全回收混凝土粉料压实体碳化硬化特性的研究

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Research on the Carbonation Hardening Properties of Fully Recycled Concrete Powder Compacts

本研究采用压缩成型与原位碳化结合技术，将废弃混凝土粉末（RCP）直接转化为高值产品，系统研究其碳化硬化特性。结果表明，碳化48小时内材料达70%碳化度，强度达28天值的80%，其强化机制为碳化产物与相重构的化学键合，而非单纯孔隙填充。不同碳化阶段，方解石与无定型硅胶通过协同作用提升材料性能，微观结构分布显著影响力学行为。

　　

王明欣|胡翔|陈伟|阿曼尼·哈斯库西|郭帅成|史彩军

湖南省绿色与先进土木工程材料及应用技术重点实验室，湖南大学，长沙，湖南，410082，中国

摘要

本研究采用了一种结合压缩成型和原位碳化的技术方法，将再生混凝土粉（RCP）直接转化为高价值产品。系统地研究了这些产品的碳化硬化性能。结果表明，RCP产品硬化速度较快，在48小时内碳化程度可达约70%，其强度可达到28天强度的80%。碳化硬化的主机制涉及碳化产物的化学键合和相结构重组，而不仅仅是简单的孔隙填充。在碳化初期，强度主要由高硬度的方解石的刚性互锁结构提供，这种结构由立方形和纺锤形晶体共同组成。然而，这种结构的有效性受到晶体空间分布不均匀的限制。在中后期碳化过程中，形成了一个复合体系，其中无定形硅胶形成了新的Si–O–Si共价键，将这些碳酸盐层与未碳化的颗粒结合，并填充了碳酸盐桥之间的孔隙，从而增强了界面凝聚力和整体基体完整性。本研究揭示了RCP产品在不同碳化阶段下碳酸钙和硅胶的联合硬化机制，为完全再生混凝土粉产品的高效生产和性能提升提供了理论支持。

引言

中国快速的城镇化进程每年产生数十亿吨固体建筑废弃物，其中废弃混凝土约占40% [1]。在废弃混凝土的回收和破碎过程中，会产生一种细粉，其中富含水泥水化产物，粒径小于0.075毫米，称为再生混凝土粉（RCP）[2]。然而，用RCP部分替代水泥已被证明会对基于水泥的材料的水化动力学、力学性能和耐久性产生负面影响 [3]，[4]。最近的研究表明，用CO₂对RCP进行碳化可以有效激活其反应性，生成碳酸钙（CaCO₃）和高活性的无定形硅胶 [5]，[6]。生成的CaCO₃通过多种机制发挥作用，包括通过填充效应细化孔隙、促进C–S–H键的形成以及化学稳定AFt相。同时，无定形硅胶表现出强烈的火山灰活性，能与氢氧化钙迅速反应生成额外的C–S–H凝胶 [2]，[7]，[8]。这些协同效应使碳化RCP（cRCP）成为一种有前景的新型辅助胶凝材料。

最新研究发现，完全碳化的RCP可以直接用于产品制造。在碳化过程中，CO₂与RCP中的硅酸钙水化物反应，形成由碳酸钙（CaCO₃）和无定形硅胶组成的结合体系，从而实现快速强度发展 [9]。结晶态的CaCO₃占碳化产物的80% [8]，远超过无定形相的比例。相比之下，水泥水化产生的C–S–H凝胶结晶度较低，结晶相（如氢氧化钙和钙矾石）的比例较小 [2]，[10]。这种相组成的根本差异突显了碳化和水化硬化的不同机制。

压实RCP的初始强度主要来源于范德华力和氢键 [11]。当前研究表明，碳化压实体的强度受初始孔隙率和碳化程度的影响，碳化产物通过填充孔隙来增强压实体的密实度 [12]，[13]。碳酸钙的形成是强度的主要来源 [14]，晶体间的互锁进一步强化了结构 [15]。结晶多形体也起着关键作用：方解石主要促进早期强度发展，而文石则有利于长期性能 [16]。尽管硅胶也是碳化产物之一，但其在碳化RCP中的含量相对较低，其对力学性能的具体影响尚未得到充分研究。

已有大量研究探讨了碳化材料的力学性能和碳化产物，表明增加方解石含量和降低孔隙率可以提升力学性能 [11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]。然而，力学行为与微观结构之间的关系尚未完全阐明。尚未解决的关键问题包括：（1）碳化产物的空间分布对力学性能的影响；（2）方解石和硅胶等相的排列和相互作用如何协同促进RCP压实体的碳化硬化。

为了解决这些问题，本研究采用了多种方法，包括X射线衍射（XRD）、热重分析（TG）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM），系统研究了RCP压实体在干碳化过程中的微观结构演变。通过分析不同碳化时间下的相变和形态变化，并结合分层测试，我们建立了力学行为与微观结构分布之间的内在关系。此外，还阐明了方解石和硅胶在RCP碳化硬化机制中的阶段依赖性协同作用。这项工作为理解再生胶凝系统的碳化硬化提供了新的见解和实验证据。

材料

为了减轻来源复杂性和杂质的影响，本研究在实验室使用波特兰水泥（PI 42.5）制备了硬化后的水泥浆体。硬化后，将浆体粉碎并研磨成粉末以模拟RCP。水泥的化学成分见表1。水泥的水灰比为0.4，浇筑在150毫米的立方钢模中。试样表面覆盖了聚酯薄膜。24小时后，将试样脱模并放置

压实体的抗压强度和碳化

图4显示了RCP压实体28天内的抗压强度和碳化程度的变化。抗压强度呈对数增长，在最初的12小时内显著增加，达到23.50 MPa。48小时后，抗压强度上升至40.86 MPa，相比12小时时增加了73.87%。48小时后，强度增长速率降至0.42 MPa/天，28天后的最终强度为51.79 MPa。

碳化的进展通常与抗压强度的变化趋势一致

讨论

碳化再生水泥浆（RCP）压实体的力学性能受到碳化产物、孔隙结构和颗粒界面之间复杂物理化学相互作用的影响。尽管孔隙率的降低通常被认为是压实体强度提升的主要因素 [12]，[13]，[40]，但这一解释并未充分考虑到碳化产物的微观结构分布和排列状态的关键作用

结论

本研究探讨了再生混凝土粉（RCP）产品的宏观性能演变和碳化硬化过程，得出以下结论：

1)

碳化RCP产品具有较高的初始孔隙率和反应性，在48小时内碳化程度可达约70%。抗压强度达到28天强度的80%，表明快速碳化显著缩短了生产周期并提高了效率。

2)

强度的提升主要

作者贡献声明

史彩军：项目监督、项目管理、资金申请、概念构思。陈伟：写作——审稿与编辑、方法学研究、数据分析。胡翔：写作——审稿与编辑、验证、方法学研究、数据管理。郭帅成：写作——审稿与编辑、方法学研究、数据分析、概念构思。阿曼尼·哈斯库西：写作——审稿与编辑、方法学研究、数据管理、概念构思。王明欣：写作——审稿与编辑、原创内容

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据获取

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了中国自然科学基金的支持，合同编号为U22A20122。