碳化再生粗骨料与粉煤灰-硅灰复掺对多孔植被生态混凝土性能的分级调控机制研究

《Frontiers in Materials》：Performance regulation of porous vegetation ecological concrete using carbonated recycled coarse aggregate and fly ash-silica fume blends

　　

专业术语翻译摘要：

再生粗骨料（recycled coarse aggregate, RCA）表面附着旧砂浆中的孔隙、微裂缝及碱性含钙物相限制了其在多孔植被生态混凝土（porous vegetation ecological concrete, PVEC）中的应用。为同时满足PVEC对承载性能、连通孔隙率及低碱性的要求，本研究将再生粗骨料的气态加速碳化与粉煤灰-硅灰（fly ash-silica fume, FA-SF）复掺相结合。研究人员探讨了母体混凝土强度、再生粗骨料碳化时间及粉煤灰-硅灰替代率对PVEC抗压强度、连通孔隙率和浸出液pH值的影响，并采用热重-微分热重（TG/DTG）分析、X射线衍射（XRD）及扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）研究了含钙物相的演变及骨料-浆体界面过渡区（interfacial transition zone, ITZ）的演化规律。结果表明，当母体混凝土强度等级由C30提高至C50时，再生粗骨料多孔植被生态混凝土（R-PVEC）的抗压强度由3.96 MPa增至5.15 MPa，而浸出液pH值由12.14升至12.62。当来源于C40混凝土的再生粗骨料在20 °C、70%相对湿度及20% CO₂浓度条件下碳化5天时，碳化再生粗骨料多孔植被生态混凝土（CR-PVEC）的抗压强度达到5.63 MPa，相当于碳化7天组抗压强度的98.4%。此外，加速碳化5天后，CR-PVEC的连通孔隙率仍保持在27.99%，而浸出液pH值降至11.68。粉煤灰-硅灰复掺进一步改善了CR-PVEC的综合性能：在25%替代率下，CR-PVEC获得最高抗压强度6.56 MPa；当替代率增至30%时，试件的抗压强度、连通孔隙率和浸出液pH值分别为6.32 MPa、28.55%和10.51。微观结构分析表明，再生粗骨料碳化及粉煤灰-硅灰复掺使估算的Ca(OH)₂含量由1.21%降至0.70%，CaCO₃含量由21.89%增至25.66%，并使ITZ厚度由36 μm减薄至15 μm。再生粗骨料碳化主要调控附着旧砂浆中的含钙物相及局部缺陷，而粉煤灰-硅灰复掺则进一步优化了新浆体及界面结构。两项措施共同增强了CR-PVEC骨架的承载能力并降低了浸出液pH值。

论文解读文章

一、研究背景与问题

废弃混凝土的再生利用可减少天然骨料消耗与固废堆存，是建筑材料循环利用的重要途径。将废弃混凝土破碎筛分制得的再生粗骨料（RCA）用于多孔植被生态混凝土（PVEC），可利用粗骨料堆积形成的连通孔隙实现透水、透气与排水功能，适用于生态护坡、河岸修复等场景。然而，RCA表面附着旧砂浆中存在大量孔隙、微裂缝及碱性含钙物相，这不仅削弱了骨架稳定性和界面荷载传递效率，还会在浸水条件下释放Ca(OH)₂等可溶性碱性组分，使浸出液pH值居高不下，不利于植物生长。现有研究主要关注碳化再生粗骨料（CRCA）在常规致密混凝土中的吸水率、表观密度及耐久性提升效果，而针对RCA预碳化能否在无砂多孔体系中同时增强骨架承载、保持连通孔隙并降低浸出液pH值的系统研究仍较缺乏。此外，矿物掺合料对PVEC新浆体的碱度调控作用与RCA碳化对旧砂浆的改性作用尚未在同一体系中联合考察。为此，研究人员以母体混凝土强度、RCA碳化时间和粉煤灰-硅灰（FA-SF）替代率为主要变量，对R-PVEC开展分阶段优化，旨在揭示RCA加速碳化对旧砂浆、FA-SF复掺对新浆体的分级调控机制，为同时实现承载性能、连通孔隙率和较低浸出液pH值的R-PVEC设计提供科学依据。

