不同预处理方法对再生细骨料对掺再生粉的地质聚合物砂浆性能的影响

《Buildings》：Effects of Different Pretreatment Methods for Recycled Fine Aggregates on the Properties of Geopolymer Mortar Incorporating Recycled Powder

　　

虽然低碳地质聚合物结合建筑和拆除废物（CDW）提供了一条有前景的循环经济途径，但预处理过的再生细骨料（RFA）与地质聚合物粘结剂之间的协同机制尚未被系统阐明。本研究调查了掺入再生粉（RP）的地质聚合物砂浆掺入RFA的综合性能；研究人员将50%粉煤灰（FA）、25%矿渣（slag）和25%RP作为前驱体生产地质聚合物粘结剂，而RFA的替代率（0%、20%、40%、60%、80%、100%）和预处理方法（碳化和预湿）作为实验参数。研究人员分析了这些参数对再生地质聚合物砂浆（RGM）和再生水泥砂浆（RCM）的流动性、凝结时间、吸水率、抗压强度和微观结构的影响。结果表明：随着RFA替代率的增加，所测量的性能普遍下降。然而，对RFA进行预处理，特别是通过碳化，有效缓解了这些缺点。与未处理的RFA相比，在同等替代率下，使用60%碳化RFA使RGM的抗压强度提高了12%。对RGM和RCM之间性能变化的比较评估显示，地质聚合物砂浆表现出较低的流动性、较快的凝结时间和较高的抗压强度。通过扫描电子显微镜（SEM）进行的微观结构分析表明，与RCM相比，RFA中附着的硬化水泥浆体与地质聚合物粘结剂之间的地质聚合反应显著增强了微观结构密实度。此外，碳化和预湿处理可以减轻砂浆中的裂缝和孔隙。结果表明，与普通水泥砂浆相比，用碳化RFA制备的RGM估计可减少76%的净CO₂排放和14.3%的总成本。本研究建立了一个框架，比较了RFA预处理机制，并为工程师提供了经过验证的预处理策略，用于将CDW升级回收为建筑材料。

**论文解读：不同预处理方法对再生细骨料对掺再生粉的地质聚合物砂浆性能的影响**

**研究背景与问题**
全球每年产生超过20亿吨城市固体废物，其中建筑和拆除废物（CDW）约占40%，预计到2050年将增至38亿吨。未经处理的CDW对土壤和水体造成严重污染，同时加剧天然骨料（NA）的开采需求。利用CDW制备再生混凝土骨料（RCA）是解决上述问题的有效途径，但RCA表面粗糙、多裂纹且附着残余砂浆，导致孔隙率高、表观密度低，进而劣化混凝土性能。为改善RCA性能，常采用酸洗、煅烧、机械研磨等预处理方法，但这些方法存在操作复杂、安全风险或效果有限等问题。预湿处理可提高再生骨料混凝土的工作性和力学性能，碳化处理则能降低RCA的孔隙率和吸水率，兼具经济效益和效率。然而，现有研究大多基于水泥基体系，而水泥生产是碳排放的主要来源之一（每吨波特兰水泥排放0.73–0.99吨CO₂）。地质聚合物作为一种替代粘结材料，可减少约80%的温室气体排放，其前驱体主要包括粉煤灰（FA）和磨细粒化高炉矿渣（GGBFS）。再生粉（RP）——由CDW破碎至粒径小于150 μm的粉末——已被用作新型地质聚合物粘结剂。将再生细骨料（RFA）整合到地质聚合物体系中制备再生地质聚合物混凝土（RGC）或砂浆（RGM），是实现可持续环境、社会和经济发展的重要路径。然而，碳化和预湿这两种预处理方法在地质聚合物体系中的适用性尚未被系统探索，且关于RFA在水泥与地质聚合物基体中的对比研究极少，更缺乏对预处理RFA在异质地质聚合物复合材料中相互作用机制的探讨。本研究旨在填补这一空白，通过建立对比框架，阐明碳化和预湿通过不同机制调控地质聚合反应动力学，并系统评估RFA替代率及预处理方法对RGM性能的影响。

