碳酸化再生骨料对水泥浆回填材料性能的影响 刘颖、 张赫、 张胜堂、 闵凌然、 方浩、 芮宏儒、 李浩

《Minerals》：Effects of Carbonated Recycled Aggregate on Performance of Cemented Paste Backfill Yin Liu, He Zhang, Shengtang Zhang, Lingran Min, Hao Fang, Hongru Rui and Hao Li

本文为解决建筑垃圾再生骨料(RCA)在充填应用中力学性能差等问题，创新采用加速碳化预处理技术，系统研究了碳化再生骨料对胶结膏体充填体(CPB)力学性能的演化规律。研究发现，碳化处理显著改善了RCA的物理性能，并使其制备的CPB在50%掺量下28天抗压强度提升61.52%。该研究为此类服役30年RCA的资源化利用及矿山绿色充填提供了理论参考。

　　

随着中国城市化进程的飞速推进，旧建筑的拆除与新建工程产生了海量的建筑垃圾，它们约占城市垃圾总量的40%，且年复一年地持续增长。传统的处置方式——随意堆放和直接填埋，不仅吞噬着宝贵的土地资源，还引发了水体和土壤污染等一系列环境问题。另一方面，作为我国支柱能源的煤炭，在开采过程中形成了巨大的采空区，地表沉陷等灾害频发，同时伴生的煤矸石、粉煤灰等煤基固废综合利用率低、堆存量巨大，同样构成了严峻的环境挑战。如何将这些“放错地方的资源”变废为宝，实现环境效益与经济效益的双赢，成为了亟待破解的难题。

在此背景下，胶结膏体充填体（Cemented Paste Backfill, CPB）技术应运而生，成为一种绿色开采的典型代表。该技术能将煤基固废与建筑垃圾等制成膏体或浆体，回填至矿山采空区，既能有效支撑围岩、控制地表沉降，又能实现固废的资源化利用，可谓一举多得。将建筑垃圾处置与充填采矿技术相结合，成为了一条极具潜力的路径。然而，理想很丰满，现实却很“骨感”。建筑垃圾经过机械破碎得到的再生混凝土骨料（Recycled Concrete Aggregate, RCA），由于存在天然的结构缺陷，其表观密度低、压碎值高，导致其力学性能远逊于天然骨料。当这些“先天不足”的RCA被用作矿山充填骨料时，制备出的充填体往往“弱不禁风”，力学性能不佳，这严重制约了建筑垃圾在充填领域的大规模、高值化应用。

为了攻克这一瓶颈，研究人员将目光投向了碳化改性技术。这项技术让RCA“吸”入二氧化碳（CO₂），不仅能固碳减排，还能“强筋健骨”——提升骨料性能。此前的研究多集中于普通混凝土领域，而将其作为骨料应用于矿山充填的研究则相对匮乏。那么，一个关键的科学问题浮出水面：经过碳化处理的再生混凝土骨料（Carbonated Recycled Concrete Aggregate, CRCA），在应用于矿山胶结膏体充填时，究竟能带来怎样的性能提升？其背后的微观机制又是什么？

为了回答这些问题，一项发表在《Minerals》期刊上的研究，系统地探索了碳化再生骨料对胶结膏体充填体性能的影响。研究人员瞄准了从30年使用寿命的C30住宅楼拆除垃圾中获取的RCA，以严格控制变量。他们采用加速碳化技术，在特定温湿度与CO₂浓度条件下，对RCA进行了为期3、14、28和60天的碳化处理，制备出不同碳化龄期的CRCA。随后，用这些CRCA以50%和100%的比例替代煤矸石作为充填骨料，制备了CPB试件。通过一系列宏观力学测试与微观机理分析，层层揭开了碳化改性背后的奥秘。

为开展此项研究，作者运用了几个关键技术方法。首先，骨料预处理与碳化：对来源单一的30年服役期RCA进行预浸泡和不同时长（3、14、28、60天）的加速碳化处理，并通过酚酞显色法测定碳化深度。其次，充填体制备与力学测试：以固定质量比（水泥:粉煤灰:骨料=1:4:6）制备CPB浆体，采用70.7mm立方体试模成型，在标准条件下养护至不同龄期（3、7、14、28、56、90天），使用电子万能试验机测试其单轴抗压强度。再次，微观结构表征：利用压汞仪（MIP）分析CPB内部的孔隙结构特征（孔隙大小分布和总孔隙率）；通过扫描电子显微镜（SEM）观察界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）的微观形貌；采用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析物相组成和化学结构变化；并使用维氏显微硬度计测试新旧ITZ的微观硬度分布。

3.1. 碳化效果分析

通过酚酞显色法证实，RCA能够被有效碳化，且碳化深度随处理时间的延长而增加。这为后续的性能改善提供了前提。

3.2. RCA物理性能分析

碳化处理显著改善了RCA的物理性能。与未碳化的原始RCA相比，碳化60天的C₆₀d-RCA表观密度增加了2.88%，压碎值大幅降低了51.45%，吸水性也显著下降。这归因于碳化反应中生成的碳酸钙（CaCO₃）晶体有效填充了旧砂浆内部的孔隙，使骨料结构更致密、更稳定。

