稻壳生物炭与再生混凝土细集料在碳酸氢钠溶液浸泡条件下的协同增值利用：性能与生命周期评价

《Waste Management》：Co-valorization of rice husk biochar and recycled concrete fine aggregate under NaHCO 3-solution immersion: performance and life-cycle assessment

　　

**研究亮点**

- 建筑拆除废弃物与农业废弃物的协同利用可实现水泥基复合材料中固体废物的高效资源回收。
- 碳酸氢钠溶液养护可加速水泥水化并原位生成碳酸盐，从而细化混凝土孔隙结构。
- 3% 的稻壳生物炭替代率可优化力学性能，使28天抗压强度提高17.12%。
- 适当的生物炭掺量可细化孔隙尺寸，降低孔隙连通性，并改善混凝土基体-界面微观结构。
- 生物炭部分替代水泥可实现生物源碳封存，降低净全球变暖潜能值，在3%掺量时达到最优综合性能。

**引言**

在建筑行业低碳转型及碳达峰、碳中和目标追求的背景下，建筑拆除废弃物（CDW）的高值化利用已成为同时减少固体废物处置和碳排放的重要策略（An and Guo, 2024, Gálvez-Martos et al., 2018）。CDW 是全球最大的固体废物源之一（Gálvez-Martos et al., 2018, Shin and Kim, 2022）。再生混凝土细骨料（RFA）由破碎和筛分废弃混凝土而成，由于其固有的材料缺陷，难以用于高附加值应用。因此，RFA 通常仅用于回填等低价值用途，或被堆存或填埋。这些做法占用土地、产生粉尘污染，并增加对天然砂石资源的需求，从而加剧环境退化和资源枯竭（Khatib, 2005, Shi et al., 2016, Li et al., 2024a）。稻壳是另一种主要的农业固体废物，全球年产量估计达1亿至1.5亿吨。传统的处置方法，包括露天堆存、填埋和不受控燃烧，会释放温室气体和颗粒物，造成严重的环境和气候负担（Kordi et al., 2024）。先前的研究还表明，稻壳灰与多种来源的工业固体废弃物的综合利用在减少传统材料消耗和相关碳排放方面具有相当大的潜力（Xu et al., 2026）。因此，RFA 与稻壳废弃物的协同利用为这两种废弃物的高效低碳高值化提供了 promising 的路径。该方法可减少固体废物处置和二次污染，同时支持建筑行业的碳减排和循环低碳发展（Wu et al., 2025a）。

然而，与再生粗骨料相比，再生细骨料（RFA）粒径更小、比表面积更大。其颗粒表面通常附着大量旧砂浆，并含有预存微裂纹和相互连通的孔隙。因此，RFA 通常表现出高吸水率、低表观密度和高压碎指标（Khatib, 2005, Shi et al., 2016, Chen et al., 2024）。这些缺陷会导致拌合过程中自由水吸收不均匀，削弱新水泥浆体与附着旧砂浆之间的粘结，并在硬化复合材料中形成多个薄弱界面区。因此，掺入 RFA 可能会降低混凝土的工作性和力学强度，同时增加其干燥收缩。这些不利影响限制了 RFA 在高附加值工程中的应用（Kirthika and Singh, 2020, Su et al., 2023）。目前修改 RFA 的方法主要涉及去除附着旧砂浆、填充内部孔隙、强化界面区和进行碳化处理。机械研磨、多级破碎和热处理可以去除部分松散附着的砂浆，但这些方法通常需要大量能源并产生大量细粉（Fan et al., 2015, Shi et al., 2016, Su et al., 2023）。酸处理也可以减少附着水泥浆体的数量，但可能导致活性含钙相的损失、酸性废水的产生和微裂纹的扩展（Su et al., 2023）。预湿、聚合物浸渍、火山灰浆料包覆和生物矿化可以改善 RFA 的孔隙结构或界面性能，但其效果受限于渗透深度有限、包覆不均匀和材料不相容（Shi et al., 2016）。因此，尽管传统改性方法可以改善 RFA 的某些性能，但仍受限于高能耗、环境影响、处理不均匀以及无法同时增强多种材料性能。

碳化处理可将附着旧砂浆中的氢氧化钙、水化硅酸钙（C-S-H）及其他含钙相转化为碳酸盐产物，这些产物可能填充孔隙并修复界面缺陷（Von Greve-Dierfeld et al., 2020, Villain et al., 2007）。先前的研究表明，碳化再生砂和再生骨料可以表现出改善的断裂和界面性能。然而，碳化的效果在很大程度上取决于材料类型和所考虑的性能指标。因此，无法一致地实现工作性、强度、抗收缩性和断裂性能的同步提升（Tang et al., 2023, Tang et al., 2024）。传统气-固碳化还受限于 CO? 渗透有限、反应不均匀、处理时间长以及特定设备要求。相比之下，NaHCO? 溶液可以将可移动的溶解无机碳物种引入水泥基材料的孔隙系统中，这些物种可能与孔溶液中的 Ca2? 和含钙水化产物反应生成碳酸盐沉淀（Wang et al., 2019, Seo et al., 2024, Xu et al., 2025）。然而，最终碳酸盐含量可能反映了多种碳来源，包括 NaHCO? 衍生碳、原材料中初始存在的碳酸盐以及背景碳化。因此，从全生命周期角度来看，材料内的碳酸盐形成不能直接解释为净去除等量额外 CO?（ISO 14040, 2006a; ISO 14067, 2018）。