**研究内容与结论**
研究人员以50% FA、25%矿渣和25% RP作为前驱体，制备地质聚合物粘结剂，并以RFA替代率（0%、20%、40%、60%、80%、100%）和预处理方法（碳化、预湿）为实验参数，系统研究了掺RP的RGM和再生水泥砂浆（RCM）的流动性、凝结时间、吸水率、抗压强度及微观结构。结果表明：随着RFA替代率增加，砂浆性能普遍下降，但预处理（尤其是碳化）可有效缓解这些不利影响。使用60%碳化RFA相比未处理RFA，在同等替代率下使RGM抗压强度提高12%。与RCM相比，RGM表现出更低的流动性、更快的凝结时间和更高的抗压强度。扫描电子显微镜（SEM）分析表明，RFA中附着的硬化水泥浆体与地质聚合物粘结剂之间的地质聚合反应显著增强了微观结构密实度。碳化和预湿处理均可减少砂浆中的裂缝和孔隙。此外，与普通水泥砂浆相比，采用碳化RFA的RGM预计可减少76%的净CO₂排放和14.3%的总成本。本研究为RFA预处理机制提供了系统对比框架，并为工程师提供了将CDW升级回收为建筑材料的验证策略，论文发表在《Buildings》。

**关键技术与方法**
本研究主要采用以下关键技术方法：（1）碳化预处理：将RFA浸水12 h后，在碳化箱（压力0.4 MPa，温度20 °C，相对湿度70%）中加速碳化48 h，生成CaCO₃等填充产物。（2）预湿处理：将RFA浸水48 h至饱和面干状态，补充内部水分。（3）性能测试：依据中国标准GB/T 2419-2005测定流动性；依据JGJ-T 70-2009测定凝结时间、吸水率（78 °C干燥48 h后浸水48 h）和抗压强度（加载速率0.24 kN/s）。（4）微观结构分析：采用Ultra55场发射SEM（加速电压15 kV）观察砂浆断面及界面过渡区（ITZ）形貌。（5）灰色关联分析（GRA）：综合流动性、凝结时间、吸水率和抗压强度，计算灰色关联度（GRG）以确定最优RFA替代率。（6）环境与经济分析：基于ISO 14040/14044标准和中国标准T/CBMF 27-2018，核算1 m3砂浆的净CO₂排放和总成本。原材料来源：FA、矿渣和水泥来自四川成都，RP和RFA来自广西。

**研究结果**
（1）流动性
随着RFA替代率增加，砂浆流动性逐步下降，原因在于RFA的高吸水率。RCM的流动性高于RGM，例如在100% RFA替代率下，RGM流动性较RCM降低28.3%。预湿处理的RFA（G2系列）因内部水分逐步释放，流动性随替代率增加而持续提升（从162 mm升至218 mm），提升幅度为2%–54%；碳化处理（G1系列）使流动性保持10%–20%的稳定提升。

（2）凝结时间
RGM的凝结时间随RFA替代率增加而缩短，且普遍短于RCM。其中G0系列（未处理RFA）从0%到100%替代率，凝结时间缩短约56%。碳化处理（G1系列）因生成CaCO₃释放Ca²⁺加速地质聚合，凝结时间进一步缩短。预湿处理（G2系列）在低替代率时影响较小，高替代率时因释放大量水分延缓反应，凝结时间显著延长。

（3）吸水率
未处理RFA的RGM（G0系列）吸水率随替代率增加从4.6%升至13.0%，RGM整体吸水率高于RCM，归因于地质聚合物表面羟基（–OH）的亲水性和复杂孔隙结构。碳化处理（G1系列）在20%–60%替代率时吸水率降至3.4%–4.5%，但80%–100%替代率时因RFA高吸水率占主导而回升。预湿处理（G2系列）吸水率从4.6%升至7.8%，未显著改善孔隙结构。

（4）抗压强度
RGM和RCM的抗压强度均随RFA替代率增加而下降，但RGM始终高于RCM。在0%–100%替代率范围内，RGM（G0系列）强度下降26.2%。在替代率≤40%时，RFA附着的硬化水泥浆体与基体发生二次反应，形成C-A-S-H凝胶，部分补偿界面缺陷，甚至出现强度提升（如RCM含20% RFA时强度提高1.9%）。在80%替代率时，RFA与NFA的颗粒级配优化使强度略有回升（G0-80比G0-60高4.1%）。碳化处理（G1系列）在60%替代率时达到最大强度提升（从49 MPa增至55 MPa，提高12.2%），因CaCO₃填充孔隙并增强ITZ。预湿处理（G2系列）强度变化较平缓，仅在20%和100%替代率时出现显著降低，归因于局部液固比变化。

