通过机械处理的再生粗骨料在GGBS-白云石地质聚合物混凝土中增强建筑废弃物的循环利用

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Enhancing circular utilization of construction waste through mechanically treated recycled coarse aggregates in GGBS-dolomite geopolymer concrete

　　

在混凝土生产中利用建筑与拆除废弃物对于推进循环经济和减少建筑行业的环境影响至关重要。本研究探讨了机械处理的再生粗骨料（TRCA）在环境养护的GGBS-白云石基地质聚合物混凝土中的有效性。研究人员将未经处理的再生粗骨料（RCA）和TRCA以10%至100%的替代率替换天然粗骨料。TRCA通过洛杉矶磨耗机进行机械磨损处理，确定200转数为最佳处理水平。通过力学、耐久性、微观结构、经济和环境分析评估所得混凝土的性能。未经处理的RCA分别使抗压强度和劈裂抗拉强度降低约14%和26%，而基于TRCA的混合料即使在100%替代率下，抗压强度降低小于3%，抗拉强度降低小于5%。更重要的是，机械处理通过降低吸水率、有效孔隙率、毛细吸水系数、氯离子渗透性和氧气渗透性，显著增强了耐久性能。TRCA混合料还表现出对酸和硫酸盐侵蚀的优异抵抗性，表明在侵蚀性暴露条件下长期耐久性得到改善。SEM-EDX和XRD分析证实了更致密的基体、改善的骨料-粘结剂粘结以及减少的微裂缝，解释了所观察到的工程性能提升。此外，与普通硅酸盐水泥（OPC）混凝土相比，所开发的地质聚合物混凝土将隐含能耗降低30–36%，CO₂排放降低53–56%。结果表明，机械处理能够实现天然粗骨料的完全替代，同时保持力学性能和耐久性，为利用建筑废弃物生产可持续混凝土提供了一条实用路径。

论文解读文章

**研究背景及问题**

建筑业是现代化基础设施的基石，同时也是全球资源与能源消耗最密集的行业之一。普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement，OPC）作为混凝土主要胶凝材料，其生产贡献了全球约5–8%的CO₂排放，且消耗大量不可再生矿物资源与热能，加剧了全球变暖与生态退化。为应对这些可持续性挑战，碱激发材料（Alkali-Activated Materials，AAMs）与地质聚合物得到了广泛关注。地质聚合物混凝土（Geopolymer Concrete，GPC）通过碱激发铝硅酸盐前驱体（如粉煤灰、矿渣等）形成聚合Si–O–Al网络，其CO₂排放比OPC低40–60%，并具有高早期强度、优异的耐化学侵蚀性及热稳定性等优点。然而，GPC的推广应用仍受限于前驱体组成、活化剂浓度及养护条件等因素的敏感性，且低钙体系通常需热养护，限制了现浇施工。同时，天然骨料（Natural Aggregates，NA）的开采导致环境退化，而建筑与拆除（Construction and Demolition，C&D）废弃物全球年产量超1000亿吨，但回收利用率极低。再生粗骨料（Recycled Coarse Aggregates，RCA）因表面附着旧砂浆而具有高孔隙率、高吸水率，导致再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）力学与耐久性能下降。现有RCA处理方法（如热处理、化学处理、碳化处理等）虽有效，但存在能耗高、成本高或规模化受限等问题。机械研磨处理因其成本可控、可规模化而被认为最具实用性。然而，将机械处理后的RCA应用于环境养护的GGBS-白云石基地质聚合物混凝土，并系统评估其长期耐久性与可持续性的研究仍十分有限。

**研究内容与结论**

本研究旨在探究机械处理的再生粗骨料（Treated Recycled Coarse Aggregates，TRCA）在环境养护的GGBS-白云石基地质聚合物混凝土中的有效性，实现RCA 100%替代天然粗骨料（Natural Coarse Aggregates，NCA）。研究人员通过洛杉矶磨耗机对RCA进行机械磨损处理，确定200转数为最佳处理水平，并以10%至100%的替代率将未经处理的RCA和TRCA替换NCA，制备系列混凝土试件。通过力学（抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量）、耐久性（吸水率、有效孔隙率、毛细吸水系数、氯离子渗透性、氧气渗透性、酸与硫酸盐侵蚀）、微观结构（SEM-EDX、XRD）、经济与环境（能耗、CO₂排放）等多维度评价。结果表明：机械处理显著提升RCA质量，使吸水率从2.78%降至0.91%，表观密度提高；基于TRCA的混合料在100%替代率下抗压强度降低小于3%、劈裂抗拉强度降低小于5%，而未经处理RCA混合料分别降低约14%和26%；TRCA混合料在耐久性方面表现优异，吸水率、孔隙率、毛细吸水、氯离子渗透和氧气渗透均显著降低，且抗酸、抗硫酸盐侵蚀能力更强；微观结构分析证实TRCA混合料具有更致密基体、更强骨料-粘结剂界面过渡区（Interfacial Transition Zone，ITZ）及更少微裂缝；此外，与传统OPC混凝土相比，所开发地质聚合物混凝土隐含能耗降低30–36%，CO₂排放降低53–56%。该研究发表于《Sustainable Chemistry and Pharmacy》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用的主要关键技术方法包括：1）RCA机械处理：使用洛杉矶磨耗机进行机械磨损处理，以200转数为最优参数，通过摩擦去除表面附着旧砂浆，改善骨料质量。2）力学性能测试：依据相关标准（如IS 1199等）进行坍落度、抗压强度、劈裂抗拉强度及弹性模量测试，评估新拌与硬化混凝土性能。3）耐久性测试：包括吸水率、有效孔隙率、毛细吸水（sorptivity）、氯离子渗透（RCPT法）、氧气渗透、酸和硫酸盐侵蚀（质量损失与强度损失）。4）微观结构分析：采用扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）和X射线衍射（XRD）观察界面过渡区（ITZ）形貌、基体致密性及反应产物物相。5）环境与经济评价：计算隐含能耗（Embodied Energy）与CO₂排放，并与OPC混凝土对比。样品来源为印度喀拉拉邦国立理工学院土木工程系实验室制备。

