在地聚合物中回收利用砖粉和再生混凝土粉：水化动力学、微观结构及力学性能

《Journal of Cleaner Production》：Recycling brick powder and recycled concrete powder in geopolymers: hydration kinetics, microstructure and mechanical properties

再生砖粉和再生混凝土粉对MK基地聚物早期水化动力学及28天力学性能的影响研究。采用等温热力学和低场核磁共振技术，发现BP替代10%时抗压强度提升3.2%，而CP替代25%以上导致强度下降5.9%-67.9%。微观结构显示BP组孔隙率降低且分布优化，CP组存在微裂纹增加。

　　

作者：戴大旺、帕内萨尔·达曼·K.、娄贝宁、杨杰、孟涛

中国浙江省杭州浙江大学土木工程与建筑学院

摘要

了解再生砖粉（BP）和再生混凝土粉（CP）在地质聚合物中的水化行为对于其高效利用至关重要。本研究的新颖之处在于结合了等温量热法和低场核磁共振（¹H NMR）技术，揭示了BP和CP对基于偏高岭土（MK）的地质聚合物早期（72小时内）水化动力学的影响，并进一步探讨了它们对微观结构和力学性能的影响。结果表明，部分替代MK为BP或CP会降低基于MK的地质聚合物在72小时内的水化程度，同时提高成核和生长速率。含有CP的地质聚合物在早期（4小时内）的水化程度有所提高，这归因于额外的铝酸钙-硅酸盐-水合物（C–A–S–H）的形成；然而，其28天的抗压强度相比MK100降低了5.9%至67.9%。含有BP的地质聚合物在3至28天期间表现出更高的凝胶含量，这是因为BP中的可溶性Si⁴⁺和Al³⁺含量高于CP。在28天时，含有10% BP的地质聚合物的孔隙率降低，孔径分布得到优化，抗压强度比MK100提高了3.2%。相比之下，较高比例的BP替代（20–50%）导致抗压强度相对MK100降低了3.6%至65.5%。

引言

据估计，全球每年产生的建筑和拆除废弃物（CDW）超过100亿吨，其中砖块废弃物和混凝土废弃物占总量的80%以上（Tang等人，2020年；Wu等人，2019年）。这些废弃物通常通过倾倒和填埋处理，从而导致土壤和水体的污染（Chu等人，2021年；Seror和Portnov，2020年）。因此，CDW的处理引起了全球范围内的广泛关注。砖块和混凝土废弃物可以转化为再生骨料，随后用于制造再生混凝土（Li等人，2024年；Meng等人，2022年；Song等人，2025年）。在生产和回收砖块骨料（RBA）和再生混凝土骨料（RCA）的过程中，不可避免地会产生大量细粉（粒径< 150 μm），约占废弃物总量的20–30%（Meng等人，2021年）。在过去几十年中，关于再生骨料的研究取得了显著进展，并已应用于实际工程中（Li，2009年；Senaratne等人，2017年；Xiao，2018年；Ahmed等人，2025年）。然而，关于再生砖粉（BP）和再生混凝土粉（CP）的研究仍处于基础阶段。

BP和CP富含Si、Al、Ca和Mg元素，这些元素赋予了它们潜在的火山灰活性。文献表明（Chen等人，2024年；Li等人，2025a；Shao和Sakai，2025年），人们已尝试将BP和CP作为辅助胶凝材料使用。Bertelsen等人（2025年）报告称，BP具有显著的火山灰反应性。热重分析显示，含有BP的水泥浆体比含有惰性石英粉的水泥浆体消耗了更多的铝酸钙。相应地，含有BP的浆体在91天时的抗压强度比含有石英粉的浆体提高了约36%。Ma等人（2020年）证明，添加高达15%的粒径小于12 μm的BP可以改善水泥基材料的孔结构并提高其抗压强度。相反，粒径大于18 μm的BP或添加量超过30%的BP会降低材料的力学性能。S. Li等人（2023年）发现，BP的28天活性指数为0.71，符合中国国家标准GB/T 1596（2017）对C类粉煤灰的要求（≥0.70）。关于CP在水泥基材料中的研究比BP更为深入。研究人员对CP的力学性能（Duan等人，2020年；Xiao等人，2022a，2022b）、变形行为（Wu等人，2024a；Yao等人，2024年）、耐久性（Carri?o等人，2021年；Murtaza等人，2024年）、流变特性（Li等人，2023年，2025b）以及水化动力学（Du等人，2023年；Xu等人，2023年）进行了全面研究。此外，研究人员还对CP进行了改性研究，以解决其在高替代率下可能对水泥基材料产生的不利影响。例如，Jiang等人（2023年；Ma等人，2024a；Zhao等人，2024年）通过碳酸化过程生成碳酸钙和硅铝凝胶，增强了CP的火山灰活性。Carri?o等人（2021年）和Bogas等人（2020年）通过热激活促进了CP中物质的再水化，也提高了其反应性。Gu等人（2025年）和Ma等人（2024b）证明，CP的碳酸化处理可生成碳酸钙（Cc）和硅铝凝胶，从而增强其火山灰活性。先前的研究（Meng等人，2021年，2023年）表明，使用纳米材料进行改性可以进一步促进CP的二次水化。

