再生混凝土骨料增强技术与生命周期评价：机制、效能、决策框架及可持续建造应用

《Results in Engineering》：A Review of Enhancement Techniques and Life Cycle Assessment for Recycled Concrete Aggregates in Sustainable Construction

　　

再生混凝土骨料（recycled concrete aggregate, RCA）可使全球变暖潜势（global warming potential, GWP）降低20%，并使能耗降低15%。机械研磨可使RCA吸水率最高降低29.4%。微生物诱导碳酸钙沉淀（microbial-induced calcium carbonate precipitation, MICP）等生物处理可使RCA吸水率降低20%—30%。加速碳化（accelerated carbonation）可降低吸水率并固定CO₂。混合处理（hybrid treatment）是针对混合来源RCA最有效的策略。

研究背景方面，普通硅酸盐水泥（ordinary Portland cement, OPC）产量和混凝土用量持续增长，混凝土生产与运输约占人为CO₂排放的10%，同时建筑与拆除废物（construction and demolition waste, C&D waste）占全球废物总量约30%—40%，带来天然骨料短缺、填埋占地、土壤和地下水污染等问题。再生混凝土骨料（recycled concrete aggregate, RCA）可降低非再生资源消耗和温室气体排放，但其附着砂浆（attached mortar, AM）、微裂缝和多重界面过渡区（interfacial transition zone, ITZ）导致吸水率高、孔隙率大、压碎值高、表观密度低，限制其结构应用。因此，研究人员开展综述，旨在系统评估RCA增强技术，并将技术效能与生命周期评价（life cycle assessment, LCA）关联，构建面向工程选择的决策框架。

研究人员遵循PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）开展系统综述，检索Scopus、Web of Science和ScienceDirect 2000—2024年文献，初检843篇，去重247篇，筛题摘596篇，排除289篇，全文307篇中12篇不可得，295篇评估后排除85篇，最终纳入210篇，并在修订中补充2025—2026年文献；无样本队列，来源为公开同行评议文献及欧盟项目报告。研究按去除或强化AM对机械、化学、热、混合、聚合物、火山灰浆、纳米材料、MICP、硅酸钠和加速碳化等技术归类，定量比较吸水率、强度等指标，并比较LCA研究的功能单位、系统边界、分配和CO₂吸收，构建决策矩阵。其意义在于弥补单一技术综述与LCA脱节的问题，为可持续混凝土生产提供机制评估、环境经济判断和选择依据。

4.1 附着砂浆去除：通过机械、水/超声、酸、热及组合处理去除AM，可改善RCA表面与ITZ，但需平衡去除效率与骨料损伤。4.1.1 机械研磨与整形：通过球磨、滚筒和摩擦去除AM，可显著降低吸水率，但过度处理会产生微裂缝和细粉。4.1.2 预浸水与超声清洗：预浸水可洗去粉尘和松散砂浆，超声空化可去除紧密结合砂浆并提高密度，但设备与能耗需求较高。4.1.3 酸预浸泡：通过酸溶解水化产物去除AM，强酸效果明显但引入氯离子、硫酸根和废水问题，乙酸等有机酸较温和且可减少有害离子。4.1.4 热处理：通过水分损失、脱水及差异热膨胀削弱砂浆—骨料粘结，低温至高温处理效果受温度、时间和冷却方式影响，过高温度会损伤骨料并增加能耗。4.1.5 混合（组合）处理：通过化学+机械、热+机械、热化学、去除+密实及废水+碳化等协同机制，通常较单一处理更接近对照混凝土性能，但需与各单一处理在等效条件下比较以证明协同效益。

4.2 附着砂浆强化：通过填充孔隙和致密化旧砂浆改善RCA，通常较去除法简便、环境友好且成本较低。4.2.1 聚合物乳液：通过聚乙烯醇（PVA）、硅烷等封孔降低吸水率并改善耐久性，但可能削弱与新浆体粘结并降低抗压强度。4.2.2 火山灰浆浸渍：通过硅灰、粉煤灰、矿渣等填充孔隙和促进水化，改善ITZ与耐久性，效果取决于浆体浓度、水胶比和火山灰反应性。4.2.3 纳米材料浆浸渍：通过纳米SiO₂、纳米CaCO₃等填充微裂缝和孔隙并促进C-S-H生成，可提高强度和抗氯离子渗透，但需区分纳米涂层与常规浆体贡献。4.2.4 MICP：通过产脲酶细菌沉淀CaCO₃填充RCA孔隙，可降低吸水率并改善微观结构，但处理周期长、培养基成本高，且氨/铵和规模化均匀性需管理。4.2.5 硅酸钠溶液：通过水玻璃封孔改善RCA吸水率和压碎值，并可提高RAC强度，但可能影响抗氯离子和抗水渗透性。4.3 RCA加速碳化：通过CO₂与含钙水化相反应生成CaCO₃并致密化ITZ，可降低吸水率、固定CO₂，但效果受湿度、CO₂浓度、压力、时间和粒径影响。5 LCA：通过比较功能单位、系统边界、分配和碳化吸收，研究表明RCA可降低环境影响，但运输、额外水泥需求和处理能耗可抵消收益。5.1 C&D废物运输与RCA生产CO₂排放分析：通过15种运输情景测算，运输至消费者占比较高，优化运输和选址可降低排放。6 欧盟示范项目与实施就绪度：C2CA、HISER和ECO-CEMENT等展示分离、回收和微生物碳酸盐沉淀进展，但不能证明所有RCA处理技术同等成熟。7 技术挑战：综述归纳材料变异性、参数优化、能耗、长期耐久性、经济可扩展性和法规标准合规等障碍。8 未来研究建议：建议验证混合处理协同机制、优化热处理、管理化学残留、区分纳米材料效益、推进MICP中试和建立可比LCA。9 结论：原文从化学强化、碳化、MICP、物理增强、机械增强、研究局限和混合复杂RCA未来方向进行总结，详见以下结论译述。

讨论部分总结认为，RCA增强需在性能、耐久性、能耗、成本和环境负担之间权衡；LCA结论高度依赖功能单位、系统边界、运输、水泥调整和碳化核算，不能仅凭百分比排名技术。研究结论译述如下：化学强化可改善RCA性能且总体环境影响较低，但酸或硅酸钠处理可能影响耐久性，聚合物浸渍可能降低RAC机械强度；碳化处理在改善效果、环境和经济方面突出，但依赖原RCA质量；MICP环境性能好并可改善微观结构，但改性周期通常超过7天、培养基成本高，且主要处理表面缺陷，难以填充AM内部空隙；物理增强处理速度快、通量高、操作简单，但能耗高且受原混凝土强度影响；机械增强RCA常破坏于旧的低强度水泥浆界面，主要限于无强度要求的填料应用；现有强化研究多集中于单一高质量来源和均匀组成RCA，处理目标多为去除弱AM或强化强AM，而实际工程RCA来源复杂、质量多变；现有骨料分离技术难以准确评估AM性能，未来应发展可增强混合复杂RCA的集成创新技术。