《Journal of Environmental Management》：From demolition to decarbonization: Synergistic hydration and sustainability of thermally activated recycled concrete powders
编辑推荐：
该研究系统探究了热激活废混凝土粉末（WCP）与再生水泥（RC）协同水化的机理及可持续性。通过定量XRD、TG及SEM分析发现，RC-WCP体系（R30混合料含70% WCP）因协同效应显著优于WCP-CEM体系，28天抗压强度超过基准CEM体系，同时WCP中15%的活性组分通过脱水-再水化反应实现碳减排，年减碳量达2.47-4.94×10^8吨。
雷旭|黄荣|李明翰|李克飞|冷发光|冉波|王俊杰
清华大学土木工程系，北京，100084，中国
摘要
本研究探讨了热激活废混凝土粉（WCP）与再生水泥（RC）结合使用的协同水化作用及其可持续性，旨在开发完全回收的低碳胶凝材料。当替代比例超过50%时，WCP通过稀释、成核和填充效应调节水化过程，而RC中β-C?S的再水化作用决定了材料的长期强度。定量XRD、TG和SEM分析表明，基于RC的系统主要形成非晶态的C–S–H结构，具有强界面结合力；而基于CEM的系统则产生更多结晶态但整合程度较低的水化产物。含有70% WCP和30% RC的R30混合物表现出最佳的协同效应，28天强度超过了相应的CEM系统。R30中的惰性相含量约为15%。WCP-RC浆料组合比WCP-CEM浆料组合具有更强的协同效果，且WCP-CEM系统证明了热激活的WCP具有胶凝活性。从可持续性的角度来看，用热激活的WCP替代熟料每年可减少2.47–4.94×10?吨二氧化碳排放，为建筑废料的高值回收利用提供了实用途径。
引言
随着中国城市化进程的加快，大规模拆除旧建筑和新建建筑导致建筑和拆除废弃物（CDW）急剧增加，这些废弃物占城市固体废弃物的40%以上（Jia等人，2025年）。因此，CDW的回收和再利用已成为可持续城市发展的重要组成部分。再生微粉（RMP）是指粒径小于75微米的细颗粒，它们可以在再生骨料生产过程中作为副产品产生，或者通过直接研磨主要由混凝土、砂浆、石材和砖块组成的建筑废弃物获得（Kim等人，2023年；Yang等人，2022年）。利用RMP可以提高整体回收效率并提升CDW的资源利用率（Zhang等人，2022b年）。然而，其回收受到经济可行性的限制，需要低成本和高效率，这对科学研究和工程实践提出了更高要求。因此，系统地阐明RMP的回收机制并为其高值利用建立科学基础尤为重要。
1946年，Gluzhge首次提出了CDW回收的概念，并研究了再生混凝土的基本性质，标志着建筑材料废弃物利用研究的开始。CDW中的废混凝土包括骨料、硬化的水泥浆（HCP）和未水化的熟料，这些成分可以分离后重新利用（Xu等人，2023a年）。目前大多数研究集中在再生骨料的生产和实际应用上，而关于在再生骨料破碎和分离过程中产生的废混凝土粉（WCP）的研究相对较少。随着再生骨料的大规模使用，必然会产生大量WCP，其高效利用已成为亟待解决的问题（Guo和Chen，2022年；Shao和Sakai，2025年）。
由于CDW来源和成分的复杂性和多样性，RMP的特性与传统矿物掺合料（如粉煤灰、矿渣和硅灰）有显著差异。RMP的化学成分主要由SiO?、CaO、Al?O?和Fe?O?组成，而WCP特别富含SiO?和CaO。其含量会根据被拆除混凝土的强度等级和使用条件而变化（Du等人，2023年；Zhang等人，2022a年）。
多项研究探讨了RMP在胶凝体系中的性能。Xiao等人（2018年）将CDW研磨至粒径小于45微米，并将其作为补充胶凝材料（SCM）用于混凝土中。他们的结果表明，RMP含有活性粘土砖碎片和未水化的胶凝颗粒，但其掺入对抗裂性能影响有限。当替代比例低于30%时，抗压强度仅略有提高，而抗弯强度有所改善。Ma等人（2019b年）观察到，随着RMP含量的增加，混凝土的抗冻性略有下降，但在替代比例低于30%时，抗氯离子渗透性有所提高。Yu等人（2019年）将RMP与磨碎的高炉矿渣和硅灰结合，制备了超高性能胶凝复合材料。他们发现RMP在水化初期具有稀释和成核效应，在后期具有火山灰和填充效应。当替代比例达到25%时，抗压和抗拉强度均超过了参考混合物。
