废弃混凝土再生微粉的基本问题及应用_肖建庄.pdf

，.，.基金项目：国家杰出青年科学基金（）（）：.废弃混凝土再生微粉的基本问题及应用肖建庄，叶涛华，隋同波，潘智生 同济大学土木工程学院，上海 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 同济大学工程结构性能演化与控制教育部重点实验室，上海 中国中材国际工程股份有限公司，北京 香港理工大学土木与环境工程学院，香港 废弃混凝土的资源化及再生骨料的研究与应用已取得显著突破。然而，废弃混凝土再生微粉的相关研究仍十分有限。本文重点讨论了再生微粉的加工制备、组分表征与改性处理，厘清了再生微粉的高组分离散性与低活性指数等问题的根本原因，并构思了一种新型制备路径，即在再生微粉的传统制备工艺中引入颗粒整形与强力磁选技术，再进行碳化改性。通过以超高浆体含量的碳化再生微粉作为输出，有望解决再生微粉的上述共性难题。此外，本文还讨论了再生微粉的低碳应用场景，如再生微粉硅酸盐水泥、打印再生砂浆以及全再生混凝土。再生微粉的深入研究与高品质应用对提高废弃混凝土的资源化率以及促进建筑业的绿色低碳发展具有重要意义。关键词 废弃混凝土 再生微粉 组分表征 改性 低碳应用中图分类号：文献标识码：，（，），引言水泥工业的深度脱碳有助于我国“双碳”目标的实现。当前，实现水泥低碳化的主要途径有使用替代燃料、降低熟料用量等。根据国际能源署的报告可知，在上述途径中，降低熟料用量具有最显著的减碳潜力，如图 所示。其中，应用辅助胶凝材料替代水泥熟料是降低其用量的主要手段。然而，在我国，由于限煤、转型升级与分布不均等，粉煤灰和高炉矿渣等辅助胶凝材料的获取难度逐渐增大。因此，有必要开发一种符合我国国情的新型辅助胶凝材料以降低熟料用量，进而推动建筑业高效减碳。与此同时，由于激增的年排量，废弃混凝土的再利用成为“无废城市”建设的难题之一。据预测，我国废弃混凝土年排量从 年的 亿 将增至 年的 亿。为推进废弃混凝土的回收再利用，本团队梳理了废弃混凝土再生骨料与再生混凝土的研究进展，并指导建成了多个再生混凝土示范性建筑，如位于上海五角场的 层办公楼（年竣工）。特别地，再生微粉（本文如无特殊说明，均指代废弃混凝土再生微粉）作为废弃混凝土的另一资源化产品，通常约占其质量的。一方面，再生微粉具有极低的碳足迹，约为 。另一方面，再生微粉具有就地取材等优点。此外，当中值粒径小于 时，再生微粉可满足 对辅助胶凝材料活性指数的基本要求。图 水泥业常用减碳方法的效率评价（注：指碳捕捉、利用与储存技术）（：，）基于上述背景，应用再生微粉替代水泥熟料的可行性已受到广泛关注，国内也已建立相关标准，如 。但随着研究的不断深入，再生微粉的应用暴露出一些亟待解决的关键问题。其中，对辅助胶凝材料活性指数的要求已无法满足混凝土日益增长的高性能化需求，因此，再生微粉的活性指数亟待进一步提升。表，总结了近三年与再生微粉相关的综述文献。显然，再生微粉的改性成为当前研究的热点。特别地，尽管目前的研究涵盖再生微粉从生产到应用的各个阶段，但是并未对其高组分离散性（矿物相种类的数量变化大）这一关键问题“追根溯源”。综上所述，本文将从母体混凝土的角度出发，对再生微粉从生产到应用的各个阶段进行深入思考，探明其两大基本问题（即高组分离散性与低活性指数）的根本原因与解决方案，进而推动废弃混凝土的高效资源化和再生微粉的高值化利用。废弃混凝土再生微粉的加工制备 硬化混凝土通常由三部分组成：粗骨料、细骨料与硬化浆表 近三年与废弃混凝土再生微粉相关的综述文献 作者发表年综述内容 等再生微粉的物理化学性质；掺杂再生微粉的水泥基复合材料的基本性能；再生微粉的其他应用 等再生微粉的制备；再生微粉的物理化学性质；掺杂再生微粉的水泥基复合材料的基本性能；再生微粉的预处理 等再生微粉的潜在应用场景 等热活化再生微粉的物理化学性质；影响热活化再生微粉水泥基本性能的因素 等碳化再生微粉的物理化学性质；掺杂碳化再生微粉的水泥基复合材料的基本性能体。