提升再生混凝土性能的一种物理性、低环境影响且易于应用的技术：多尺度见解

《Cleaner Materials》：A physical, low-environmental-impact, and easily applicable technology for enhancing the performance of recycled concrete: Multiscale insights

　　

一项简单且经济的提升再生骨料混凝土（RAC）性能并具有低环境负担的方法，对建筑行业的可持续发展至关重要。本研究采用近期开发的纯物理性压缩浇筑（CC）技术，在不添加任何辅助胶凝材料的情况下改善RAC的力学性能和环境性能。研究人员进行了单轴压缩试验、微观结构表征、分子动力学（MD）模拟以及环境影响评价，以证明CC技术的有效性、揭示其增强机制并量化其环境效益。力学试验结果表明，在相同原始混凝土配合比下，与正常浇筑的RAC相比，CC下RAC的抗压强度和弹性模量分别提高了84.78%-88.11%和2.14%-31.47%。这些增强主要源于新拌混凝土中各组分的密实化，其次源于水胶比（w/c）的降低。微观表征和MD模拟表明，CC显著降低了砂浆基体及界面过渡区（ITZ）的孔隙率，同时显著增强了ITZ的粘结能力。此外，与正常浇筑的RAC相比，压缩浇筑下RAC的单位强度CO₂排放量和能源消耗均降低了约46.8%。此外，相应的效益潜力显著，概率为100%，突出了其卓越的可持续性优势。

**研究背景与问题**

全球建筑与拆除（C&D）废弃物产量巨大，2018年中国产生约23.6亿吨，美国和印度分别产生约6亿吨和5.3亿吨，欧洲亦贡献显著。当前的填埋处置方式不仅占用大量土地，还造成土壤和地下水资源污染。同时，经济活跃地区对基础设施的高需求导致天然建筑材料过度消耗，引发资源短缺和环境问题。将C&D废弃物回收为新混凝土材料和结构，是减轻填埋环境影响并解决原材料枯竭的可持续途径。然而，再生骨料（RA）经机械破碎后，其表面附着的老旧砂浆层会产生微裂纹，导致孔隙率和吸水率高于天然骨料（NA）。扫描电子显微镜（SEM）观察显示RA与砂浆基体之间存在大量孔隙和裂纹，即界面过渡区（ITZ），成为RAC中最薄弱环节，根本限制了其力学性能。现有改善RAC性能的方法包括加速碳化、掺入火山灰材料与纳米颗粒、微生物碳酸盐沉积、酸处理、加热法、微波辅助技术、优化配合比设计以及纤维增强等，但这些方法或耗时、需专用设备、成本高、可能引入有害离子，或性能提升有限，且多数为化学或添加剂改性策略。因此，亟需一种纯物理、无添加、低成本且易应用的新技术来提升RAC性能。

**研究内容、结论与意义**

研究人员提出了一种新型物理性压缩浇筑（CC）技术，并开发了专用试验设备，以改善RAC性能并赋予其环境优势。CC方法通过更有效密实混凝土，降低砂浆基体和ITZ中的孔隙率与微裂纹，从而提升RAC整体性能。该研究实验研究了CC改性RAC的应力-应变行为，采用压汞法（MIP）定量表征砂浆孔隙率和孔径分布，通过背散射电子（BSE）图像统计分析ITZ孔隙率，并利用分子动力学（MD）模拟探究CC对新旧砂浆界面相互作用性能的影响，最后开展生命周期评价（LCA）从确定性和概率性角度量化CC-RAC的环境效益。该论文发表于《Cleaner Materials》期刊。

**关键技术方法**

研究使用的关键技术方法包括：（1）单轴压缩试验，采用最大加载能力3000 kN的MTS试验机，配合四只线性可变差动变压器（LVDT）测量轴向变形；（2）MIP测试评估水泥砂浆总孔隙率和孔结构，使用Poremaster-60 MIP设备，最高汞压力30000 psi；（3）BSE图像分析，使用THERMO APREOS电子显微镜在1000倍放大倍数下拍摄新旧 mortar界面区域图像，每试件拍摄25个区域进行ITZ孔隙率统计分析；（4）MD模拟，采用ClayFF力场，在LAMMPS软件中进行，构建Ca/Si比分别为1.32（老砂浆，高度聚合态）和1.67（新砂浆，低聚合度）的C-S-H（水化硅酸钙）分子模型，通过5%、10%、15%体积压缩率模拟CC过程，评估密度分布、拉拔响应和径向分布函数（RDF）；（5）LCA评估，采用GaBi数据库（版本10.7）和CML方法，以"从摇篮到工厂大门"为系统边界，功能单位定义为1 m³混凝土及1 m³混凝土每单位强度，运用蒙特卡洛模拟（MCS）进行不确定性分析，样本量100000。

**研究结果**

**破坏模式与应力-应变行为**：与正常浇筑试件（RAC-N）和降低水胶比试件组（RAC-CPi）相比，压缩浇筑试件（RAC-Pi）的裂缝更细更分散，块体分离现象较少，表明压缩浇筑使RAC脆性增加、完整性更好。应力-应变曲线显示，降低水胶比使弹性模量和峰值应力略有提升，而在相同有效水胶比下，压缩浇筑试件的弹性模量和抗压强度均显著高于对应降低水胶比试件。后峰值范围内，RAC-Pi组应力下降最快，表明压缩浇筑进一步增加了脆性。

