关于WC-RCPP对超高性能混凝土（UHPC）时间依赖性流变性能的多种影响的见解

《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》：Insights into the diverse effects of WC-RCPP on the time-dependent rheological properties of UHPC

湿碳化再生水泥粉末（WC-RCPP）通过吸附聚羧酸减水剂（PCE）和水吸收效应调控超高性能混凝土（UHPC）流变学特性，早期以PCE吸附主导，中期水化促进效应显著，后期水吸收与孔隙结构影响减弱。

　　
该研究聚焦于湿碳化再生水泥浆粉末（WC-RCPP）对超高性能混凝土（UHPC）流变性能的动态调控机制，揭示了其多因素协同作用下的时间依赖性影响规律。研究以普通硅酸盐水泥和硅灰为主要胶凝材料，通过系统分析不同碳化程度WC-RCPP对UHPC体系工作性、流动度及触变性等关键流变参数的调控作用，构建了涵盖材料特性、界面作用及水化动力学的综合理论框架。

在材料制备方面，采用水灰比0.4的硬化水泥浆体制备WC-RCPP，通过湿碳化工艺实现再生水泥浆粉末的深度碳化处理。研究发现，WC-RCPP的碳化程度显著影响其活性成分的释放模式：高碳化度样本（C4、C5）中硅凝胶与碳酸钙的复合作用体系，相较于干碳化样本（C1-C3）展现出更强的界面吸附能力与水化催化效应。实验数据表明，当WC-RCPP掺量超过30%时，体系触变性呈现非线性变化特征，这与碳化产物的多尺度孔隙结构密切相关。

流变性能的调控机制呈现显著阶段性特征。早期阶段（0-20分钟）碳化产物的吸附作用占主导地位：WC-RCPP通过表面吸附聚羧酸系减水剂（PCE）改变其电离状态，促使减水剂分子链的构象变化，形成纳米级分散体系。此时水膜厚度（WFT）的动态变化与PCE的吸附量呈现强相关性，碳化产物中的硅凝胶微结构通过调控水膜厚度分布，使体系屈服应力提升达15%-20%。此阶段碳化产物的吸附效应与水化加速作用形成动态平衡，具体表现为PCE吸附量与水化放热速率的同步增长。

中期阶段（20-60分钟）出现复合调控机制：碳化产物中硅凝胶的火山灰效应促进水化进程，而碳酸钙的微晶生长则导致孔隙结构优化。值得注意的是，此阶段WC-RCPP对PCE的吸附量达到峰值（5.55mg/g），形成以碳化硅凝胶为载体的减水剂吸附层。这种界面复合结构不仅增强了减水剂的分散效能，更通过协同水化反应产生纳米级C-S-H凝胶，使体系塑性粘度降低约8%-12%。实验发现，当碳化度超过75%时，WC-RCPP的吸附界面可形成稳定的负电势层，显著改善纤维分散状态。

后期阶段（>60分钟）碳化产物的水化促进作用逐渐凸显：硅凝胶通过表面羟基化与水泥水化产物形成C-S-H键合网络，而碳酸钙晶核则引导水化产物定向生长。此阶段PCE吸附量趋于稳定，但碳化产物的水化催化效应使体系流动度恢复速率提升30%-40%。值得注意的是，当WC-RCPP掺量超过40%时，其水吸收能力与PCE吸附效应产生耦合作用，导致体系触变性系数出现突变，这种非线性响应源于碳化产物与减水剂的界面相互作用引发的结构相变。

研究创新性地构建了"吸附-水化-结构"三位一体的调控模型：在微观层面，碳化产物通过改变PCE的吸附构象，形成纳米分散的"减水剂-碳化产物"复合界面；在介观层面，优化后的水膜厚度分布与孔隙连通性显著改善颗粒堆积密度，实验数据显示当碳化度达85%时，UHPC基体堆积密度可提升至0.72g/cm3；宏观层面，这种结构优化与水化协同效应使UHPC的屈服应力波动范围缩小至±5%，较普通混凝土体系提升15%-18%。

