近几十年来，由于城市化进程加快和大规模全球基础设施项目的推进，混凝土消耗量激增，使其成为世界上使用量第二大的材料，仅次于水[1]。对具有韧性和耐久性的结构需求不断增加，推动了先进混凝土类型的发展，尤其是超高性能混凝土（UHPC），这种混凝土被广泛应用于桥梁、隧道和铁路枕木等关键基础设施中。UHPC因其卓越的机械性能和耐久性而在土木和建筑领域受到青睐。不同国家对UHPC的定义有所不同；例如，美国标准要求其抗压强度至少达到150 MPa，而加拿大标准和亚洲混凝土联合会则要求抗压强度超过120 MPa，并且还要求具备较高的抗拉强度和应变硬化性能[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。
这些优异性能的实现得益于低水灰比、高效减水剂的使用、细颗粒材料的优化填充以及钢纤维的加入[7]、[8]、[9]。然而，UHPC所需的水泥量通常是传统混凝土的三倍[10]、[11]。水泥生产是全球二氧化碳排放的主要来源之一，这主要是由于水泥制造过程中碳酸钙的分解[1]、[12]。因此，UHPC中高含量的水泥引发了严重的环境问题。此外，UHPC的低水灰比限制了水泥的水化过程，导致即使在28天养护后仍有大量水泥未水化[13]、[14]。这些未水化的水泥主要作为填充物使用，与其他昂贵的填充材料（如硅粉和细石英）一起发挥作用[13]、[14]、[15]。因此，减少水泥用量成为追求更可持续建筑材料的关键。开发低碳UHPC符合全球到2050年实现净零排放的目标[16]、[17]、[18]。
广泛可用的辅助胶凝材料（SCMs），如钢铁工业副产品——粒化高炉矿渣（GGBFS），为减少与水泥生产相关的二氧化碳排放提供了可行的策略。大量研究探讨了在UHPC系统中部分替代水泥使用GGBFS的可能性[12]、[19]、[20]、[21]。研究表明，用GGBFS替代高达60%的水泥可以显著提高混凝土的机械强度和耐久性[22]、[23]。这些改进主要归因于微观结构的致密化，这是由于形成了C-S-H凝胶、C-(A)-S-H凝胶等水化产物[15]、[24]。
值得注意的是，在25°C下养护GGBFS基胶凝材料时，会形成低密度的C-S-H凝胶，其CaO/SiO2比例介于1.61至1.79之间[25]、[26]、[27]、[28]。这是因为低温养护降低了GGBFS的反应性，阻碍了强度的发展[23]、[26]。为克服这一限制，研究人员成功开发了利用生石灰（CaO）和多种化学促凝剂激活的无水泥GGBFS基胶凝材料[29]、[30]。这种方法已成功应用于无水泥UHPC系统中，添加生石灰和促凝剂（如甲酸钙和氯化钙）后，混凝土的抗压强度可达到180 MPa[24]、[31]。使用甲酸钙作为促凝剂不仅提高了机械性能，而且相对于基于氯化物的促凝剂，对混凝土的腐蚀性影响较小。尽管取得了这些进展，但由于GGBFS的供应有限，对其长期可持续性的担忧仍在增加。据估计，全球90%以上的GGBFS已被使用，这对其作为大规模水泥替代材料的可行性提出了严重质疑[12]、[32]、[33]。此外，全球钢铁行业正在从传统的高炉生产方式转向氢基炼钢技术，这一转变已在欧洲和美国开始实施，预计韩国将在2030年完成。因此，GGBFS的产量预计将减少约50%[34]、[35]、[36]，进一步加剧了对其未来供应的担忧。