3.3. CPB力学性能分析

碳化再生骨料能显著提升CPB的抗压强度，且提升效果与碳化龄期和掺量密切相关。在所有测试组中，掺加50%的28天碳化骨料（C₂₈d-RCA-50）的CPB表现最佳，其90天抗压强度达到6.38 MPa，比未掺加CRCA的对照组提高了61.52%。而100%掺量组（C₂₈d-RCA-100）的强度增幅为46.33%，略低于50%掺量组，表明过高的RCA掺量会削弱碳化改性的增强效果。

3.4. CPB微观结构分析

3.4.1. ITZ显微硬度分析

微观硬度测试表明，碳化处理能显著优化界面过渡区（ITZ）的结构和力学性能。在50%掺量下，碳化使新ITZ的宽度从约25 μm减小到5 μm，其平均显微硬度从62 HV提升至96.5 HV。这表明碳化促进了水化产物向界面区的迁移，显著增强了界面的力学性能。

3.4.2. 化学结构分析

XRD和FTIR分析证实了碳化反应的发生：未碳化RCA样品中清晰的氢氧化钙（CH）特征峰在碳化后显著减弱甚至消失，而碳酸钙（CaCO₃）的特征峰则显著增强。这直接证明了旧砂浆中的CH和C-S-H凝胶与CO₂反应生成了CaCO₃。

3.4.3. 孔隙特征与SEM分析

压汞测试显示，随着碳化龄期延长，CPB内部总孔隙率降低，孔径分布向更细的孔隙偏移。C₂₈d-RCA-50具有最低的孔隙率。扫描电镜观察提供了直观证据：未碳化的RCA-50试件界面结构疏松，孔隙和微裂纹多；而经过碳化处理的C₂₈d-RCA-50试件，其ITZ变得极为致密，孔隙减少，大量紧密堆积的菱形CaCO₃晶体填充其中。这种微观结构的致密化是试件显微硬度和抗压强度提高的主要原因。同时，SEM图像还观察到碳酸盐晶体表面被C-S-H凝胶包裹，表明其进一步与水泥中的铝酸盐反应生成单碳铝酸盐（monocarboaluminate），并为C-S-H提供了成核位点，促进了进一步的水化。

结论与讨论

本研究通过宏微观结合的方法，系统探究了碳化改性再生混凝土骨料对矿山胶结膏体充填体性能的影响规律，主要得出以下结论：

首先，碳化处理能显著改善RCA的物理性能。经60天碳化后，骨料的表观密度和堆积密度均有所增加，压碎值大幅降低，吸水率下降，这意味着骨料本身变得更坚固、更密实。

其次，CRCA能显著增强CPB的抗压强度，且增强效果与碳化龄期和掺量紧密相关。其中，掺加50%的28天碳化骨料（C₂₈d-RCA-50）的CPB表现最优，其90天抗压强度达到6.38 MPa，比未掺CRCA的参照组提升了62.76%。这表明存在一个最优的碳化龄期和掺量配比，并非碳化时间越长或掺量越高越好。

从微观机制上看，碳化改性的“魔力”源于多重积极效应。一方面，碳化反应生成的CaCO₃晶体能有效填充CPB内部孔隙，细化孔径分布，降低总孔隙率，实现基体的致密化。另一方面，碳化过程消耗了旧砂浆中的CH，并促进了单碳铝酸盐的生成，为C-S-H凝胶水化提供了丰富的成核位点，从而显著优化了界面过渡区（ITZ）的结构，提高了其显微硬度。在50%掺量下，碳化使旧ITZ的显微硬度提升了31.67%至73.33%，并将新ITZ的宽度从约25 μm缩减至5 μm。这种界面缺陷修复和结构致密化的效应，完全抵消了骨料自身性能退化带来的负面影响。

值得注意的是，尽管CRCA自身的本征强度略低于煤矸石，但CRCA基CPB的宏观强度却显著高于纯煤矸石骨料对照组。这揭示了一个关键机理：CPB的宏观强度主要受骨料-浆体界面过渡区（ITZ）的性能控制，而非骨料自身的本征强度。未经处理的原始RCA表面疏松多孔，会形成充满微裂纹的薄弱ITZ，成为CPB破坏的核心源头；而碳化诱导的ITZ优化和浆体基体致密化所带来的强度增益，远超过骨料本征强度微小差异带来的轻微负面影响。这正是碳化改性后CPB力学性能显著提升的核心机制。

综上所述，最优配比的CRCA-50和CRCA-100完全满足常规矿山CPB的力学性能要求，兼具原材料来源广泛和固废资源化属性优势。综合考虑力学改性效果与RCA资源化利用率，C₂₈d-RCA-50展现出最佳的综合性能，可作为实际矿山膏体充填工程中制备CPB的优选方案。这项研究不仅为建筑垃圾再生骨料的高值化利用开辟了新途径，也为矿山绿色充填提供了一种兼具固废资源化与碳封存潜力的高性能材料解决方案，在环境保护与资源循环领域具有重要的科学意义与应用前景。