**研究结果**

**Workability of fresh concrete（新拌混凝土的工作性）**
通过坍落度测试发现，含NCA的对照组坍落度约108 mm，工作性良好；随未经处理RCA掺量增加（10%–100%），坍落度逐渐降低，主要由于RCA表面粗糙多孔导致摩擦增大；而TRCA混合料的坍落度降低幅度较小，在100%替代率时仍保持约91 mm，表明机械处理可缓解工作性损失。

**Compressive strength（抗压强度）**
28天抗压强度测试表明：未经处理RCA混合料强度随替代率增加显著下降，100%替代时下降约14%；而TRCA混合料在相同替代率下强度降低小于3%，与NCA对照组几乎持平。机械处理通过去除弱质旧砂浆、改善ITZ，使强度损失最小化。

**Split tensile strength（劈裂抗拉强度）**
类似趋势：未经处理RCA在100%替代时劈裂强度降低约26%，而TRCA混合料仅降低约5%，说明TRCA更优的粘结性能有效维持了抗拉强度。

**Modulus of elasticity（弹性模量）**
未经处理RCA混合料的弹性模量随替代率增加而降低，100%时降低约18%；TRCA混合料在100%替代时仅降低3%，与NCA对照组接近，表明TRCA的致密结构提高了整体刚度。

**Durability properties（耐久性能）**
TRCA混合料在吸水率、有效孔隙率、毛细吸水系数、氯离子渗透性（RCPT）及氧气渗透性方面均显著优于未经处理RCA混合料，且在100%替代时仍保持与对照组相近的低值。例如，100%替代TRCA混合料的吸水率为2.1%，而未经处理RCA为4.5%。酸与硫酸盐侵蚀测试（浸泡5% H₂SO₄和5% Na₂SO₄溶液180天）显示，TRCA混合料的质量损失和强度损失均远低于未经处理RCA，归因于更致密的基体限制了离子侵入。

**Microstructural analysis（微观结构分析）**
SEM-EDX显示：NCA对照组ITZ致密、过渡良好；未经处理RCA的ITZ存在明显裂缝与多孔旧砂浆层；TRCA混合料的ITZ明显改善，骨料-基体粘结紧密，微裂缝减少。XRD分析确认了主要反应产物为C-A-S-H和N-A-S-H凝胶，TRCA混合料中未出现额外有害相，且基体更均匀。

**Environmental and cost analysis（环境与成本分析）**
隐含能耗计算显示：OPC混凝土为4.5 GJ/m³，而所开发GPC（100% TRCA）为2.9 GJ/m³，降低36%；CO₂排放降低53–56%。成本分析表明，GPC因使用低成本废弃物原料，整体成本略低于OPC混凝土。

**讨论与结论**

讨论部分指出：机械处理通过去除旧砂浆有效降低RCA吸水率与孔隙率，进而改善力学与耐久性能；地质聚合物基体自身低渗透性与高化学稳定性进一步补偿了RCA的缺陷；TRCA混合料在长期暴露（180天）下仍保持优异性能，表明其适用于侵蚀性环境。经济与环境分析证实了该技术路线的可行性。

**研究结论翻译**
本研究探究了在环境养护的GGBS-白云石基地质聚合物混凝土中利用机械处理的再生粗骨料（TRCA）作为建筑废弃物增值途径的可行性。基于实验结果，得出以下结论：
1. 机械磨损处理通过去除附着砂浆有效改善了RCA质量，使吸水率从2.78%降至0.91%，提高了表观密度。
2. 基于TRCA的混合料在100%替代天然骨料时，抗压与劈裂抗拉强度降低均小于5%，而未经处理RCA混合料强度损失显著更大。
3. 机械处理显著增强了耐久性能：TRCA混合料的吸水率、有效孔隙率、毛细吸水系数、氯离子渗透性及氧气渗透性均大幅降低；同时表现出优异的抗酸与抗硫酸盐侵蚀能力。
4. SEM-EDX与XRD分析证实了更致密的基体、改善的ITZ结合及减少的微裂缝，解释了工程性能的提升。
5. 与OPC混凝土相比，所开发地质聚合物混凝土的隐含能耗降低30–36%，CO₂排放降低53–56%，同时成本与之相当或略低。
6. 该研究证明机械处理能够实现天然骨料的完全替代，为从建筑废弃物生产可持续混凝土提供了一条实用路径。