**力学性能指标**：（1）抗压强度方面，RAC-N为20.10 MPa，RAC-CP5、RAC-CP10、RAC-CP15分别提高18.61%、31.04%和32.24%；RAC-P5、RAC-P10、RAC-P15分别较RAC-N提高84.78%、88.24%和88.11%，较对应RAC-CPi组提高55.79%、43.65%和42.25%。压力超过10 MPa后强度提升率趋于平缓，可能因过高压力导致内部骨料开裂。（2）弹性模量方面，RAC-CPi较RAC-N提高1.17%-13.06%，RAC-Pi较RAC-N提高2.14%-32.64%；在相似水胶比下，RAC-P5和RAC-P10较RAC-CP5和RAC-CP10分别提高17.32%和29.95%，但RAC-P15较RAC-CP15降低6.83%，提示约10 MPa为较优浇筑压力。（3）峰值应变方面，降低水胶比使其增加，而5 MPa和10 MPa压缩浇筑下无显著变化，15 MPa下因强度增幅大于弹性模量增幅而显著增加至0.21。（4）极限应变方面，降低水胶比对其影响很小，压缩浇筑则使其降低，表明浇筑压力导致延性下降。

**微观结构表征**：（1）砂浆孔隙结构，MIP测试表明RAC-Pi组总孔隙率12.3%-13.2%，显著低于RAC-CPi组的15.6%-16.2%；5 MPa浇筑压力已足以实现良好密实化。但压缩浇筑使>5 μm大孔比例增加4%-10.2%，可能与浇筑过程中浆体孔压导致排水形成连通孔隙有关。（2）ITZ孔隙分布，BSE图像分析显示RAC-CP5沿ITZ分布大量孔隙形成连续孔隙带，而RAC-P5的ITZ孔隙明显减少；RAC-CP5平均ITZ孔隙率10.9%，RAC-P5为8.34%，压缩浇筑降低23.5%；RAC-P15的ITZ孔隙率6.69%，低于RAC-P5，表明增加浇筑压力进一步降低ITZ孔隙率。

**MD模拟结果**：（1）界面相互作用区，随压缩水平从0%增至15%，界面原子配置显著变化，从松散安排转变为致密连续结构；界面密度在5%、10%、15%压缩下分别增加16%、61%和105%；弱区长度从13.4 ?缩短至9.75 ?，有效减少低强度区域面积。（2）界面拉伸性能，0%压缩时界面拉伸强度为39.2 nN，5%、10%、15%压缩下分别增至56.3 nN、79.4 nN和120.3 nN，增幅达207%；但破坏模式仍保持界面失效，未从粘附失效转变为内聚失效。（3）界面粘结机制，RDF分析显示压缩应力使Ca-O键相互作用增强，Ca_RCA-O_New和O_RCA-Ca_New分别在4.62 ?和3.66 ?处形成强峰，同时O_New-H_H2O和Ca_New-O_H2O相互作用显著增强，表明压缩应力促进了硅链、Ca²⁺离子与水分子间的相互作用，优化了C-S-H凝胶结构和界面粘结。

**环境影响分析**：以1 m³混凝土为功能单位时，各类型混凝土碳排放和能耗相近（约404 kg和1829 MJ），差异不显著；但以1 m³混凝土每单位强度为功能单位时，CC-RAC（RAC-P5、RAC-P10、RAC-P15）较RAC-N的CO₂排放和能耗均降低约46.8%。单纯降低水胶比仅能降低15.9%-24.5%。蒙特卡洛模拟（100000样本）显示，压缩浇筑的效益潜力概率为100%，RAC-CP的效益潜力概率为89.5%-98%，RAC-CPi为91.4%-98.7%，变异系数约0.095和0.088，统计上验证了压缩浇筑的环境友好性。

**讨论与结论总结**

研究结论表明：（1）压缩浇筑在5、10、15 MPa压力下分别使RAC抗压强度提高84.78%、88.24%和88.11%，弹性模量提高32.64%、31.47%和2.14%，浇筑压力变化对抗压强度影响较小，但较大压力降低弹性模量，且一般降低峰值应变。（2）水胶比降低和新鲜混凝土组分密实化两个现象共同贡献于力学改善：单独降低水胶比使强度和弹性模量提高18.61%-32.24%和1.17%-13.06%；在相似水胶比下，密实化使强度和弹性模量提高42.25%-55.79%和-6.83%-29.95%。（3）相似水胶比下，压缩浇筑RAC总孔隙率12.3%-13.2%，低于正常浇筑的15.6%-16.2%，但会增加大孔比例；ITZ孔隙率亦低于正常浇筑，为力学性能显著改善提供微观解释。（4）CC显著改善新旧砂浆纳米尺度界面性能：对应5%、10%、15%体积压缩变形，界面区密实度分别增加16%、61%和105%，不仅增强固有弱界面粘结，还显著提高界面拉伸强度。（5）压缩浇筑具有显著环境优势，单位强度环境影響降低46.8%，效益潜力概率100%，为建筑废弃物高质 recycling利用提供有前景的解决方案。

研究局限性包括：未定量再生骨料残留水泥浆含量；MD模拟的界面强化尚待直接砂浆-骨料界面拉伸试验验证；未直接评价耐久性，鉴于CC可能降低总孔隙率但增加大孔比例，需进行耐久性试验；LCA需从基于强度的"摇篮到工厂大门"指标向基于使用寿命的比较拓展，耦合CC工艺清单与耐久性指标实现使用寿命LCA评估；CC目前更适合工厂预制而非现场浇筑，规模化应用需解决可重复使用模具、可控液压系统、尺寸稳定性、配合比与浇筑压力优化等实际挑战。