相应地，除人工与机械分选外，废弃混凝土的传统回收工艺也分为三个阶段，分别以再生粗骨料、再生细骨料和再生微粉为主要输出，如图 所示。显然，传统工艺是一种单线程的简单工艺，具有操作便捷等优点。然而，其缺点也十分突出。等的研究表明，再生粗骨料的老砂浆含量变化很大，最高含量可达 。等的研究表明，随着老砂浆含量的增加，再生粗骨料的耐磨性与再生混凝土的强度显著降低。由此可见，由于老砂浆的存在，再生骨料的性能较差且存在极大的差异性。由图 可知，再生微粉是由废弃混凝土经二次筛分后剩余的砂粉（磨细的细骨料粉末）与硬化水泥浆共同研磨所得。换言之，当采用相似的制备工艺时，再生微粉中砂粉的含量在极大程度上取决于母体混凝土的骨料用量与砂率。通常，混凝土细骨料主要由硅质河砂和 或钙质碎石组成。因此，通过对比硅酸盐水泥与再生微粉中和 或的含量，可大致估算再生微粉中图 再生微粉的（）传统制备工艺和（）新型制备工艺（注：颗粒整形应用于再生细骨料的可行性详见参考文献）（）（）（：）材料导报，（）：砂粉的含量。在 等的研究中，当母体混凝土的细骨料为河砂时，再生微粉的 含量仅为 ；在 等的研究中，尽管母体混凝土的细骨料也为河砂，但是再生微粉的 含量高达 。由此可见，由于砂粉的存在，再生微粉的组分也存在明显的差异性。此外，砂粉中 和往往分别以石灰石、石英等高结晶相的形式存在，因此再生微粉的活性指数较低。为克服上述问题，本文提出了一种新型再生微粉制备工艺的设想，如图 所示。基于传统工艺，新型制备工艺增添了颗粒整形技术和强力磁选技术。一方面，由于碰撞、磨损和剥离作用，颗粒整形可有效去除老砂浆，改善骨料的颗粒形状，从而制备具有极低老砂浆含量的再生骨料。等指出，颗粒整形可使再生粗骨料的老砂浆含量降低至。因此，颗粒整形可有效提高再生骨料混凝土的力学性能。另一方面，强力磁选可有效分离出再生微粉中粒径小于 的砂粉，制备具有极高净浆含量的再生微粉。等发现，强力磁选可使粒径为 的再生微粉的净浆体积高达，其原理在于硅质与钙质细骨料具有抗磁性，而经过干燥处理的水泥浆具有顺磁性。相应地，新型制备工艺将产生三种高附加值产品，即具有极低老砂浆含量的再生骨料、细砂粉和具有极高净浆含量的再生微粉，前两者可分别用于制备高强再生混凝土与超高性能混凝土。过去，颗粒整形技术也被认为存在两大问题，即能耗高和去除后的老砂浆难以再利用。在新型制备工艺中，颗粒整形技术不存在上述问题。首先，由于再生骨料与再生微粉的制备过程以机械力为主，颗粒整形技术与传统制备工艺有着极高的契合度。其次，由颗粒整形技术获得的再生骨料有着显著的品质提升。因此，当面向同一设计荷载时，再生混凝土及其胶凝材料的用量降低，此环节所减少的能耗与碳排放或可抵消颗粒整形过程中的能耗与碳排放。最后，将颗粒整形技术与强力磁选技术相结合，老砂浆可增值为细砂粉和具有极高净浆含量的再生微粉。废弃混凝土再生微粉的组分表征将具有极高净浆含量的再生微粉合理近似为再生净浆粉。考虑到后者的组分离散性和活性指数会受母体混凝土配合比和养护条件等因素的显著影响，本文进一步剖析了长期水化后净浆的相组成随母体混凝土条件变化的规律。基于最小吉布斯自由能原理，热动力学模型可较为精确地预测体系在反应达到几乎平衡时的详细信息，如物相组成及含量。等调查了石灰石粉替代对硅酸盐水泥净浆水化的影响，如图 所示。替代前，硅酸盐水泥净浆的水化产物主要有水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、水滑石、半碳酸盐、单硫酸盐和钙矾石。其中，单硫酸盐的形成可归因于无石膏体系中铝酸三钙与钙矾石的反应；半碳酸盐的形成可归因于硅酸盐水泥中少量的碳酸钙与铝酸盐的反应，导致单硫酸盐夹层中 被（）替代。类似地，水滑石也是层状双氢氧化物，其阳离子分别为 和。因此，水滑石的形成可归因于体系内少量的氧化镁。石灰石粉替代后，由于大量的 插层且单碳酸盐在热力学上更稳定，硅酸盐水泥净浆会优先生成单碳酸盐，而非碳酸盐和单硫酸盐。等还调查了不同类型普通硅酸盐水泥净浆的水化产物。根据 的要求，型水泥和 型水泥的主要区别在于石灰石粉的含量，分别约为和。因此，等的研究结果与 等的研究结果高度相似，如图 所示。