废渣微粉混凝土综述：材料处理、性能与机理

《Developments in the Built Environment》：A review of recycled micro-powder concrete: material treatment, performance and mechanism

为应对水泥制造高能耗高排放与建筑废料填埋污染双重环境挑战，本综述聚焦于将拆建废弃物（C&D waste）中的废弃混凝土粉（RCP）与废弃砖粉（RBP）加工为再生微粉（RP），作为可持续辅助胶凝材料（SCM）。研究系统探讨了RP的物理化学特性、多种活化（如机械研磨、化学激发、热处理及碳化处理）技术，及其对混凝土工作性、力学性能与耐久性的影响机理。结果表明，经适当活化处理后，RP可有效优化孔隙结构、提升材料性能，并具有显著的减碳与资源化效益。本研究为RP在低碳可持续混凝土中的实践应用提供了系统的理论指导与技术框架。

　　

全球城市化进程的加速与建筑业的持续扩张，使得混凝土成为了全球使用最广泛的建筑材料。然而，这繁荣背后却隐藏着沉重的环境代价：水泥生产是能源密集型产业，贡献了全球相当大比例的二氧化碳排放，同时，建筑与拆除（C&D）活动每年产生数以亿吨计的废弃物，其中大部分是无机物，如废弃的混凝土和砖块。传统填埋处理不仅浪费资源，更带来严重的环境风险。在此背景下，寻找一种既能“消化”建筑垃圾，又能降低水泥生产碳足迹的可持续建筑材料方案，已成为行业发展的迫切需求。

于是，一种源自建筑垃圾的“废料”——再生微粉（Recycled micro-powder, RP）进入了研究者的视野。它主要是废弃混凝土粉（RCP）和废弃砖粉（RBP）的混合物，粒径通常小于75微米。这本是破碎筛分过程中的副产品，常被忽视，但科学家们发现，它富含二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）和氧化钙（CaO），具有一定的潜在火山灰活性。这意味着，在碱性条件下，它可以像粉煤灰、矿渣等传统辅助胶凝材料一样，参与水泥水化反应，形成额外的胶凝产物。那么，如何让这些“沉睡”的废粉“苏醒”并发挥最大价值？其性能究竟如何？这正是发表于《Developments in the Built Environment》上的这篇题为“A review of recycled micro-powder concrete: material treatment, performance and mechanism”的综述性论文所要系统回答的核心问题。

为系统梳理该领域进展，研究者遵循了系统文献综述的原则，明确了识别、筛选、合格性评估与纳入的流程。文献检索覆盖了Web of Science、Scopus和Google Scholar等主流数据库，时间跨度为2005年1月至2025年9月，旨在捕捉RP研究的早期探索与近期在活化技术、性能优化和环境评估方面的进展。通过关键词组合与布尔运算符进行精确检索，从最初的1248条记录中，经过去重、标题摘要筛选及全文评估，最终纳入了168项符合预设标准（如必须是同行评议期刊文章或博士论文、聚焦RCP/RBP、研究材料特性或性能等）的研究进行定性综合分析。此外，研究还采用了VOSviewer软件进行了文献计量可视化分析，以识别该领域的主要贡献作者和高频关键词。

RP的物理化学特性

RP根据来源主要分为RCP和RBP。X射线衍射（XRD）分析证实其主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃和CaO，这些氧化物是其具有潜在火山灰反应性的基础。RCP通常具有细小的粒径和高孔隙率的微观结构，其颗粒表面可见断裂面和附着的细颗粒，是原始水泥基基体的残留物，含有未水化的熟料相（如贝利特C₂S和阿利特C₃S）以及水化产物C-S-H凝胶，这为其二次水化提供了基础。相比之下，RBP的颗粒多呈非晶态，具有玻璃态纹理，主要由铝硅酸盐相组成，其在常温下反应性有限，但可在碱性环境下被化学活化。文章通过表格详细对比了RCP、RBP与粉煤灰、矿渣的化学组成与物理性质（如表观密度、堆积密度、比表面积、活性指数等），并参照JGT 573-2020标准，提出了涵盖细度、需水量比、活性指数、流动度损失、亚甲蓝值、体积安定性、含水率及氯离子、硫酸根含量等指标的RP技术性能推荐框架。

RP的活化技术

未经处理的RP反应性通常较低，需要通过物理、化学或热学方法进行活化以提升其性能。论文通过一张因果图清晰地展示了不同处理方法如何驱动微观结构转变，并最终决定宏观性能。