近年来，人们对可持续胶凝材料的关注点从传统的SCMs转向了新兴的替代材料，包括建筑和拆除废弃物[37]、[38]、[39]。据估计，建筑废弃物占全球固体废弃物的约40%，到2050年其总产量将达到27亿吨[40]、[41]。为应对这一增长趋势，建筑行业采取了骨料回收策略，以减轻对填埋场的压力并减少土地占用和生态污染。然而，在骨料回收过程中也会产生大量细混凝土废弃物。这些废弃物主要由水化水泥浆和破碎骨料组成，被称为废弃混凝土粉（WCP），目前仍大多被填埋处理。目前已有许多努力尝试将WCP用作再生细骨料或替代胶凝材料。
与此同时，全球对混凝土需求的增加使得天然砂的供应成为严峻挑战。为解决这一问题，研究人员越来越多地探索工业副产品和建筑废弃物作为替代品[42]、[43]、[44]、[45]。WCP被视为解决砂短缺问题的潜在方案，尤其是在需要大量细颗粒的UHPC系统中[46]、[47]。Zhang等人[47]的研究表明，细磨的混凝土废弃物可以替代UHPC中的填充材料，同时满足ASTM C1856/C1856M-17的标准。然而，覆盖在再生颗粒上的砂浆会在基体中形成多个界面过渡区（ITZs），从而增加吸水性并降低可操作性[47]。预先湿润WCP可以改善可操作性，但这种方法往往会增加用水量和有效水灰比，导致局部水分积聚和旧水泥浆的附着，从而削弱基体的性能[48]。相比之下，未经预湿润的WCP虽然可提高基体的致密性并改善机械性能，但仍存在可操作性限制[44]、[48]。这些观察结果表明，WCP的主要问题在于其中含有高吸水性的水化水泥浆，其反应性有限。在这种情况下，通过热处理脱水旧水泥浆可能是提高反应性和改善界面性能的有效方法。
另一方面，WCP含有大量的硅和钙，主要以钙铝硅酸盐、钙矾石、C-S-H凝胶、正长石、结晶度较低的硅等形态存在，这表明其具有作为新型SCM的潜力[37]、[41]、[49]。然而，大多数先前的研究集中在实验室制备的WCP上，这种WCP在矿物组成和反应性方面与工业回收设施产生的WCP存在差异。热机械处理可以提高其性能，该过程可以脱水水化相（如钙矾石和C-S-H凝胶），部分脱碳钙石，并去除杂质，减小颗粒尺寸，提高WCP的反应性[50]。Vashistha等人[41]的研究表明，700°C下的热机械处理可增强WCP的火山灰活性，表现为钙消耗量增加。尽管如此，由于非活性硅成分占主导地位且钙含量不足，WCP的有效利用率仍限制在大约40%的水泥替代范围内[51]。另一项研究探讨了利用硅灰和化学促凝剂（甲酸钙和生石灰）组合开发无熟料胶凝材料的潜力，结果显示这种组合在28天养护后可使抗压强度提高四倍[52]。这些发现表明，热机械处理结合高反应性的SCMs和含钙相，可以更好地利用WCP，开发出有效的低熟料或无熟料胶凝系统。
鉴于UHPC对胶凝材料的高需求、GGBFS的有限供应以及砂资源的短缺[53]，以及对替代SCMs的日益关注，本研究探讨了热机械处理WCP对石灰激活的GGBFS基UHPC的水化和机械性能的影响。需要注意的是，研磨和筛分后仍会留下大量较粗的颗粒，这些留在106 μm筛网上的残渣将被用作细骨料填充物，而不是直接丢弃或重新研磨。因此，将处理过的WCP按不同的粒径范围进行分类。在本研究中，WCP部分替代GGBFS、硅粉和硅砂，甲酸钙作为化学促凝剂使用，基于其在先前研究中的有效性[54]、[55]。研究考察了不同比例热机械处理WCP对无熟料UHPC抗压强度的影响，并进行了水化动力学、X射线衍射（XRD）、热重分析和差热分析（TG/DTG）以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）等测试。还利用汞侵入孔隙法（MIP）分析了微观结构特征。总体而言，这项研究为改进UHPC配方以应对原材料短缺和减少环境影响提供了宝贵见解。