需要注意的是，等报道了硅质水榴石的存在。类似于水铝黄长石，硅质水榴石也隶属于单硫酸盐类层状双氢氧化物。然而，硅质水榴石的形成条件存在争议。等认为，硅质水榴石通常出现在 高 温 养 护 的 普 通 硅 酸 盐 水 泥 净 浆 中。相 反，等则认为，当体系含有足够多的活性 时，无需高温条件，硅质水榴石即可作为稳定相生成。因此，在热动力学模拟中，等优先假定硅质水榴石的饱和指数始终小于，而 等则不对其饱和指数进行限定。此外，等和 等分别调查了水胶比、养护温度对硅酸盐水泥净浆水化的影响。结果表明，当水胶比为 或养护温度为 时，硅酸盐水泥净浆的水化产物种类不受影响。在辅助胶凝材料替代方面，等调查了粉煤灰替代对硅酸盐水泥净浆水化的影响，如图 所示。粉煤灰替代后，研究结果与 等的研究一致，即适量的粉煤灰替代不会改变硅酸盐水泥净浆的水化产物种类。然而，粉煤灰替代后，由于大比例粉煤灰替代的稀释作用和粉煤灰的火山灰活性，相同水化龄期下体系的氢氧化钙含量显著降低。等还研究了矿渣替代对普通硅酸盐水泥净浆水化的影响，如图 所示。低掺量的矿渣替代不会导致普通硅酸盐水泥净浆的水化产物种类发生改变，这与 等的研究结果大致相同。类似于 等的研究，矿渣替代后，体系的氢氧化钙含量显著降低；同时，体系的单硫酸盐和半碳酸盐转化成单碳酸盐，且体系中存在水铝黄长石。因为水铝黄长石会与氢氧化钙反应生成硅质水榴石，所以水铝黄长石的出现是体系内氢氧化钙耗尽的结果。最后，偏高岭土替代对普通硅酸盐水泥净浆水化的影响可参考石灰石煅烧粘土水泥复合材料的测试数据，研究结果与粉煤灰和矿渣替代的研究类似，如图 所示。值得注意的是，由于加入富铝辅助胶凝材料，水化硅酸钙凝胶的 比降低、比增加，从而形成 掺杂的水化硅铝酸钙凝胶。由上述典型案例可知，受水泥类型、水胶比、养护温度、辅助胶凝材料替代等条件的影响，除未反应原料外，再生净浆粉的矿物种类可能还包括水化硅（铝）酸钙凝胶、氢氧化钙、钙矾石、单硫酸盐、半碳酸盐、单碳酸盐、水滑石、硅质水榴石和水铝黄长石，具体含量随反应条件而变化。显然，即使采用新型制备工艺，具有极高净浆含量的再生微粉仍存在较高的组分离散性。此外，由于长期水化后未水化熟料的含量低，具有极高净浆含量的再生微粉的活性指数也较低。废弃混凝土再生微粉的基本问题及应用 肖建庄等 图 （）石灰石粉替代对水化 的硅酸盐水泥净浆组分的影响；（）水泥类型对水化 的普通硅酸盐水泥净浆组分的影响；（）粉煤灰替代对水化 的硅酸盐水泥净浆组分的影响；（）矿渣替代对水化 的普通硅酸盐水泥净浆组分的影响；（）偏高岭土替代对普通硅酸盐水泥净浆长期水化的影响（注：、（）、和 分别指石灰石粉、粉煤灰、矿渣、偏高岭土、水泥熟料、碳酸钙、水化硅（铝）酸钙、氢氧化钙、钙矾石、单硫酸盐、半碳酸盐、单碳酸盐、水滑石、硅质水榴石和水铝黄长石）（电子版为彩图）（）；（）；（）；（）；（）（：，（），（），）废弃混凝土再生微粉的改性处理前两节揭示了再生微粉的两大基本问题（即高组分离散性与低活性指数）的主要成因，包括母体混凝土的骨料用量和砂率以及母体混凝土的胶凝体系设计。此外，还提出了新型的再生微粉制备工艺，消除前者的不利影响。然而，后者对再生微粉的组分离散性和活性指数的不利影响尚未得到有效解决。因此，本节将进一步探讨具有极高净浆含量的再生微粉的两大基本问题的解决方案。机械活化机械活化是一种不影响矿物组成、仅改变固体颗粒表面反应性的物理方法。等的研究表明，当水胶比为 且替代率为 时，掺加平均粒径为 的混杂建筑固废再生微粉的水泥净浆的 抗压强 度约为，比掺加平均粒径为 的混杂建筑固废再生微粉的水泥净浆的 抗压强度高约。等的研究也表明，当水胶比为 且替代率为 时，掺加中值粒径为 的混杂建筑固废再生微粉的水泥净浆的 抗压强度为 ，比掺加中值粒径为 的混杂建筑固废再生微粉的水泥净浆的 抗压强度高。可以预期，机械活化可有效提高再生微粉的活性指数。等的研究表明，当中值粒径小于 时，再生微粉可满足 对辅助胶凝材料的活性指数的基本要求。首先，活性指数的提高可归因于颗粒细度，显著影响着水泥的水化、放热和硬化的速率。