研究还揭示了UHPC与普通混凝土体系中WC-RCPP作用机制的的本质差异：在普通混凝土中，碳化产物的孔隙填充效应通过改变水膜厚度直接调控流变性能；而在UHPC体系中，碳化产物通过"减水剂-基体"界面耦合作用，既增强纤维分散性又维持低水灰比环境。这种差异源于UHPC基体的高固体含量（>70%）和超细颗粒分布（45μm以下占比达85%），导致碳化产物的作用机制从单纯物理填充转向化学-物理协同调控。

通过灰关联分析发现，不同阶段的流变性能受多重因素影响，其关联度呈现动态演变特征：早期（0-20min）PCE吸附量与水膜厚度变化的相关系数达0.87，中期（20-60min）碳化产物水化活性与堆积密度的组合效应主导流变参数，后期（>60min）C-S-H凝胶的成核速率与体系强度发展呈现强耦合关系。这种阶段性变化验证了碳化再生材料在超高性能混凝土中的多尺度协同作用机制。

研究还发现WC-RCPP的碳化度与流变性能存在非线性优化区间：当碳化度在60%-80%之间时，其产生的硅凝胶表观比表面积（SSA）达到峰值（650m2/g），此时与PCE的吸附结合能形成最佳匹配，使UHPC的扩展度提升达25%以上。超过该区间后，碳化产物的孔隙率下降导致界面作用力减弱，出现性能衰减现象。

该成果为再生建材在低碳混凝土中的应用提供了理论支撑：通过湿碳化工艺调控再生水泥浆粉末的孔隙结构（孔径分布中5-20μm占比达65%），可使碳化产物既保持必要的吸水能力（24h吸水率控制在8%-12%），又具备优异的减水剂吸附性能（PCE吸附容量达5.5-5.8mg/g）。这种双重特性的实现，使得再生材料在UHPC中的掺量上限提升至40%，较普通混凝土体系提高15个百分点。

研究还提出了"界面能-水化热"双调控模型，解释了WC-RCPP对UHPC流变性能的阶段性影响：在初始阶段（0-20min），碳化产物通过表面吸附降低界面能，促进减水剂分散；中期（20-60min）硅凝胶的火山灰反应释放热量加速水化进程；后期（>60min）C-S-H凝胶的成核结晶主导结构演化。这种动态调控机制有效解决了再生材料掺量与工作性之间的矛盾。

实验数据表明，当WC-RCPP掺量达到30%且碳化度控制在75%时，UHPC体系可获得最佳综合性能：扩展度达650mm，坍落度时间（T500）为480s，屈服应力提升至42MPa，较基准组提高18%。值得注意的是，这种优化并非单一因素作用结果，而是碳化产物水化活性（提升速率达32%）、孔隙结构（孔隙率降低至18%）、减水剂吸附（结合能提高1.2eV）三者协同作用的结果。

研究最后指出，未来需在碳化工艺参数优化（如CO2浓度梯度控制）、多组分协同效应（与纳米二氧化硅复合使用）以及长期性能稳定性（>10年碳化收缩监测）等方面深化研究。特别是在超低水灰比（0.15）UHPC体系中，如何平衡碳化产物的吸水性与减水剂吸附性，仍需要通过分子动力学模拟等先进手段进行深入探究。

该研究为工业固废资源化利用开辟了新路径，证实湿碳化再生水泥浆粉末在UHPC体系中不仅具有环境效益（CO2当量减少42%），更通过独特的多尺度调控机制提升材料性能。其提出的"吸附-水化-结构"协同作用模型，为再生建材在特种混凝土中的应用提供了理论指导，相关成果已获得3项国家发明专利授权，并在港珠澳大桥二期工程中成功应用，验证了工程可行性。