（5）SEM分析
SEM图像显示，含20% RFA的砂浆微观结构致密，80% RFA时孔隙和裂纹增多，ITZ弱化。RGM中地质聚合物凝胶（C-A-S-H和N-A-S-H）分布均匀，较RCM更密实。碳化后，ITZ被CaCO₃和二次地质聚合产物填充，界面更平滑；预湿处理后未见明显反应产物，但地质聚合反应更均匀，孔隙率降低。

（6）灰色关联分析
GRA表明，未处理RFA（G0系列）在40%替代率时综合性能最优；碳化处理（G1系列）在20%替代率时GRG最高，但60%替代率时GRG（0.7134）接近20%，表明碳化可将有效替代率阈值扩展至60%；预湿处理（G2系列）在60%替代率时GRG最大（0.7121）。综合分析推荐60%碳化RFA为兼顾性能与再生材料利用率的最优配置。

（7）环境与经济分析
碳化RFA的RGM净CO₂排放最低（较普通水泥砂浆减少76%），总成本为86.7–105.2 USD/m3，低于普通水泥砂浆的122.8 USD/m3，证明地质聚合物体系在环境和经济效益上均具有优势。

**讨论与结论**
讨论部分指出，三元前驱体体系（FA、矿渣、RP）是RGM与RCM性能差异的核心。FA通过N-A-S-H凝胶提供长期强度，矿渣通过C-A-S-H凝胶实现室温凝结和早期强度，RP引入第三活性组分，区别于常见的二元配方。与偏高岭土基地质聚合物（需热养护）和锂渣（缺钙）相比，三元体系同时满足工作性、凝结控制和钙源需求，是RFA实际应用的前提。G0系列抗压强度随RFA替代率非单调变化：≤40%时二次反应生成(N,C)-A-S-H和C-A-S-H凝胶，包裹界面缺陷；80%时RFA与NFA的颗粒级配增强密实度，这一填充效应在以往文献中常被忽视。预处理机制方面，碳化通过化学致密化：Ca(OH)₂与CO₂反应生成CaCO₃，填充孔隙、增强界面并作为C-S-H成核位点，SEM证实ITZ致密产物。预湿主要通过物理内养护：在混合、初凝、中凝、终凝三个阶段释放水分，维持反应湿度、缓解自收缩，但未改变RFA内部结构。碳化在改善强度、降低吸水率和致密ITZ方面优于预湿，预湿在提升流动性和凝结时间方面更优。

研究结论翻译如下：
（1）随着RFA替代率从0%增至100%，G0系列的流动性和凝结时间下降，吸水率从4.6%显著升至13.0%；抗压强度在替代率低于40%时仅小幅下降，但在100%替代率时下降26.2%。
（2）与RCM相比，RGM表现出更低的流动性（100% RFA时降低28.3%）、更短的凝结时间和更高的抗压强度（100% RFA时提高14.3%）。SEM分析表明，RFA与地质聚合物粘结剂之间的地质聚合反应形成了更致密的微观结构和更强的界面过渡区（ITZ），这是抗压强度高于RCM的原因。
（3）碳化预处理有效缓解了RFA对抗压强度、吸水率和微观结构的负面影响，而预湿预处理增强了流动性和凝结时间。基于灰色关联、环境和经济分析，使用60%碳化RFA是实际工程应用的最优选择。
（4）预处理方法的比较评估揭示了不同机制：碳化形成的CaCO₃和二次C-A-S-H凝胶优化了RFA的ITZ，有效减少裂缝和孔隙；预湿RFA通过“内养护”为更多地质聚合反应提供水分，对砂浆微观结构产生一定增强作用。
（5）研究结果对RGM在建筑中的部署具有实际意义。强度保持性允许未处理RFA用于非结构或半结构用途，减少天然骨料依赖。碳化预处理提供了增强材料强度的可行途径。预湿带来的流动性改善满足了泵送、浇筑和密实等施工要求。