有效利用CDW可以减轻建筑废弃物造成的环境污染（L. Wang等人，2023年）。近年来，使用BP和CP制备低碳地质聚合物引起了广泛关注。Sharmin等人（2024年）将BP作为粉煤灰和粒化高炉矿渣（FA-GGBS）地质聚合物的部分替代品。他们的研究表明，用BP替代40%的材料可以降低孔隙率并提高抗压强度5.9%。相反，Ma等人（2025年）报告称，在FA-GGBS地质聚合物中用BP替代30%的前体材料会导致抗压强度降低8.3%。Liu等人（2022年）发现，用CP替代25%的粉煤灰可以提高地质聚合物的抗压强度。具体来说，他们发现含有100% CP的地质聚合物的抗压强度仍可达12 MPa。Wu等人（2024b）观察到，在拉伸载荷下，添加25-50%的CP可以显著减小地质聚合物试样的裂缝宽度，尽管这会导致更多微裂纹的产生。Zou等人（2025）采用Box–Behnken设计响应面方法研究了CP粒径、活化剂模量、活化剂含量和水固比对矿渣地质聚合物力学性能的影响。结果表明，细小的CP颗粒（15.2 μm）促进了非晶态C–A–S–H凝胶的形成，而较大的颗粒（33.6 μm）主要起到惰性填充物的作用。BP和CP还被应用于泡沫地质聚合物和3D打印地质聚合物中。例如，Dang等人（2024年）发现，在高碱性环境中，添加BP显著改善了泡沫地质聚合物的孔结构，特别是增加了球形孔的数量，减少了孔壁厚度，并细化了孔体积。这些改进提高了泡沫地质聚合物的稳定性、防水性和机械性能。Jin等人（2024a）证明，用矿渣和BP制备的泡沫地质聚合物在800°C下仍能保持稳定性。此外，Pasupathy等人（2023年）指出，BP在地质聚合物中的存在提高了早期阶段的屈服强度和表观粘度，从而增强了其适用于3D打印的能力。根据文献综述，当前的研究主要集中在描述含BP或CP的地质聚合物的宏观性能上，而对其水化行为和机制差异的研究较少。

因此，本研究的独特之处在于结合了等温量热法和低场核磁共振（¹H NMR）技术，阐明了BP和CP对基于MK的地质聚合物在关键初始72小时内的水化动力学的影响。此外，热重分析（TGA）结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）提供了从3天到28天固化过程中水化产物变化的见解，汞侵入孔隙度测量（MIP）用于评估孔隙特性的微观结构变化。并且在整个替代范围内（0-50%）以10%的增量进行了系统的抗压强度测量。

材料

商业化的偏高岭土（MK）来自BASF有限公司。BP和CP由中国杭州林荣环境科技有限公司提供。这些材料来源于建筑和拆除废弃物（CDW），经过分离得到砖块废弃物（主要是烧制的粘土砖）和混凝土废弃物（含有碎骨料、沙子和硬化砂浆碎片），然后通过破碎、在60°C下烘干48小时至恒定质量，再进行球磨20分钟处理

水化热

图3显示了MK100、BP10、BP50、CP10和CP50在最初72小时内的水化热释放和累积热释放情况。如图3（a）所示，所有曲线在前驱体与碱活化剂接触后立即出现了一个尖锐峰值。这主要是由于固体前驱体在碱性环境中的快速溶解。在10%的替代水平下，BP的加入略微增加了最大热流

结论

本研究比较了不同比例的BP和CP替代对基于MK的地质聚合物的水化动力学、微观结构和力学性能的影响。主要研究结果总结如下：

1)

随着BP或CP替代量的增加，地质聚合物的水化总热释放量减少，导致含有BP或CP的地质聚合物的生长速率（k）降低。然而，BP和CP的替代提高了分子流动性，从而加速了径向

作者贡献声明

戴大旺：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、数据分析、概念化。帕内萨尔·达曼·K.：撰写——审稿与编辑。娄贝宁：撰写——审稿与编辑。杨杰：撰写——审稿与编辑。孟涛：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。

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的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52478282）和浙江省重点研发计划（编号2023C04042）的财政支持。第一作者衷心感谢中国 Scholarship Council（授权号202406320337）的财政支持。