢氧化钠和硅酸钠等强碱激活剂的使用引发了安全性和环境影响方面的担忧。为解决这一问题，氧化钙和氢氧化钙逐渐被用于开发无水泥UHPC（Dahal等，2023）。值得注意的是，Peng等（2025）和Wang等（2025c）利用电石渣（CCR）作为激活剂、粉煤灰（GGBFS）和硅灰（SF）组合作为前驱体，制备了抗压强度超过170 MPa的无水泥UHPC。此外，传统无水泥UHPC依赖强碱溶液溶解前驱体材料，这往往导致对RCA界面过渡区（ITZ）的侵蚀性破坏。与此形成鲜明对比的是，CCR激活的无水泥UHPC（CUHPC）提供了温和的碱性环境和持续的Ca2?过饱和。溶解的Ca2?可能与RCA附着旧砂浆中残留的硅质或铝质组分发生反应，潜在地诱发旧砂浆基体的微裂纹和气孔内原位形成额外的C-(A)-S-H凝胶。这种化学愈合作用与超高强度基体提供的致密物理约束相结合，被认为能够产生协同增强效应，从根本上区别于传统水泥基或强碱激发的RAC。因此，CUHPC的致密基体和富钙环境可能为RCA的掺入提供了有利条件。然而，尽管关于CCR激活的GGBFS/SF体系和RCA在水泥基材料中各自应用的进展已有报道，有缺陷的RCA与CCR激活无水泥胶凝材料之间的物理化学相互作用仍极待探索。因此，本研究旨在回答以下研究问题：(1) 能否利用C30衍生RCA制备28天抗压强度超过120 MPa的CCR激活无水泥UHPC？(2) 与CUHPC(NCA)相比，RCA对CUHPC(RCA)的力学性能、制备成本和CO?排放有何影响？(3) CCR激活基体与RCA附着旧砂浆之间发生了哪些物理化学协同效应？为回答这些问题，本研究采用拆除建筑中的C30衍生RCA制备了含有RCA的CCR激活无水泥UHPC（CUHPC(RCA)）。对制备的CUHPC(RCA)的力学性能、制备成本和CO?排放进行了评估，并与掺NCA制备的CUHPC(NCA)进行了比较。此外，通过多种微观结构技术分析了CUHPC基体对有缺陷RCA的物理化学协同效应。**材料**本实验用于生产CCR激活无水泥UHPC（CUHPC）的材料包括：粉煤灰（GGBFS）、硅灰（SF）、电石渣（CCR）、河砂（RS）、钢纤维（StF）、玄武岩天然粗骨料（NCA）、回收粗骨料（RCA）、减水剂（SP）和拌合用水。GGBFS、SF和CCR的粒径分布如图1所示。它们的氧化物组成和微观形貌见表2。**抗压强度和劈裂抗拉强度**不同复合养护制度下NCA100和RCA100的抗压强度和劈裂抗拉强度测试结果分别如图9(a)和(b)所示。图9和图10(a)中的误差棒代表每组配合比三个重复试验计算所得的标准差（SD）。所有测试属性的变异系数（COV）均低于5%，证实了实验数据具有良好的重复性。如图9(a)所示，在CC150养护制度下，……**结论**本研究将拆除建筑衍生的C30回收粗骨料（RCA）作为天然粗骨料（NCA）的全额替代材料，掺入电石渣激活的无水泥超高性能混凝土（CUHPC）中。成功制备掺RCA的CUHPC(RCA)表明，利用固废基胶凝材料结合C30 RCA生产生态环保UHPC是一种新颖且可行的技术途径。主要结论和独特……**CRediT作者贡献声明****Gai-Fei Peng：** 论文撰写 – 审阅与编辑，指导，经费获取。**Peng-Ju Wang：** 论文撰写 – 初稿，方法论，调查。**Hong Ding：** 调查。**Ying-Jie Jia：** 调查。**利益冲突声明**作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知名经济利益或个人关系冲突。**致谢**作者衷心感谢**国家自然科学基金**（批准号51878032）和**北京自然科学基金**（批准号8212013和8172036）提供的资金支持。Gai-Fei Peng | Peng-Ju Wang | Hong Ding | Ying-Jie Jia