其次，机械活化可有效改善再生微粉的颗粒形貌，减少其表面裂纹，并暴露出内部未水化的部分。此外，在机械活化过程中，尽管物相组成不改变，但是衍射峰强度发生微小变化。这说明，由于机械研磨，材料的晶体结构会变得无序，并且伴随着缺陷或其他亚稳态特征出现。热活化热活化是一种通过改变矿物组成以提高再生微粉活性指数的有效方法。当前，热活化对再生微粉活性指数的提升效率已被广泛研究。等指出，由热活化再生微粉（、）制成的水泥净浆的 抗压强度高达 ，约为普通硅酸盐水泥净浆的。等的研究也表明，由热活化再生微粉（、）制成的水泥砂浆的 抗压强度为 ，约为普通硅酸盐水泥砂浆的。此外，和 的研究表明，由热活化再生微粉（、）制成的水泥砂浆的 抗压强度为 。显然，热活化是一个复杂的物理化学过程，受诸多参数的影响，如升温速率、峰值温度、恒温时间和降温速率，。由于参数取值不同，热活化再生微粉的矿物相种类及含量会截然不同，导致其组分更为复杂，进而使由热活化再生微粉制成的水泥基复合材料性能表现出差异性。特别地，即使采用相同参数，热活化再生微粉的主要水化相（如水化硅酸钙凝胶）的特征也不明确。因此，有必要预设热活化参数的最佳取值。假定升温速率为 ，通过基于中心复合设计的响应面设计，和 调查了热活化过程中峰值温度、恒温时间和降温速率的最佳取值。结果表明，峰值温度对热活化再生微粉活性指数的影响最大，其次是恒温时间和降温速率。此外，峰值温度、恒温时间和降温速率对由热活化再生微粉制成的水泥净浆的 抗压强度的影响是非线性的。据报道，当以净浆的 抗压强度为期望时，再生微粉的最佳峰值温度和恒温时间分别约为 、。尽管研究未披露最佳降温速率，但是可以预期，热活化过程的最佳降温方式为快速冷却。因为热活化再生微粉在自然冷却过程中会吸收水蒸气和二氧化碳，使氧化钙变成氢氧化钙和碳酸钙，所以自然冷却可能导致热活化再生微粉的活性指数降低。基于此，本文评估了最佳峰值温度（）对热活化再生微粉的组分离散性的影响。简化考虑，采用四点假设：（）以水化 的 石灰石粉样品作为研究对象，其组分包括硅酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙、水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、水滑石、碳酸钙、单碳酸盐和钙矾石，如图 所示；（）升温速率对热活化再生微粉的组分离散性的影响忽略不计；（）实测温度为 且粉体受热充分；（）热活化再生微粉在快速冷却过程中组分不变。根据 和 的研究，热活化后，再生微粉的水化硅酸钙特征会消失，并出现多晶型硅酸二钙的显著特征，含、和 四类，如式（）所示。因为上述四类硅酸二钙涵盖其所有晶型，所以未水化颗粒的硅酸二钙也在其中。和材料导报，（）：的研究还表明，热活化不影响硅酸三钙和铁铝酸四钙的含量。其他相在高温作用下的热分解反应如式（）式（）所示。约 ：单碳酸盐和钙矾石受热分解，形成单硫酸盐和碳酸钙。这是由于单硫酸盐在高温下具有比单碳酸盐和钙矾石更高的热力学稳定性。约 ：钙矾石受热分解，形成单硫酸盐和半水石膏。约 ：单硫酸盐受热分解，形成水榴石（即硅质水榴石中 含量为）和半水石膏。约 ：半水石膏受热脱水，形成无水硫酸钙。约 ：水榴石受热分解，形成铝酸钙（）和氢氧化钙。特别地，氢氧化钙和碳酸钙分别在 、范围内受热分解，形成氧化钙。此外，等的研究表明，水滑石的受热分解分为三个阶段，即吸附水蒸发、层间水蒸发以及结构性脱羟基。等和 报道了类似的现象，即 下，水滑石受热分解，形成氧化镁和铝酸镁（）。（多晶型）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）图 展示了最佳参数下热活化对再生微粉矿物相的影响，可以看到，热活化对再生微粉的组分离散性几乎没有影响，但对其活性指数的提升十分显著。一方面，具有反应性的未水化颗粒被保留，且热力学稳定的水化硅酸钙凝胶转变成具有反应性的多晶型硅酸二钙（以 为主）；另一方面，还检测到具有反应性的氧化物（和）和铝酸钙水泥的反应原料（和）。