生物炭是一种通过在氧气受限条件下对生物质进行热化学转化而产生的富碳多孔材料。其独特的颗粒形貌、多孔结构和稳定的有机碳含量使其成为低碳水泥基材料中的一种 promising 组分（Leng et al., 2021, Ye et al., 2025）。先前的研究表明，生物炭可以通过微填充、非均相成核、吸水释水以及内部养护来调节水分分布、水泥水化和孔隙结构。然而，这些效果在很大程度上取决于生物质原料、热解条件、粒径、预处理方法和生物炭掺量（Zhang et al., 2022, Gupta et al., 2018, Wang et al., 2020, Ling et al., 2023）。Chen et al.（2022a）观察到含有预浸泡木质生物炭的氧化镁水泥体系中水化产物生成量增加，其发现为生物炭的储水和界面调节效应提供了机理见解。然而，该结合体系与本研究所研究的胶凝体系不同。在生物炭部分替代细骨料的砂浆体系中，其掺量、原料类型和粒径共同影响力学性能、水分传输和微观结构，这些发现进一步表明生物炭的效果具有高度的参数依赖性（Ye et al., 2025, Ling et al., 2023, Chen et al., 2026）。稻壳生物炭（RHB）以多孔结构和相对较低的硅含量为特征，可能通过颗粒填充效应、吸水释水以及潜在的火山灰活性对水泥基材料作出贡献。然而，其有效性仍取决于热解条件和材料组成（Kordi et al., 2024, Ye et al., 2025）。Huang et al.（2025）进一步表明，在700°C 下热解的 RHB 表现出高反应活性，其火山灰反应和内部养护效应促进了水泥水化和界面过渡区中水化产物的积累。

总体而言，在再生细骨料（RFA）碳化改性和生物炭掺入水泥基材料方面已取得了相当大的进展，但它们在统一实验体系中的协同效应仍了解不足。大多数先前的研究仅考察了再生骨料的碳化或生物炭的掺入，对其对材料性能的联合影响关注有限。特别是，含有不同稻壳生物炭（RHB）替代水平的 NaHCO? 溶液养护再生细骨料混凝土的力学性能、孔隙结构、物相组成和碳酸盐形成等方面的系统多尺度比较仍然稀缺。此外，水泥稀释效应、颗粒填充效应以及由 RHB 替代水泥并在 NaHCO? 溶液中养护混凝土所引起的碳酸盐反应之间的相互作用尚未得到充分阐明。现有证据也不足以确认 RHB 与 NaHCO? 之间存在额外的直接化学协同效应。因此，在没有直接实验证据的情况下，不应假定存在这种协同效应。为填补这些研究空白，本研究将 RFA 替代比固定在50%，并使用 RHB 部分替代水泥，所得试件在 NaHCO? 溶液中养护。利用抗压强度、表观质量变化、X 射线衍射、热重分析、压汞法和扫描电镜等方法，评估了不同 RHB 替代水平下宏观性能、孔隙结构、物相组成和微观结构的变化。还进行了全生命周期评估和成本分析，以评价配合比的环境和经济性能。本研究旨在确定所考察范围内合适的 RHB 替代水平，阐明 RHB 掺入与 NaHCO? 溶液养护对再生细骨料混凝土的协同效应，并为建筑和农业废弃物的协同高值化提供实验依据。

**原材料与试件制备**

本研究设计生产目标强度等级为 C30 的低碳混凝土，采用42.5 级普通硅酸盐水泥、由建筑拆除废弃物制成的再生混凝土细骨料（RFA）和稻壳生物炭（RHB）作为主要原材料。原材料来源和制备过程如图1所示。水泥符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175–2023）的要求。RFA 通过破碎……

**质量变化与力学性能演变**

图2展示了不同生物炭替代水平的再生细骨料混凝土在 NaHCO? 溶液养护下的质量变化和抗压强度发展。结果表明，所有试件组的质量变化率和抗压强度均随养护龄期总体上增加。结合 XRD 和 TG 结果，这些发现表明在研究的养护期内水化产物和碳酸盐相共存。这种共存……

**结论**

本研究探讨了建筑拆除废弃物与农业固体废弃物的协同高值化利用。在再生细骨料替代比为50%的条件下，使用稻壳生物炭部分替代水泥，试件在 NaHCO? 溶液中养护。系统地评价了所得混凝土的力学性能、孔隙结构、物相演变以及环境和经济性能。主要结论如下：

（1）RHB 替代率的影响……

**局限性与未来展望**

本研究对 NaHCO? 溶液养护的稻壳生物炭改性再生细骨料混凝土进行了初步调查，评估涵盖了宏观性能、物相组成、热质量损失行为、孔隙结构以及环境和经济性能。由于实验设计和表征尺度的限制，当前结果主要反映了所考察养护体系中不同生物炭替代水平之间的相对差异……

**作者贡献声明**

马丹丹：撰写–审阅与编辑，撰写–原始稿，调查，数据整理。
刘德文：撰写–审阅与编辑。
孙伟伟：撰写–审阅与编辑。
罗锦亮：撰写–审阅与编辑，调查。
吴杰：撰写–审阅与编辑，调查。

**资金资助**

国家自然科学基金（52168072, 51808467）。
云南省教育厅自然科学基金项目（2024Y603）。
云南省高层次人才支持项目（2020）。

**利益冲突声明**

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

马丹丹 | 刘德文 | 孙伟伟 | 罗锦亮 | 吴杰