《Journal of Cleaner Production》：A multi-scale investigation of the effect of cement mortar coating on the small-strain shear stiffness of recycled concrete aggregate
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再生混凝土骨料表面水泥砂浆层通过酸洗去除后，显著降低了其剪切模量（G_max）和材料系数A_G，且应力指数n_G更接近天然骨料。微观分析表明水泥层影响颗粒接触特性，理论模型验证了表面处理对宏观刚度的控制机制。
李曼|马修·理查德·库普|蔡国军|何焕|蔡毅|张晨
中国东南大学交通学院岩土工程研究所
摘要
大量再生混凝土骨料（RCA）废弃物在城市地区不断堆积，对生态环境构成威胁。RCA作为天然骨料的替代品，在道路建设、岩土工程和土木工程中具有巨大潜力。然而，由于表面水泥砂浆层较薄，RCA容易破碎，性能也相对较差。本研究采用稀盐酸酸洗方法去除RCA表面的水泥涂层。在酸洗前后，对不同孔隙率、级配和粒径的RCA试样进行了弯曲元件测试，以量化表面涂层对材料动态性能的影响。酸洗后，剪切模量（Gmax）显著降低；对于级配良好的试样，材料系数AG下降了48%，而对于级配单一的试样则下降了约10%；酸洗后的应力指数ng更接近天然颗粒材料的数值。通过颗粒尺度微观观察，研究了水泥砂浆对颗粒表面特性和矿物成分的影响。同时进行了颗粒接触实验，以探讨颗粒间接触刚度。本文还提出了将微观颗粒间接触刚度与Gmax联系起来的理论分析，以解释水泥砂浆涂层对RCA Gmax的影响机制。
引言
全球每年产生的建筑和拆除（C&D）废弃物量巨大，这与基础设施的广泛建设和翻新密切相关。这一增长主要由城市化和工业化进程推动。据估计，全球C&D废弃物年产量已超过110亿吨，预计到本世纪末可能增加三倍，届时C&D废弃物将占全球废弃物总量的40%以上（Ferdous等人，2021年）。中国是最大的废弃物产生国，每年产生约23亿吨C&D废弃物，占全国固体废弃物总量的40%左右（Chen等人，2021年）。这些大量废弃物的不当处理对公共安全和环境构成严重威胁（He等人，2021年；Liang等人，2020年；Menegaki和Damigos，2018年；Tanta等人，2022年）。尽管如此，全球C&D废弃物的回收率仍然很低。虽然欧盟、日本和韩国等发达国家的回收率已超过90%（Huang等人，2018年），但中国的回收率仅约为5-10%（An和Guo，2024年；Huang等人，2018年；Wang等人，2025年），这凸显了促进C&D废弃物有效再利用的紧迫性。
近年来，由于对自然环境和生态系统的不可逆破坏，许多国家对天然骨料或砂的开采和提取实施了越来越严格的限制。日益严重的环境问题以及对可持续废物管理实践的认识提升，凸显了回收和再利用建筑和拆除废弃物以替代天然骨料的重要性（Xiao等人，2005年，2012年）。再生混凝土骨料（RCA）的循环利用潜力引起了研究人员和从业者的关注（Poon和Chan，2006a，2006b，2007年；Wai Ng等人，2023年；Li等人，2025年）。然而，要实现RCA的广泛应用，必须对其力学性能有深入的了解。
在岩土工程中，RCA作为填充或回填材料，了解其动态性能对于预测地质材料的变形特性至关重要。小应变剪切刚度（Gmax）这一关键动态性能受多种因素影响。理论上，Gmax反映了土壤结构中所有颗粒接触网络的总体刚度，因此对颗粒尺度现象非常敏感。He等人的研究表明，Gmax对压力的敏感性取决于平均粒径（He和Senetakis，2016a），并且受到加载历史、均匀系数、颗粒形状以及颗粒间接触性质的显著影响（He和Senetakis，2016b）。
在这些宏观尺度研究中考虑颗粒形状和颗粒间接触等因素至关重要，因为这体现了一个基本原则：RCA的宏观响应最终由其颗粒尺度属性决定。这种微观-宏观联系是现代岩土力学的核心主题，在各种方法和尺度上都得到了广泛支持。例如，改进的NMR实验表明，地质材料的宏观传输行为取决于不同尺度下的孔隙结构（Y. Wang等人，2025年）；而在颗粒尺度上，离散元建模显示界面摩擦和接触响应对宏观行为起决定性作用（Huang等人，2014年；Sazzad和Suzuki，2011年；Song等人，2024年，Wang等人，2024年）；先进的分析模型现在可以直接从接触力学理论推导出剪切波速度等属性（Liu Y和Xia，2011年）。正如Coop（2024年）所总结的，颗粒的地质来源和形态对其接触力学有深远影响，进而控制其宏观响应。对于RCA而言，这一原则通过其独特特性得以体现（He等人，2023年）：附着的水泥砂浆涂层导致正常接触响应变软，这是由于涂层表面粗糙度高且硬度低所致。