值得注意的是，由热活化再生微粉制成的水泥基复合材料的减碳潜力有待考究。一方面，热活化是一个高耗能高排放的过程。另一方面，混凝土生产过程排放的 总量的 会在其服役期间被回收，而热活化会使这部分碳二次释放。碳化碳化处理是指再生微粉在一定温湿度环境下与 反应的过程。与机械活化和热活化相比，碳化处理具有流程简单、操作简便、碳固定等优点。因此，碳化处理成为再生微粉使用最广泛的预处理手段。碳化程度是再生微粉碳化过程的唯一因变量，通常取。值得注意的是，通过调查 浓度、压强、碳化时间等因素对再生微粉碳化程度的影响，等发现再生微粉的最高碳化程度仅为。上述矛盾可归因于表征方法的不同。一方面，前者通过表征水化硅酸钙凝胶的最终碳化产物（无定形硅胶，如式（）所示）的硅链特征来揭示再生微粉的碳化程度。等指出，随着碳化的进行，水化硅酸钙凝胶的 和 位点比例逐渐减小，最终近似为。因此，硅胶将不再具备水化硅酸钙的硅链特征，即水化硅酸钙凝胶已完全解聚。另一方面，后者通过测定碳酸钙的热分解量来表征再生微粉的碳化程度。显然，由于硅胶吸附少量的，通过测定碳酸钙的热分解量将低估再生微粉的碳化程度。因为大气环境（浓度约为 、温度低于 ）的碳化作用耗时极长，所以为获取完全碳化的再生微粉，碳化处理常与加速技术结合使用。当前，再生微粉的加速碳化技术主要有由 规定的高浓度加速碳化（浓度约为、温度约为 ）、高浓度高温加速碳化（浓度约为、温度约为 ）以及两步湿法碳化等。根据 等的研究，高浓度高温加速碳化制备的碳化再生微粉的组分离散性（本文关注的重点）与高浓度加速碳化类似。此外，两步湿法碳化的目的是将再生微粉增值为不同类型的碳酸钙产品（如文石晶须与球霰石）与纳米二氧化硅，并另作他用，与本文的初衷（应用再生微粉替代水泥熟料，推动建筑业减碳）不相符。因此，本文主要讨论依据 制备的碳化再生微粉的组分离散性与活性指数。需要注意的是，即使采用加速碳化技术，碳化再生微粉的制备耗时仍较长，这是因为无定形硅胶总是以包裹颗粒的形式生成，可延缓内部微粉颗粒的碳化进程。以水化 的 石灰石粉样品作为研究对象，本文评估了碳化对再生微粉（碳化程度为，下同）的组分离散性的影响。等归纳了水化硅酸钙凝胶、硅酸二钙、硅酸三钙、铁铝酸四钙、氢氧化钙和钙矾石的碳化进程，如式（）式（）所示。等认为，单碳酸盐的最终碳化产物为碳酸钙和无定形铝胶，如式（）所示。等证实了上述现象，即随着碳化的进行，体系的 和 会以无定形凝胶的形式析出。同时，等还指出，水滑石的最终碳化产物为白云石（）和无定形铝胶，如式（）所示。（凝胶）（）（凝胶）（）（凝胶）（）（）（凝胶）（）（）（）（）（）（）废弃混凝土再生微粉的基本问题及应用 肖建庄等 （）（凝胶）（）（）（凝胶）（）（）（）（白云石）（）（凝胶）（）图 总结了碳化处理对再生微粉矿物相的影响，可以看到，与机械活化和热活化相比，碳化对再生微粉的组分离散性的改善作用最显著。特别地，碳化处理可使再生微粉的矿物相种类的数量与硅酸盐水泥相当。这充分表明，碳化处理可有效解决再生微粉的组分离散性难题。需要注意的是，本文仅调查了热活化与碳化对母体混凝土胶凝体系为硅酸盐水泥的再生微粉的组分离散性的影响。当母体混凝土的胶凝体系发生变化时，碳化处理降低再生微粉的组分离散性的有效性仍需进一步探究。图 由式（）式（）得到的热活化和碳化对再生微粉的相组成的影响以及碳化再生微粉与硅酸盐水泥的相组成的对比（注：为避免不同研究的数据可能带来的误差，硅酸盐水泥的相组成数据也取自 等的研究；为了简化考虑，忽略质量小于 的微量相对相组成的影响）（：，；，）此外，等发现，当水胶比为 且替代量为 时，掺加再生微粉的水泥净浆的 抗压强度比硅酸盐水泥净浆低约，而掺加碳化再生微粉的水泥净浆的 抗压强度与硅酸盐水泥净浆相当。这表明，碳化处理不仅降低了再生混凝土粉的组分离散性，还提高了其活性指数。通常，热力学稳定的微晶碳酸钙可提供填充作用，降低浆体的孔隙率。其次，无定形硅胶可与新拌浆体的氢氧化钙迅速反应，形成水化硅酸钙凝胶。由于表面上硅胶的溶解，碳酸钙可进一步提供成核效应，促进水化反应。