• •
  物理活化：主要是机械研磨（如球磨）。研磨可以减小粒径、增大比表面积、破坏晶体结构增加非晶态含量，从而暴露更多反应位点。然而，过度研磨会导致颗粒团聚，反而降低反应性并增加需水量。研究通过扫描电镜（SEM）图像展示了不同研磨时间后RCP颗粒形貌的变化。
• •
  化学活化：通过添加化学激发剂来改性RP表面结构并促进其活性组分溶解。根据主要阳离子类型，可分为钠基（如NaOH、Na₂SiO₃·9H₂O、Na₂SO₄）、钙基（如Ca(OH)₂、CaSO₄、CaCl₂）及复合激发剂体系。论文通过表格总结了不同激发剂对RCP和RBP的适用性、最佳掺量、增强效果及作用特征。例如，NaOH通过提高体系碱度破坏Si-O和Al-O键；Na₂SO₄可作为硫酸盐供体，与铝相反应促进钙矾石（AFt）形成；而Ca(OH)₂则为钙离子（Ca²⁺）源，促进C-S-H凝胶形成。复合激发剂体系（如NaOH/Na₂SiO₃·9H₂O、Na₂SO₄/Ca(OH)₂）往往能通过协同效应取得更佳效果。
• •
  热处理：通过加热引发相变、分解稳定相并释放活性组分。对于RCP，在550-750°C温度范围内，C-S-H凝胶会脱水分解，形成具有反应性的硅酸盐相。适中温度（300-400°C）的处理可使基体更致密，但温度过高（如接近1200°C）会导致颗粒软化，反而不利于水化。RBP由于源自烧结粘土砖，主要由结晶态SiO₂和热稳定的铝硅酸盐组成，热活化效果相对有限，但在800°C以上高温下部分Si-O和Al-O键断裂可转化为亚稳态非晶结构，提升其反应性。
• •
  碳化处理：在可控的二氧化碳（CO₂）暴露条件下，RCP中的水化产物（如Ca(OH)₂）会与CO₂反应生成稳定的碳酸钙（CaCO₃）相和二次产物，从而提升其作为SCM的潜力。XRD和热重-差热（TG-DTG）分析证实了碳酸钙晶型的形成。碳化还能细化颗粒形态和尺寸分布，形成更致密的表面，这些新生成的CaCO₃可作为异相成核位点，促进水化产物生长，显著提升早期强度。相比之下，关于RBP碳化的研究仍然较少，但其非晶相和游离石灰在CO₂暴露下也具有反应潜力。

RP对混凝土性能的影响

• •
  工作性：RP因其高孔隙率和粗糙的微观结构，通常比表面积大、需水量高，可能对混凝土流动性产生负面影响。文章从颗粒尺寸与细度、吸水性与孔隙结构、水胶比与化学外加剂、流变特性四个方面系统评估了RP对混凝土工作性的影响，并通过表格对比了RCP和RBP在新拌状态下的行为差异。例如，适当细度且掺量较低（≤30%）的RCP可能通过微填充效应改善流动性，而RBP由于其高孔隙率和强吸水性，通常会降低流动性。化学外加剂（如聚羧酸减水剂）的性能对RP类型和掺量非常敏感。
• •
  力学性能：RCP在低掺量（通常≤10%）下可通过微填充效应改善颗粒堆积，其含有的CaCO₃还能作为C₃S和C₃A水化的成核位点，促进早期C-S-H凝胶形成。但高掺量时，由于其高比表面积和有限反应性，会增加需水量、阻碍完全水化，导致强度下降。RBP因其更高的非晶态铝硅酸盐含量，表现出比RCP更高的火山灰活性。它能与Ca(OH)₂反应形成二次C-S-H凝胶，并且具有内部养护能力，有利于长期强度发展。然而，过高的RBP掺量（>10%）也会因其高细度和高需水量而对早期强度产生不利影响。将RBP与其他活性SCM（如粉煤灰、矿渣）复合使用可以获得协同增强效果。
• •
  耐久性：
  • •
    抗氯离子渗透性：总体而言，RCP改性混凝土的性能波动较大，存在一个最优掺量（约10%）。过高的掺量（如50%）甚至可能加剧氯离子传输。相比之下，细化至D50低于8.5微米的RBP能显著增强抗氯离子侵入能力。RCP-RBP复合体系在低至中等掺量下显示出协同改善效果，但总粉体含量过高时，扩散系数会急剧增加。
  • •
    抗冻融性：研究结果存在差异。有研究报道，在水胶比为0.35时，掺加30% RP的混凝土表现出最佳的冻融抵抗能力。然而，也有研究表明，RCP的掺入会加速冻融循环下的性能退化。化学活化或热活化能显著改善含RCP砂浆的抗冻融耐久性。研究者还基于试验数据建立了预测模型，能高精度（R²> 0.98）评估冻融损伤。
  • •
    抗硫酸盐侵蚀性：在硫酸盐丰富的环境中，掺加高达30%的RBP已被证明能增强砂浆的抗硫酸盐侵蚀能力。这归因于RBP玻璃相中适量的SO₃和CaO。受控释放的CaO促进了二次C-S-H和少量水化铝酸钙的形成，有助于细化孔隙结构，阻碍侵蚀性离子的侵入。然而，过量的硫酸盐可能引发有害膨胀，因此需要优化RBP的掺量。

结论与展望

本综述系统性地比较和综合了RCP与RBP在统一分析框架下的特性、活化策略及其对混凝土性能的影响机理。核心结论表明，再生微粉（RP）作为一种有前途的可持续辅助胶凝材料，通过适当的活化处理（物理、化学、热处理或碳化），可以有效地提升其在水泥基材料中的反应性和性能。RCP和RBP在物理化学特性上存在差异，因此适用的活化方法和最佳掺量也不同。在适量掺入并经优化处理后，RP能通过微填充效应和火山灰反应改善混凝土的微观结构（如优化孔隙结构、增强界面过渡区），进而提升其工作性、力学强度和耐久性（如抗氯离子渗透、抗冻融、抗硫酸盐侵蚀）。此外，RP的利用还具有显著的环境和经济效益，能够减少能源消耗、降低碳排放并节约自然资源。

尽管已取得显著进展，该领域仍存在一些关键知识缺口。例如，对RCP和RBP的比较性与系统性分析仍不足；活化策略与微观结构-宏观性能之间的关联缺乏统一框架；基于全生命周期评估（LCA）的环境效益综合评估仍然不够充分。未来的研究应致力于建立RP性能的标准化评估体系，探索更高效、低成本的复合活化技术，深入阐明其在不同环境条件下的长期耐久性机理，并开展全面的技术经济和环境生命周期分析，以推动RP在低碳、可持续混凝土中的大规模实际应用。