压实再生混凝土粉末的强度发展机制：碳化强化的多尺度解析

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Strength development mechanism of compacted recycled concrete powder material

本研究针对建筑拆除和再生骨料生产产生的大量未充分利用的再生混凝土粉末（RCP），提出了压实与碳化结合的低碳建材制备方法。为阐明其硬化机制，作者通过多尺度表征技术，揭示了非碳化样品以剪切破坏为主，而碳化倾向于将破坏模式转变为劈裂拉伸。研究表明，碳化后碳酸钙（CaCO3）晶体形成三维堆叠生长，在颗粒间构建三类晶体桥，显著增强了界面粘结力。该研究为理解压实建材的固化机制提供了重要见解。

　　

当我们谈论建筑业的绿色转型时，一个常被忽略的“灰色”副产品正悄然堆积如山——它就是再生混凝土粉末（Recycled Concrete Powder， RCP）。在旧建筑拆除和再生骨料生产过程中，大约会产生占原始混凝土重量25%的RCP。这些不起眼的粉末，由于成分多变、微观结构多孔且需水量高，目前绝大多数命运是被填埋或倾倒，既占用土地，又浪费了宝贵的资源。与此同时，水泥行业贡献了全球7%的人为二氧化碳（CO₂）排放，减碳压力巨大。于是，一个“变废为宝、一举两得”的想法应运而生：能否将这些废弃粉末，与无处不在的CO₂结合，制成坚固耐用的建筑材料？

将RCP压实成型，并利用CO₂进行加速碳化，被认为是将其转化为低碳辅助性胶凝材料（Supplementary Cementitious Material， SCM）的一种有前景的方法。在这个过程中，RCP中的水化产物会与CO₂反应，生成碳酸钙（Calcium Carbonate， CaCO₃）和硅胶，实现CO₂的永久封存。前人研究发现，碳化后的RCP可以提升材料强度，但对其背后的硬化机制，特别是压实与碳化协同作用下颗粒间的结合机制，仍然理解不足。大多数研究将碳化后的强度增强主要归因于CaCO₃的填充效应和孔隙结构的细化，而对压实本身贡献的关注有限。为了设计出性能更优的低碳压实再生建材，我们必须从根本上厘清其强度发展的“密码”。

为了回答这些问题，来自东京大学的研究人员Zongxuan Shao和Yuya Sakai开展了一项系统的多尺度研究，旨在揭示压实RCP材料在碳化前后的强度发展机制。他们的研究成果发表在《CEMENT》期刊上。通过结合宏观力学测试、细观理论分析和微观结构表征，他们不仅观察了材料破坏模式的变化，还定量评估了颗粒间的粘结力，并首次清晰描绘了CaCO₃晶体桥的形成过程，以及不同粘结机制对宏观强度的贡献。这项研究为理解和优化这类新型低碳建材提供了坚实的科学基础。

为了开展这项研究，作者们主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们通过轴向和静水压两种方式制备了不同配比的“合成”RCP压实样品，并设定了非碳化与碳化（3天）两组条件。其次，通过万能试验机（UTM）对样品进行无侧限抗压强度和劈裂拉伸强度测试，以评估宏观力学性能与破坏模式。接着，基于摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）破坏准则，利用测得的抗压和抗拉强度推导出颗粒间的内聚力和内摩擦角，从细观尺度量化界面粘结。然后，借助扫描电子显微镜（SEM）结合能谱分析（EDS），观察了从压实到碳化过程中颗粒形态、接触界面及CaCO₃晶体生长与桥接的微观结构演变。最后，通过溶剂（环己烷、乙醇、石油）浸泡实验，半定量地评估了机械互锁、颗粒摩擦、氢键、极性相互作用和晶体桥等不同粘结机制对整体强度的贡献。

3.1. 力学强度与破坏模式

研究发现，较低的骨料含量、较高的成型压力、静水压实以及碳化处理均能提高样品的抗压和劈裂拉伸强度。在破坏模式上，非碳化样品主要表现为对角线剪切破坏，类似于压实土体，这表明仅靠物理压实产生的颗粒间粘结强度远低于单个颗粒的强度。碳化后，样品的破坏模式发生转变，出现了三种不同的类型：高水泥浆含量样品的爆炸性脆性破坏、高骨料含量或低压样品的渐进剪切破坏，以及高压静水压成型样品的垂直劈裂破坏。这种转变暗示碳化显著增强了颗粒间的粘结。