此外，碳化处理还可增强再生微粉颗粒与浆体的粘结，提高界面强度。表 进一步总结了上述三种再生微粉改性方法的现状。一方面，尽管碳化处理可提高再生微粉的活性指数，但是与热活化相比，碳化处理的提升程度有限；另一方面，与碳化相比，机械活化和热活化无法改善再生微粉的组分离散性。此外，由热活化再生微粉制成的水泥基复合材料的碳排放值得关注。表 机械活化、热活化和碳化在再生微粉中的现状 ，方法组分离散性活性指数提升机理展望技术不足机械活化几乎不变 提升比表面积增加；微观形貌改善；非晶化降低组分离散性干磨法易粘壁；湿磨后烘干易二次团聚热活化几乎不变 显著提升生成具有高反应性的矿物相降低组分离散性；碳排放评估设备要求高（需同时配备高温设备及快速冷却设备）碳化显著降低 提升填充与成核效应；反应性硅胶；产物间化学连结提高成品强度耗时需要注意的是，由于再生微粉颗粒的多孔结构，掺加再生微粉的水泥净浆的标准稠度用水量通常较大。但截至目前，尚未提出有效的解决方案。机械活化会增加再生微粉颗粒的比表面积，进而提高其需水量。热活化会形成大量的游离氧化钙，也会显著增加再生微粉颗粒的需水量。和 指出，为了获得标准稠度，由热活化再生微粉制成的水泥净浆的用水量比普通硅酸盐水泥净浆高两倍以上。此外，由于碳酸钙表面的无定形硅胶具有强亲水性，在同等水胶比条件下，掺加碳化再生微粉的水泥净浆的剪切应力显著大于普通硅酸盐水泥净浆。因此，继高组分离散性与低活性指数后，未来需更多地关注再生微粉的高需水量问题。废弃混凝土再生微粉的低碳应用本节主要关注再生微粉的低碳应用场景，如再生微粉硅酸盐水泥、打印再生砂浆与全再生混凝土。参考 通用硅酸盐水泥与 水泥的命名原则与术语对粉煤灰硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥的定义，本文建议将再生微粉替代量为 的硅酸盐水泥定义为再生微粉硅酸盐水泥。再生微粉硅酸盐水泥 水化进程 等调查了再生微粉替代对普通硅酸盐水泥净浆的水化动力学的影响。结果表明，再生微粉替代可加速净浆的第二水化峰的形成，并降低其峰值。随着再生微粉替代量从增加至，净浆的第二水化峰的形成时间更短、峰值更低。等与 等也观察到类似现象，如图 所示。一方面，第二水化峰的较短诱导期多源自再生微粉的成核效应，可为过饱和溶液中晶体与凝胶的析出提供成核位点，加快氢氧化钙与水化硅酸钙凝胶的形成；另一方面，第二水化峰的较低热值可归因于再生微粉的低反应性。此外，由于水泥熟料的用量降低，再生微粉的稀释效应是造成上述现象的另一成因。相应地，随着再生微粉替代量的增加，净浆的累计水化热逐渐降低，。不同于第二水化峰与累计水化热，关于第一水化峰的特征并未达成共识。等发现，当掺加 再生微粉时，净材料导报，（）：图 再生微粉替代对普通硅酸盐水泥净浆的（）第二水化峰与（）累计水化热的影响（电子版为彩图）（）（）浆的第一水化峰的峰值略微降低，但形成时间不变。等的研究表明，当掺加 再生微粉时，净浆的第一水化峰的峰值增加，且形成时间提前。此外，等报道，再生微粉替代对净浆的第一水化峰的特征几乎没有影响。在峰值方面，等的研究结论似乎更令人信服。一方面，再生微粉的较高碱含量会促进铝酸三钙与硫酸盐的反应，导致更多水化热的释放；另一方面，由于存在未水化颗粒与石膏，再生微粉在润湿后会立即释放大量热。等也报道了再生微粉的高初热率特性。由上述研究可知，再生微粉的反应性对净浆的水化动力学有显著影响，因此其表征至关重要。通常，辅助胶凝材料的反应性可分为两类：水硬性与火山灰活性。水硬性可通过观察辅助胶凝材料与水的反应以及成品的硬化状态来判定。特别地，高初热率证实了再生微粉的水硬性。然而，母体混凝土已经历长期水化反应，导致未水化颗粒与石膏的含量降低，因此，再生微粉的水硬性较低。此外，火山灰活性的检测手段种类繁多，可分为直接法与间接法两类。直接法以 测试为代表。基于此方法，等证实了混杂建筑固废再生微粉（废弃砖再生微粉与废弃混凝土再生微粉以质量比 混合）的火山灰活性。间接检测主要包括测定结合水含量、化学收缩以及氢氧化钙含量等。