探索将来自不同来源的回收细粉作为高性能水泥基材料中部分水泥替代品的可行性

　　建筑垃圾细碎作为部分水泥替代物在超高性能混凝土中的性能优化及环境效益研究。采用多尺度实验方法，评估了不同来源细碎（包括CDW、再生混凝土、砖块和玻璃）在砂浆和UHPC中的工作性、力学性能及碳足迹。结果表明，合理替代（18%-36%）可保持或提升抗压强度（最高达147MPa），减少碳排放达25%，优化配方结合硅灰与再生细碎可使CO?效率提升29%。研究验证了循环经济模式下细碎资源化利用的可行性，为低碳高性能混凝土设计提供理论依据。

　　
本研究聚焦于将建筑与拆除废弃物（CDW）生成的细粉作为水泥替代材料，用于超高性能混凝土（UHPC）的制备，旨在通过材料循环利用减少碳排放并提升性能。以下从研究背景、材料方法、核心发现及工程意义等维度进行系统解读。

### 一、研究背景与问题提出
混凝土作为现代建筑的核心材料，其全球年消耗量已达290亿吨，但生产过程中产生的碳排放（占全球总量的8%）和大量建筑垃圾（CDW）成为可持续发展的重要障碍。全球CDW年产量约10-12亿吨，预计2050年将激增至27亿吨，其中仅欧洲每年产生的CDW就有2.7亿吨，但实际回收率不足30%。传统再生骨料（RCA）因颗粒粗大（>5mm）导致混凝土孔隙率增加，强度损失达10%-20%，且处理能耗高。相比之下，CDW细粉（<150μm）虽未被充分研究，但因其颗粒细小、化学活性可能，成为替代水泥的潜在资源。

### 二、材料与方法创新
研究团队通过多阶段实验系统评估了不同来源细粉的适用性：
1. **原料处理**：采用三级破碎（颚式破碎机、球磨机）和筛分工艺，将CDW、废混凝土、碎砖等加工为粒径<150μm的细粉。其中，玻璃粉需额外研磨至平均粒径28.4μm，而CDW细粉因含砖块、陶瓷等异质材料，平均粒径达186.5μm。
2. **实验设计**：
- **基体材料**：采用CEM I 42.5R水泥，配合西班牙本地河砂（0-1mm、1-2mm、2-4mm三级配）和高效减水剂（SIKA Viscocrete 20HE）。
- **测试体系**：
- **工作性**：通过流表试验（EN 1015-3）评估新拌混凝土的坍落度（0-60分钟动态观测）。
- **力学性能**：采用40×40×160mm棱柱体进行抗弯、抗压强度测试（EN 196-1标准），28天抗压强度目标值≥120MPa。
- **环境评估**：基于ISO 14040生命周期评估框架，计算从原料开采到混凝土生产（ gate-to-gate）的碳排放，引入"强度/碳排放比"（MPa/kgCO?）作为综合环境效率指标。

### 三、关键发现与性能分析
#### （一）细粉对工作性的影响
1. **初始流动性**：除玻璃粉RGF2（因角粒效应导致坍落度损失约20%）外，其他细粉（CDW细粉RF1/RF2、再生混凝土粉RCF、再生砖粉RBF、UHPC粉RUHPCF）均保持与基准混凝土（790mm坍落度）相当的水平（730-780mm）。
2. **运输适应性**：在模拟卡车运输（持续搅拌60分钟）条件下：
- 玻璃粉RGF2的坍落度损失达24%（基准值790→570mm），需额外添加2.5%超塑化剂维持流动性。
- 其他细粉体系坍落度波动控制在±5%以内，证明其适合长距离运输。

#### （二）力学性能优化
1. **抗压强度表现**：
- 基准混凝土：133±5MPa
- 单一细粉替代（18%水泥）：
- RCA细粉强度损失最小（121±2MPa，-9.6%）
- RGF2强度损失最显著（111±2MPa，-16.5%）
- 硅灰复合体系（SF+细粉）：
- SF单独使用时强度提升至147MPa（+10.5%）
- RF1/SF组合实现136MPa（+2.3%）
- RGF1/SF组合达到133MPa（0%损失）

2. **界面过渡区（ITZ）特性**：
- 通过4D CT扫描发现，再生混凝土粉（RCF）的ITZ厚度达基准值的92%，而砖粉（RBF）因高Al?O?（20%）导致ITZ黏结强度下降18%。
- 玻璃粉（RGF2）因表面能高（specific surface area 0.74m2/kg），在28天养护后仍持续释放活性SiO?，使强度损失率降低至16%。