RMP的原材料来源更为多样，而WCP是在回收和再加工骨料过程中产生的副产品。因此，WCP通常含有活性成分，如活性SiO?、钙硅酸盐水化物（C–S–H）和Ca(OH)?，这些成分赋予其潜在的火山灰活性（Xiao等人，2018年）。Yu（2017年）进一步发现，WCP和废砖粉（WBP）含有Ca(OH)?、未水化的水泥颗粒以及高温形成的硅铝酸盐矿物，其强度活性指数分别为80%和74%。此外，WCP的水化热高于粉煤灰，表明其活性受环境条件显著影响，并具有微填充效应。为了研究HCP的再水化能力，大多数研究采用热激活水泥浆的方法来消除惰性骨料的影响。我们之前对热激活再生水泥（RC）进行了系统研究，包括脱水-再水化反应机制（Xu等人，2023a年，2023b年）、反应路径的优化（Xu等人，2024a年）以及潜在应用的探索（Xu等人，2025年）。
总体而言，CDW回收方面取得了显著进展，特别是在RC和再生骨料的制备和应用方面（Xu等人，2024b年）。现有研究表明，热激活可以有效提高RC和RMP的活性（Gu等人，2025年；Liu等人，2024年；Sousa等人，2024年；Wu等人，2021年）。然而，在实际应用中，从回收操作中获得的RC往往含有惰性骨料粉末，而对WCP的系统研究仍不足。RMP的活性通常通过测量含有30%水泥的胶凝体系28天抗压强度来评估。然而，大多数研究主要集中在成核和填充效应上，而对可再水化胶凝成分的定量分析仍缺乏。实际上，WCP中的胶凝成分比例对其水化活性和硬化浆体的性能有很大影响。因此，量化胶凝成分并阐明其作用机制对于提高WCP的利用价值至关重要。
基于对WCP水化特性的全面研究以及与现有处理方法（将其作为与水泥共同水化的惰性填料）的比较分析，本研究采用了热重分析（TG）、定量X射线衍射（QXRD）、等温量热法和扫描电子显微镜（SEM）来系统研究含有不同比例有效胶凝成分（10%、20%、30%和50%）的高体积WCP的热激活和再水化过程。通过对硬化浆体的水化机制和微观结构演变进行定量分析，本研究不仅直接将其水化潜力与传统方法进行了比较，并评估了WCP的潜在工程应用，还为其实效利用提供了理论基础。这为未来探索100% WCP作为独立胶凝材料的可行性和性能特性奠定了基础。
材料与方法
整个实验过程，包括RC、WCP的制备及后续测试，如图1所示。该过程包括三个主要阶段：（1）材料预处理，（2）样品制备，（3）测试。RC是通过破碎和研磨实验室制备的HCP，然后在750°C下以10°C/min的加热速率热激活3小时制得的。选择这种热激活方案是基于先前研究确定的最佳温度（Xu等人）。
再生混合WCP浆料的等温量热分析
图4（a，b）显示了在不同替代比例下使用CEM和RC替代WCP的混合浆料的热流率和累积水化热曲线。水化过程可以分为五个阶段：初始阶段、诱导阶段、加速阶段、减速阶段和稳定阶段（Duan等人，2020b）。混合浆料的累积水化热随着WCP含量的减少而增加，水化程度与WCP含量之间的关系是非线性的。
协同效应的机制分析
根据以往的研究，RMP掺入胶凝体系主要通过四种机制影响水化过程，如图10所示。
1.成核效应：RMP可以作为水泥水化的成核位点，促进早期水化并缩短诱导期（Berodier和Scrivener，2014年）。
2.填充效应：RMP的掺入可以细化胶凝材料的孔结构，从而降低孔隙率并提高浆体的密度（Wang等人
结论
本研究系统评估了热激活废混凝土粉（WCP）与再生水泥（RC）和普通波特兰水泥（CEM）混合后的水化行为、力学性能和微观结构演变。同时阐明了其背后的机制和工程意义。主要结论如下：
(1)再生混凝土粉-再生水泥（WCP–RC）系统的水化过程受稀释、成核和填充效应的共同作用支配
作者贡献声明
雷旭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，方法学研究，数据整理。黄荣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，研究，形式分析，数据整理。李明翰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，软件应用。李克飞：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。冷发光：撰写 – 审稿与编辑，资源协调，研究
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家关键研发计划（项目编号：2023YFC3902802）和国家自然科学基金（项目编号：52038004，52008232）提供的财政支持。