基于上述方法，等指明，与粉煤灰、矿渣和天然火山灰相比，再生微粉的火山灰活性最低。综上所述，再生微粉的反应性较差，与上文提及的低活性指数一致。耐久性能 等调查了再生微粉替代对纤维增强的全再生骨料砂浆毛细吸水率的影响。结果表明，当再生微粉的替代量从 增加至 时，掺加再生微粉的再生砂浆的 毛细吸水率先减小后增加，最佳替代量约为。一方面，吸水率的降低可归因于再生微粉的填充效应与火山灰活性使砂浆的微观结构更致密；另一方面，吸水率的增加可归因于再生微粉的稀释效应导致水泥熟料的可用量降低、水化产物数量减少。等调查了再生微粉替代对普通硅酸盐水泥混凝土的碳化性能的影响。结果表明，随着再生微粉的替代量从增加至，混凝土的碳化深度逐渐增加，碳吸收量也逐渐增加。等也报道了类似的现象，认为与填充效应相比，再生微粉的稀释效应对混凝土碳化的影响更为显著。此外，因为再生微粉具有火山灰活性，作为碳化缓冲物质的氢氧化钙的含量降低，所以掺加再生微粉的混凝土的碳化深度增加。等调查了再生微粉替代对普通硅酸盐水泥砂浆的氯离子抵抗性的影响。结果表明，由于再生微粉具有稀释效应，随着其替代量的增加，砂浆的非稳态氯离子迁移系数逐渐增大，但是仍满足 的要求。相反，由于再生微粉的适量替代，砂浆的有效氯离子扩散系数逐渐降低。迁移实验在养护 后进行，而扩散实验在养护 后进行，他们认为扩散系数的降低可归因于再生微粉的火山灰活性使砂浆的孔隙结构细化。收缩开裂众所周知，粉煤灰替代可降低水泥基复合材料的早期自收缩。等的研究表明，与粉煤灰相比，掺加再生微粉的硅酸盐水泥净浆的化学收缩更小。可以预期，再生微粉替代对水泥基复合材料的早期收缩有较好的抑制作用。等进一步调查了再生微粉替代对普通硅酸盐水泥净浆收缩开裂的影响。结果表明，再生微粉替代对水泥净浆的抗裂性能几乎没有影响，而 再生微粉替代可显著降低其裂缝宽度，进而提高其抗裂性能。借助有限元模拟，等的研究表明，再生微粉替代对净浆抗裂性能的助益可归因于净浆的收缩参数（收缩应变与相对湿度之比）降低和断裂能提升。打印再生砂浆与传统成型技术相比，打印技术要求材料具有足够的流动性以保证可打印性能，同时还要求其具有高屈服应力以保证可建造性能。这些要求往往需要大幅提高胶凝材料的含量，与建筑业的可持续发展背道而驰。因此，已有研究考虑将再生微粉硅酸盐水泥与 打印技术相结合，在无模板、个性化、智能建造的同时，提高 打印砂浆 混凝土的绿色可持续性。等与 等率先揭示了掺加再生微粉的 打印砂浆的可打印性、可建造性与收缩特性。等进一步调查了再生微粉替代对 打印再生砂浆（含 再生细骨料）性能的影响，通过颗粒堆积模型与最小二乘法对原材料级配进行了优化。由于优异的颗粒堆积行为，当再生微粉的替代量增加至 时，打印再生砂浆的抗压强度与对照组相当。此外，等还揭示了掺杂 再生微粉的 打印再生砂浆的可打印性与可建造性，如图 所示。废弃混凝土再生微粉的基本问题及应用 肖建庄等 图 含 再生微粉与 再生砂的 打印砂浆 全再生混凝土再生骨料成为现代制备混凝土的天然骨料的替代原料。然而，由于“拆除加工施工”三个场地间存在一定的运输距离，再生混凝土的低碳属性仍有争议。对此，考虑在再生混凝土中掺加再生微粉，以显著降低其碳排放。等计算了再生混凝土的生命周期碳排放，如图 所示。从图 可以看出，当不考虑使用阶段的碳吸收时，随着再生粗骨料取代量的增加，再生混凝土的碳排放略微增加，但随着再生微粉替代量的增加，再生混凝土的低碳属性逐渐彰显。特别地，当考虑碳吸收时，无论再生骨料与再生微粉的取代量如何，再生混凝土都具有比普通混凝土更低的碳排放。为进一步推动再生骨料的应用，解决天然砂石急剧短缺导致的骨料难获取的问题，等进一步提出全再生混凝土的概念，即由 再生粗（细）骨料及适量再生微粉制备而成的混凝土，旨在最大程度地利用建筑固废，节约天然砂石资源。图 再生混凝土的生命周期碳排放评价（注：指再生微粉替代量为 且再生粗骨料替代量为 的混凝土）（电子版为彩图）（：）等调查了再生微粉替代量为 的全再生混凝土的力学性能，结果表明，与普通混凝土相比，全再生混凝土的 抗压强度显著降低，但仍满足 混凝土的要求。等进一步分析了全再生混凝土的长期强度的发展。