通过实验室规模试验分析在高海拔地区使用隧道弃渣再生砂和粉生产混凝土的可行性

《Waste Management》：Analysis of the feasibility of using tunnel dreg-based recycled sand and powder for concrete production in a high-altitude region through lab-scale tests

　　

•研究了掺入不同粉含量和砂率的含TDRS粉混凝土的性能。
•最佳掺量的TDRS粉混凝土表现出更高的强度和更低的干燥收缩。
•TDRS混凝土具有致密的微观结构，孔隙尺度阈值约为50 nm。
•TDRS有助于减少碳排放并提高高原基础设施的循环利用性。

引言
高原地区的基础设施建设，尤其是铁路工程，因其促进经济增长和文化交流、推动社会发展的作用而广受认可，这与"一带一路"倡议的目标相一致（Huang和Li，2020；Ma等，2025）。为应对海拔高差，高海拔地区的铁路工程主要通过隧道建设实现。然而，沿线脆弱的山地环境使得大量隧道弃渣的处理面临困难。例如，川藏铁路项目的隧道占全线84.2%，预计产生高达2.4亿立方米的隧道弃渣（Blanco-Martín等，2020；Li等，2021；Zhang等，2025）。考虑到环境保护和安全因素，隧道弃渣的管理需要土地租赁、运输、处置和维护等措施，这些措施的成本可能高达数千万美元（Chen等，2026）。另一方面，严格的环境法规限制了天然砂（NS）和粗骨料的开采或采石，导致高原地区混凝土原材料短缺（Hamada等，2023；Kazmi等，2021；Liu等，2022）。因此，基于隧道弃渣的再生砂（TDRS）不仅解决了原材料短缺问题，还减少了原材料开采和隧道弃渣填埋，有助于高原地区材料的可持续利用（Shehata等，2022；Soleimani等，2023；Sun等，2024）。同时，TDRS混凝土在高原铁路工程中的增值利用符合循环经济模式，与联合国可持续发展目标#12（即负责任的消费和生产）相一致（Hu等，2024；Wang等，2024d）。将隧道弃渣材料回收作为混凝土生产的骨料，促进了从摇篮到摇篮的理念，即废弃材料被重新利用为新产品原料，从而最大限度减少资源消耗（Eisenreich等，2022；Huang等，2025；Ma等，2024b）。

全球范围内已对隧道弃渣的利用开展研究，重点关注其作为建筑材料的可行性。Olbrecht等人在1998年指出，由盾构机（TBM）爆破产生的隧道弃渣制成的混凝土通常能满足强度要求（Olbrecht等，1998）。虽然隧道弃渣颗粒粒径在0.075 mm至125 mm之间，且呈扁平状，但通过冲击破碎和筛分处理，可以获得高质量的TDRS和粗骨料，确保施工现场道路用混凝土的性能稳定性（Gertsch等，2000；Ma等，2024a；Vateva等，2025）。源自隧道弃渣的TDRS受母岩物理性质和机械破碎方法的影响较大。特别是花岗岩隧道弃渣制成的TDRS，由于其高强度和硬度，被广泛应用于混凝土中（Benabed等，2012；Mu等，2023；Wang等，2024b）。在高海拔地区，利用铁路建设过程中产生的隧道弃渣制备混凝土并就地使用，对于减少原材料开采和运输以及避免建筑废弃物处置具有特殊价值。然而，这些材料的技术可行性仍需进一步探索。例如，TDRS粉含量和TDRS与砂的比例等因素对混凝土性能的影响，尤其是长期体积稳定性，需要进行专门研究。

近年来，再生砂（RS）在中国砂砾市场中逐渐占据领先地位。据统计，2021年全国砂砾产量达到197亿吨，再生砂需求量约为148.1亿吨（Pu等，2023；Xiao等，2022）。总体而言，再生砂通过机械破碎生产，所得颗粒形状大多不规则。天然砂和再生砂因来源不同，可能在颗粒形状、粉含量和级配方面存在差异，导致相关混凝土的微观结构和力学行为存在显著不同（Wang等，2024a；Wang等，2024c）。近期，许多学者对此课题进行了广泛的实证研究。例如，Huang等（2017）通过数字图像处理对天然砂和再生砂的颗粒形状进行表征，发现再生砂具有高片状含量和粗糙颗粒，这可能导致砂与水泥之间具有强粘结力和致密的界面过渡区结构。Shen等（2018）利用富勒曲线调整再生砂级配，以分析再生砂级配对混凝土的影响，结果表明再生砂的初始级配不影响所得产品的抗压强度，而经调整级配的再生砂混凝土抗压强度较低（Nwakaire等，2021；Shen等，2017）。同时，再生砂生产过程中产生的小于75 μm的细颗粒称为再生砂粉，再生砂粉具有改善级配、润滑作用、微集料效应和增强粘结等功能（Ma等，2023b）。具体而言，粉体可改善再生砂级配，提高其堆积密度并增强填充效果，同时还具有润滑作用和粘结效果（Mu等，2023）。Kumar等（2022）指出，再生砂粉含量占再生砂重量的5%至10%时，可使再生砂混凝土具有最优的力学性能和耐久性。Ding等（2016）发现，当再生砂粉含量低于13%时，再生砂粉含量与混凝土抗压强度呈正相关关系。作为微集料，再生砂粉具有致密填充效应，并可在水化过程中充当晶核，减少内部孔隙并提高强度（Jiang等，2024；Kazmi等，2021）。总体而言，再生砂混凝土表现出显著的力学性能和耐久性优势，但其体积稳定性远不如天然砂混凝土。Yang等（2019）发现，再生砂粉可间接降低混凝土的水胶比，导致收缩显著增加。然而，Chandrasekhar等（2024）揭示，再生砂的粗糙纹理和棱角形状增强了浆料与骨料之间的粘结效应，减少了干燥收缩。因此，目前对再生砂混凝土的体积稳定性尚无共识，需要进一步研究以提供可靠指导，促进TDRS的潜在应用。