3.2. 内摩擦角与内聚力

通过摩尔-库仑准则计算发现，对于非碳化样品，内摩擦角受骨料含量和压实方式影响不大，但随成型压力增加略有上升；而其内聚力值普遍较小。碳化则对内聚力产生了飞跃性提升。以样品H-70-50%为例，碳化后其内聚力从1.72 MPa增至9.41 MPa，增幅达447%。这表明碳化不仅在宏观上改变破坏模式，在细观尺度上也极大地强化了颗粒间的粘结作用，而不仅仅是填充孔隙。

3.3. 非碳化样品的颗粒形态、接触与硬化机制

微观观察显示，非碳化样品的承载骨架主要由大颗粒（未水化熟料、氢氧化钙等）构成，而水化硅酸钙（C-S-H）凝胶在压力下被挤压到颗粒空隙中，起到粘结剂作用，包裹小颗粒并可能与其他颗粒形成氢键。整个结构包含骨架颗粒区、C-S-H凝胶基质区、细颗粒堆积区和残余孔隙区。由于颗粒间主要为点接触，粘结较弱。

3.4. 碳化过程中CaCO₃键的形成

通过观察不同碳化时间（0小时/2小时/3天）的微观结构，研究人员清晰揭示了CaCO₃晶体桥的形成过程。在非碳化状态下，颗粒间主要是点接触，存在大量空隙。碳化2小时后，CaCO₃晶体开始在颗粒表面和空隙中成核并三维堆叠生长，形成板状、球状、针状等多种形态的聚集体，并开始出现初步的晶体桥连接。碳化3天后，晶体桥接变得非常显著，小颗粒间的边界几乎消失。能谱分析显示了大颗粒典型的“核-壳”结构：未碳化的内核、富硅的硅胶中间层和外层的分散CaCO₃。研究观察到三种类型的颗粒间粘结：由碳化后凝胶区形成的近乎完全的界面融合、由交织的针状文石晶体构成的致密网络，以及跨越颗粒界面生长的菱形或板状方解石晶体。

3.5. 不同粘结机制对强度的贡献

通过溶剂浸泡实验，研究人员半定量地评估了各种粘结机制对强度的贡献。对于非碳化样品，机械互锁和颗粒摩擦是主导机制，两者共贡献了总抗压强度（15.8 MPa）的79%。氢键贡献了约22%。这表明非碳化样品的强度主要来源于物理性的几何约束和表面阻力。对于碳化后的样品，极性相互作用（主要由碳化产生的富硅胶表面活性位点引起）贡献了12%的强度，氢键贡献约7%，颗粒摩擦贡献约12%。剩余的约69%的强度（53.1 MPa）则归因于机械互锁和CaCO₃晶体桥的共同作用，这一数值远高于非碳化样品中机械互锁单独的贡献（7.2 MPa）。因此，碳化带来的强度增强主要源于新产生的极性相互作用、增强的氢键以及最关键的在相邻颗粒间形成的晶体桥。

结论与讨论

本研究从宏观、细观和微观多尺度深入阐释了压实再生混凝土粉末材料经碳化后的强度发展机制。主要结论包括：碳化能显著改变材料的破坏模式，从剪切主导转向拉伸劈裂；通过摩尔-库仑准则定量证明碳化能极大提升颗粒间内聚力（例如提升446%）；微观上，CaCO₃晶体通过三维堆叠生长形成三类晶体桥，是强化界面粘结的关键；不同粘结机制的贡献得以量化，非碳化时以机械互锁和摩擦为主，碳化后则转变为以极性相互作用和晶体桥为主导。

这项研究的重要意义在于，它不仅证实了“压实+碳化”是一种将废弃RCP转化为高强度低碳建材的有效途径，更重要的是从机理层面阐明了“为什么有效”。它突破了以往主要关注工艺参数和相演变的局限，首次系统集成了相变、微观结构演化、界面行为与宏观力学性能，清晰揭示了从物理压实到化学碳化过程中，颗粒间粘结力从量变到质变的飞跃。这为未来针对性地优化材料配比、压实工艺和碳化条件，以最大化晶体桥接效应和界面强度，设计出性能更优、更环保的建筑材料提供了关键的理论依据和设计思路。尽管该研究在关键碳化条件对产物形态的影响以及长期耐久性方面存在局限，但其揭示的多尺度强化机制无疑将推动该回收方法向大规模实际应用迈出坚实的一步。