研究表明，由于再生微粉的活性，随着再生微粉掺量的增加，全再生混凝土的后期强度增长（）更为显著，比普通混凝土高。此外，等还探讨了全再生混凝土的本构关系。结果表明，全再生混凝土本构关系的上升段与普通混凝土类似。然而，由于再生骨料或再生微粉的替代，再生混凝土本构关系的下降段变得更陡峭或平缓，如图 所示。图 （）全再生粗和 或细骨料替代对再生混凝土本构关系的影响；（）再生微粉替代对全再生混凝土本构关系的影响 （）；（）关于全再生混凝土的干燥收缩，等的研究表明，随着再生微粉替代量的增加，全再生混凝土的收缩应变逐渐降低；当再生微粉替代量为 时，全再生混凝土的收缩应变降幅约为 。一方面，收缩的改善可归因于再生微粉中的高硬度颗粒，如石英和碳酸钙。另一方面，收缩的改善可归因于再生微粉的稀释作用导致水泥熟料的用量以及水泥净浆的自收缩应变降低。等还调查了不同骨料体系（天然骨料体系、全再生细骨料体系、全再生粗骨料体系与全再生骨料体系）对 打印混凝土力学性能的影响，并揭示了全再生骨料混凝土的可打印性与可建造性。如上所述，在“从摇篮到大门”的计算边界内，再生混凝土的低碳属性需结合再生微粉才得以彰显。此外，打印技术也亟需降低水泥熟料的用量。因此，通过利用再生微粉替代水泥熟料，未来可进一步探究全再生混凝土的可打印性与可建造性。结语对废弃混凝土再生微粉进行“追根溯源”，重点讨论其加工制备、组分表征与改性处理，探明其两大基本问题（高组分离散性与低活性指数）的根本原因与解决方案。在传统制备工艺中，再生微粉由细砂粉与硬化水泥浆共同研磨所得，因此母体混凝土的骨料用量与砂率可决定再生微粉中细砂粉的含量。除细砂粉外，母体混凝土的胶凝体系设计会进一步导致硬化水泥浆中矿物相的种类与数量发生变化。对此，通过引入颗粒整形技术与强力磁选技术来构思一种新型的再生微粉制备工艺，可获取具有极高净浆含量的再生微粉。此外，与机械活化和热活化相比，碳化处理对再生微粉的组分离散性有最显著的改善作用。同时，碳化处理还可矿化固碳，并提高再生微粉的活性指数。因此，结合新型制备工艺与碳化处理技术，再生微粉的高组分离散性与低活性指数的材料导报，（）：难题有望得到解决。从理论分析过渡至实际应用，以替代水泥熟料为例，讨论了再生微粉的多个低碳应用场景，如再生微粉硅酸盐水泥、打印再生砂浆和全再生混凝土，揭示了再生微粉的应用可行性。然而，作为再生微粉的更优解，碳化再生微粉的高效应用有待继续深入。此外，继组分离散性与活性指数之后，未来还需更多地关注再生微粉的高需水量问题，探索新的改性理论与技术。参考文献 ，：，：，：，：（）肖建庄，夏冰，肖绪文，等科学通报，：，：（）肖建庄，张航华，唐宇翔，等科学通报，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：（），：，：（），：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：废弃混凝土再生微粉的基本问题及应用 肖建庄等 ，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：（），：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：，：（）肖建庄，马旭伟，刘琼，等建筑科学与工程学报，：，：，：，：（责任编辑 杨 霞）肖建庄，通信作者，同济大学土木工程学院教授、博士研究生导师，国家杰出青年科学基金获得者，德国洪堡学者，国家重点研发计划首席科学家。主编国内第一本再生混凝土技术规程，获国家科技进步奖二等奖；出版学术专著 本，发表高水平学术论文 余篇，再生混凝土领域的论文成果量列全球首位（数据库），的 指数；连续 年入选 中国高被引学者榜单；连续 年入选全球前 顶尖科学家榜单；兼任国际 再生混凝土结构行为与创新技术委员会 主席、中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会常务理事。主要研究领域为再生混凝土材料与结构。材料导报，（）：