尽管机械特性、收缩和徐变行为等物理性能是评价混凝土结构性能的重要指标，但仅关注物理性能可能无法全面评估再生材料使用的优势（Visintin等，2020）。由于原材料的生产、加工和运输消耗大量能源并产生碳排放，有必要根据使用TDRS的混凝土制造工艺特点，对碳排放和其他环境影响进行进一步评估（Colangelo等，2018）。必须指出的是，高海拔地区通常生态环境脆弱，因此节约混凝土原材料的环境效益，如减少自然资源开采，也应予以考虑（Colangelo等，2018；Huang等，2026；Zhang等，2024b）。重复利用源自隧道弃渣的TDRS，不仅减少了自然资源开采，还显著缓解了隧道废料填埋需求并降低了环境污染风险。同时，利用高海拔地区的TDRS减少了天然砂的运输和生产能耗，有助于碳排放削减（Ghanbari等，2018；Singh等，2022；Visintin等，2020）。隧道开挖产生的废料、碎石和骨料片通常被处置或排放在隧道入口。毫无疑问，对隧道弃渣进行适当处理可以减少土地使用并最大限度降低对生态环境的影响（Shen等，2022）。Zhu等（2023）报告称，TDRS的CO?排放因子约为7.66 kgCO?/kg，比天然砂低1.16倍。此外，将隧道弃渣转化为TDRS符合绿色施工理念（Martínez-Lage等，2020；Yao等，2022）。在联合国可持续发展目标框架下，将TDRS混凝土应用于高海拔地区铁路工程是向创新型循环施工迈进的一项努力。

高原气候条件，如强烈的太阳辐射、大温差、低压和低湿度，对混凝土结构的施工和耐久性构成严峻挑战，令人担忧。Ge等（2018）报道，随着大气压降低，混凝土的干燥行为变得更加严重，导致干燥收缩变形显著增加。Li等（2023）报道，抗劈拉强度对日温差疲劳的敏感性大于抗压强度。Wang等（2022）指出，强烈的紫外线辐射可加剧砂浆的干燥收缩变形和质量损失，但掺入粉煤灰可减轻强烈紫外线辐射的影响。此外，这些恶劣气候条件加速水分迁移，从而影响水化并扩大孔隙尺寸。对高原气候条件如何影响混凝土材料的研究已逐步扩展，包括分析建筑材料的基本性能、工作性、力学性能和耐久性。因此，了解真实高原环境下TDRS混凝土的力学行为和微观结构演化，对于水泥基材料科学的基础进步和极端地理气候区域的关键基础设施建设都至关重要。

在本研究中，在真实高原环境下对TDRS混凝土的抗压强度、干燥收缩和微观结构进行了实验研究，重点关注TDRS粉含量（4%、8%和12%）和砂率（37%、40%和43%）。在此基础上，对CEB-FIP 90模型——由欧洲建筑研究委员会（CEB）和国际建筑工业联合会（FIP）提出的混凝土设计规范——进行了修改，以预测TDRS混凝土的干燥收缩变形。此外，分析了高海拔地区TDRS混凝土的经济效益和碳排放，以阐明在高海拔地区利用TDRS混凝土的潜在影响。本研究对于评估在挑战性高海拔环境下TDRS混凝土增值利用的潜在效益具有重要意义。

原材料
本研究使用的原材料包括普通硅酸盐水泥和粉煤灰（FA），水泥由海螺水泥集团供应，粉煤灰取自武陵发电厂。所用水泥的物理性能包括比表面积为326 m2/kg、表观密度为3.12 g/cm3，而粉煤灰的比表面积为450 m2/kg、表观密度为2.52 g/cm3。胶凝材料的化学成分和粒径分布分别见表S1和图1(a)。

工作性
不同TDRS粉含量和砂率的TDRS混凝土坍落度见图S3。使用TDRS会降低坍落度，这与TDRS粉具有较大比表面积有关。添加TDRS粉可增加浆体黏度，从而影响TDRS混凝土的工作性（Wang等，2024e；Zhu等，2024）。当TDRS粉掺量为4%和8%时，坍落度无显著波动，而12%掺量时可观察到16.9%的下降。

结论与展望
为在挑战性高海拔环境中充分利用TDRS的增值价值，本研究制备了TDRS混凝土，并对其相关力学性能、干燥收缩、微观结构、成本和碳足迹进行了分析。可得以下结论：
(1) 当TDRS粉含量超过8%时，TDRS混凝土的坍落度显著下降，而TDRS与砂的比例变化对工作性无显著影响。

此外，TDRS混凝土包含一个

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Fan Wang：写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式分析，数据整理，概念化。Xin Ren：写作 - 原稿撰写，可视化，形式分析，数据整理。Qingchun Hu：验证，调查研究，形式分析。Xiang Zhou：验证，方法论，调查研究。Minghui Shangguan：验证，资源，方法论，调查研究。Gang Ma：写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
作者感谢中南大学奖学金提供的资金支持。此外，衷心感谢编辑和匿名审稿人对本文提出的宝贵意见。

Fan Wang|Xin Ren|Qingchun Hu|Xiang Zhou|Minghui Shangguan|Gang Ma