二、研究内容与主要结论

研究人员设计了分阶段控制变量的试验方案：首先比较C30、C40、C50三种母体混凝土强度对应的RCA制备的PVEC性能，确定兼顾初始强度与降碱需求的RCA来源；随后固定RCA来源，考察0～7天加速碳化时间对CR-PVEC性能的影响，确定合理碳化时间；最后在天然骨料、未碳化RCA和CRCA三种骨料体系中，考察0%～35% FA-SF替代率对PVEC性能的调控作用。宏观性能测试包括28天抗压强度、连通孔隙率和浸出液pH值，微观表征采用TG/DTG、XRD和SEM-EDS分析含钙物相组成及骨料-浆体界面过渡区（ITZ）演化。主要结论如下：母体混凝土强度由C30增至C50时，R-PVEC抗压强度由3.96 MPa增至5.15 MPa，连通孔隙率保持在27.14%～28.36%，浸出液pH值由12.14升至12.62。综合强度和碱度要求，选用C40混凝土制备的RCA进行后续试验。在20 °C、70%相对湿度、20% CO₂浓度条件下，碳化5天后CR-PVEC抗压强度达5.63 MPa，为碳化7天组的98.4%，连通孔隙率27.99%，浸出液pH值降至11.68；继续延长碳化时间各指标变化很小，故5天为兼顾处理效率与综合性能的合理碳化时间。FA-SF复掺可在CRCA基础上进一步优化性能：25%替代率时CR-PVEC抗压强度最高（6.56 MPa）；30%替代率时抗压强度6.32 MPa、连通孔隙率28.55%、浸出液pH值10.51，综合平衡性更优。微观结果表明，R-PVEC-0、CR-PVEC-0、CR-PVEC-30的估算Ca(OH)₂含量分别为1.21%、0.83%、0.70%，CaCO₃含量分别为21.89%、24.33%、25.66%，ITZ厚度由36 μm依次减薄至23 μm和15 μm。RCA碳化主要促进附着旧砂浆中部分含钙物相转化为CaCO₃，降低系统碱性储备并改善局部缺陷；FA-SF复掺则通过部分替代水泥、火山灰反应及微集料填充进一步减少新浆体Ca(OH)₂含量并优化界面结构。二者形成“旧砂浆处理—新浆体调控—界面结构改善”的分级调控路径，共同提高PVEC骨架荷载传递能力并降低浸出液pH值，同时保留约28%的连通孔隙。

三、主要关键技术方法

本研究采用气态加速碳化方法处理RCA：在20 °C、70%相对湿度、20% CO₂浓度下，将单层均匀铺放的RCA在碳化箱中处理0～7天。PVEC制备采用两阶段投料法，所有试件为100 mm×100 mm×100 mm立方体，标准养护28天后测定抗压强度（GB/T 50081–2019）、连通孔隙率（CJJ/T 253–2016附录A）及浸出液pH值（固液质量比1:3、浸泡24 h）。微观表征采用TG/DTG半定量估算Ca(OH)₂与CaCO₃含量，XRD鉴定晶体物相，SEM-EDS线扫描依据Ca/Si原子比变化估算ITZ厚度。样本母体混凝土采用C30、C40、C50三种强度等级，RCA粒径为10～20 mm；粉煤灰为II级灰，硅灰为非晶态SiO₂含量约94.26%。试验用原材料包括重庆华新燕京水泥有限公司的PC 42.5R复合硅酸盐水泥、天然碎石及河砂等。

四、结果讨论与结论总结

讨论部分指出，RCA碳化对旧砂浆的改性作用主要体现在含钙物相转化和局部缺陷修复，而FA-SF复掺对新浆体的调控作用则体现在减少水泥熟料水化产物生成量、火山灰反应消耗Ca(OH)₂以及改善浆体-骨料界面致密性。浸出液pH值的降低是碳化消耗碱性物相、矿物掺合料稀释与火山灰效应以及界面结构优化共同作用的结果，但离子传输的直接证据尚未获得，界面致密化对碱性组分迁移的定量影响有待进一步研究。研究结论可翻译为：母体混凝土强度显著影响R-PVEC初始性能，C30至C50范围内抗压强度由3.96 MPa增至5.15 MPa，连通孔隙率保持在27.14%～28.36%，浸出液pH值由12.14升至12.62，综合选取C40混凝土RCA进行后续试验；在20 °C、70%相对湿度、20% CO₂浓度条件下，加速碳化5天使CR-PVEC抗压强度达5.63 MPa（碳化7天组的98.4%），连通孔隙率27.99%，浸出液pH值11.68，5天为合理碳化时间；FA-SF复掺可进一步优化性能，25%替代率抗压强度最高（6.56 MPa），30%替代率综合平衡性最佳（6.32 MPa、28.55%、10.51）；微观结果表明，RCA碳化与FA-SF复掺共同调控含钙物相并减薄ITZ（由36 μm减至15 μm），从而增强骨架承载并降低浸出液pH值。本研究未直接测定渗透系数及动态淋溶条件下的离子释放，未来需结合渗透试验、长期淋溶、CO₂吸收量与能耗评估以及植物生长适应性试验，全面评价CR-PVEC的长期生态适用性。