为了解决再生混凝土骨料（RCA）的工程应用问题，已经有多种方法用于处理水泥涂层问题。例如，煅烧-碳酸化处理（Feng等人，2023a，2026年；Zhang等人，2023年）和纳米材料掺入（Feng等人，2023b；Jiang等人，2022年）可以改善RCA的性能，而去除水泥涂层也是常见的方法（Kim等人，2017年；Reis等人，2021年；Tam等人，2007年）。研究表明，去除涂层能有效改善骨料的物理性能，显著降低其吸水率并提高密度（Kim等人，2017年；Tam等人，2007年）。迄今为止，关于涂层去除效果的研究主要集中在这些物理指标及其对特定应用的影响上。例如，提高的密度和降低的吸水率有利于RCA作为路基填充料的压实和水分稳定性（Forero等人，2022年）；HCl处理可以增强新混凝土的界面粘结强度，从而提高抗压强度（Tam等人，2007年）。在控制良好的酸处理条件下，使用处理过的RCA制成的混凝土的力学性能可与天然骨料混凝土相当（Forero等人，2022年；Tam等人，2007年）。然而，去除水泥砂浆涂层也会改变颗粒组合的力学性能，如颗粒间摩擦和结构；然而，涂层去除对RCA组合的力学性能（如小应变刚度）的影响仍不明确。此外，这些化学过程还会改变颗粒表面的微观特性。从岩土工程的角度来看，任何改变——无论是表面粗糙度、硬度还是残留物的存在——都会从根本上改变颗粒间接触力学。虽然有人认为去除涂层可以消除界面过渡区（ITZ），从而提高正常接触刚度（He等人，2023年），但这也可能降低颗粒间的剪切阻力，从而影响宏观刚度。RCA的颗粒间接触响应具有高度复杂性，单个颗粒的固有属性与整体材料响应之间的关系尚不清楚。RCA由于其水泥涂层而表现出不同于普通石英砂或其他理想颗粒材料的力学行为。尽管关于RCA动态性能的研究越来越多，但尚未有研究系统地探讨水泥涂层如何直接控制组合级别的Gmax。颗粒尺度接触行为与宏观刚度之间的微观-宏观联系，以及水泥涂层存在与否对其的影响，仍不为人所熟知。
为填补这一研究空白，本研究系统地研究了水泥涂层对再生混凝土骨料（RCA）Gmax的影响。具体目标包括：（1）通过一系列弯曲元件测试测量有无水泥涂层的RCA组合的Gmax；（2）通过微观观察表征RCA颗粒的成分和表面特性；（3）通过理论分析建立微观力学接触行为与宏观刚度之间的定量关系，将颗粒尺度接触刚度与组合级别的Gmax联系起来；（4）提供关于水泥涂层如何从微观到宏观尺度控制RCA力学性能的基本见解。
材料属性和测试程序
本研究使用了来自中国南京当地旧建筑和混凝土路面拆除项目的再生混凝土骨料（RCA）。经过破碎处理后，选择了砂粒级的RCA进行研究，该材料符合ASTM-D2487标准（“工程用途土壤分类标准（统一土壤分类系统）”2020年）中的良好级配砂（SW）分类。
酸洗对RCA Gmax的影响
根据不同孔隙率样品的实验数据，利用常用的孔隙率函数拟合了RCA的小应变刚度（He，2018年）。分别对酸洗前后RCA试样的孔隙率函数进行了优化，表达式分别为方程（5）和（6）。函数形式的差异反映了RCA在不同孔隙率下的Gmax-孔隙率关系差异。
从接触力学的角度解释RCA的Gmax
前几节揭示了一个现象：酸洗后RCA的Gmax降低。为了解释这一宏观趋势，本节旨在从接触力学的角度深入探讨其背后的颗粒尺度机制。假设尽管去除了较软的水泥砂浆，但酸洗过程可能改变了颗粒间接触的形态和完整性，从而影响了颗粒结构的整体接触刚度。
结论
通过弯曲元件试验和微观力学试验及分析，研究了再生混凝土骨料（RCA）的动态性能。重点研究了水泥涂层对颗粒间接触特性和宏观刚度的深远影响，通过比较涂层前后材料的力学性能进行了探讨。结果表明，水泥涂层的存在显著改变了小应变刚度特性，使RCA与传统岩土材料有所不同。
CRediT作者贡献声明
李曼：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、方法论、研究设计、资金获取、正式分析、数据整理。马修·理查德·库普：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法论构建、概念构思。蔡国军：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、项目管理、资金获取。何焕：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论设计、研究实施、资金获取。
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
本文所述工作得到了中国国家杰出青年科学基金（项目编号：42225206）、国家自然科学基金（项目编号：52478331）、江苏省研究生研究与实践创新计划研究基金（项目编号：SJCX220064）以及安徽智能地下检测技术研究基金（项目编号：AHZT2023KF01）的资助。