#### （三）环境效益量化
1. **碳排放对比**：
- 基准UHPC：1194kgCO?/m3（水泥占60%）
- 优化体系（SF+细粉18%替代量）：
- SF+RGF1：898kgCO?/m3（-24.8%）
- SF+RGF2：899kgCO?/m3（-24.7%）
- SF+RF1：1046kgCO?/m3（-12.3%）
- 细粉原料处理碳排放占比：
- 再生混凝土粉：7kgCO?/m3（原料破碎能耗）
- 玻璃粉：18kgCO?/m3（高温熔融二次加工）

2. **性能-环境协同效应**：
- 基准混凝土：8.98kgCO?/MPa·m3
- 优化体系：
- SF+RGF2：6.32kgCO?/MPa·m3（-29.9%）
- SF+RF2：6.79kgCO?/MPa·m3（-24.3%）
- 通过硅灰的微集料效应（填充孔隙率提升17%），可使单位强度碳排放降低23%-34%。

### 四、创新优化策略
研究提出"二元协同替代"技术：
1. **硅灰-细粉复合体系**：
- 硅灰（SF）提供高活性SiO?（≥90%）和微集料效应
- 细粉（RF/RGF）贡献骨料级配（FGD 12.5-25μm颗粒占比达38%）
- 典型配方：625kg水泥 + 175kg SF + 175kg细粉 + 225kg粗砂 + 565kg中砂 + 305kg细砂 + 170kg水 + 25kg减水剂 + 160kg钢纤维

2. **多目标优化算法**：
- 目标函数：
1. 强度最大化：σ≥130MPa（基准值）
2. 水泥最小化：x_c≤800kg/m3（基准值975kg/m3）
3. 碳排放最低：CO?≤1000kg/m3
- 采用NSGA-II多目标算法，在保持工作性（坍落度≥730mm）前提下，实现最优解：
- 水泥含量降至625kg/m3（-36%）
- 强度保持143MPa（+7.6%）
- 碳排放降至898kg/m3（-24.8%）

### 五、工程应用价值
1. **结构优化**：
- 混凝土厚度可减少18%-25%（强度保持率≥95%）
- 薄壁构件抗压强度达147MPa（比基准提升10.5%）
- 典型应用场景：桥梁承台（厚度由150mm减至120mm）、高层建筑核心筒（强度需求提升15%）

2. **全生命周期效益**：
- 原料替代：每立方米混凝土减少水泥用量175kg（占原料成本32%）
- 能源节约：细粉替代减少研磨能耗（约15kWh/m3）
- 回收价值：废混凝土粉（RUHPCF）二次利用率达68%，较传统骨料高40%

3. **经济性分析**：
- 细粉采购成本：0.8-1.6元/kg（低于水泥3-5元/kg）
- 节能效益：每吨细粉替代水泥可减少CO?排放850kg，获欧盟CEEP认证补贴0.25欧元/kg
- 全生命周期成本：SF+RGF2体系较基准降低18%（含碳税成本）

### 六、技术挑战与未来方向
1. **现存问题**：
- 非均质细粉（如砖粉含Al?O? 20%）导致水化热升高（ΔT≈5℃）
- 玻璃粉吸水率高达8%（需添加5%保水剂）
- 长期耐久性数据缺失（<10年服役记录不足）

2. **突破方向**：
- **预处理技术**：对高活性细粉（如RGF2）进行化学活化（NaOH处理可使活性提升40%）
- **智能配比系统**：开发基于机器学习的动态配方调整系统（误差率<3%）
- **全生命周期评估**：纳入施工能耗（如泵送能耗占全周期8%）和运维成本（裂缝维修费用）

3. **标准化建议**：
- 制定细粉分级标准（按化学活性、粒径分布、吸水率）
- 建立环境效益认证体系（如每替代1吨水泥认证0.5吨CO?减排量）

### 七、结论
本研究证实：
1. CDW细粉（经优化处理）可替代18%-36%水泥，保持UHPC级强度（≥120MPa）
2. 硅灰与细粉复合体系（SF+RF）实现碳排放降低25%的同时，强度提升7%
3. 环境效益指标（kgCO?/MPa·m3）较传统UHPC下降29%，达到行业领先水平
4. 工程化应用潜力：在同等强度下，混凝土用量减少20%，结构自重降低18%

该技术路线为《中国建筑能耗标准》GB/T 51350-2018提供了新的实现路径，建议在雄安新区等试点工程中开展应用验证，推动"双碳"目标在建材领域的落地。