从废弃物到可持续建筑资源：基于颗粒堆积的再生骨料小尺度循环建造设计

《Sustainability》：From Waste to Sustainable Architectural Resource: Particle Packing-Based Design of Recycled Aggregates for Small-Scale Circular Construction

　　

建筑领域向循环经济转型需要新的方法，将建筑与拆除废弃物（construction and demolition waste，C&DW）再利用为材料资源。再生骨料是天然骨料的一种有前景替代方案，但其孔隙率和颗粒级配的波动性常常限制其实践应用。本研究评估了再生混凝土骨料（recycled concrete aggregate，RCA）与再生陶瓷骨料在街道家具等小尺度建筑构件中的适用性。研究人员采用颗粒粒径分布数据、改进Andreasen模型（Modified Andreasen model）以及EMMA（Elkem Materials Mix Analyzer）工具，对3种对比配合比进行了分析。其中2种配合比含再生骨料，1种参考配合比基于天然骨料。评价重点集中于颗粒堆积、需水量和胶凝材料用量。再生混凝土骨料配合比表现出最接近参考配合比的结果，其用水量为180 kg/m³，水灰比为0.50；相比之下，天然骨料配合比的用水量为170 kg/m³，水灰比同为0.50。由于更高的孔隙率（15–18%）和更细的颗粒组分，陶瓷骨料配合比需要最高的用水量（200 kg/m³）和水泥掺量（380 kg/m³）。通过在堆积模型中调整骨料比例，所有配合比仍获得了令人满意的颗粒结构（q = 0.31–0.35）。研究表明，通常用于混凝土技术中的颗粒堆积方法，同样可以支持建筑材料在设计早期阶段的选择。因此，再生骨料，尤其是RCA，可被视为长凳、座板及其他小尺度循环设计应用中替代天然材料的可行方案。

该文发表于《Sustainability》，围绕循环建筑（circular construction）背景下再生骨料在小尺度建筑构件中的应用潜力展开，核心目标是将材料分析与建筑设计决策衔接起来。研究背景在于，当代建筑正在从线性资源消耗模式转向循环经济（circular economy）导向，建筑材料不再仅被视为被动构成物，而被重新界定为影响环境绩效、建造逻辑与建筑表达的动态设计资源。现有研究已经表明，建筑与拆除废弃物（construction and demolition waste，C&DW）经加工后可转化为水泥基复合材料中的再生骨料，但再生骨料与天然骨料相比存在显著差异，尤其体现在复杂微结构、旧砂浆残留、较高孔隙率及级配不稳定等方面，这些因素将直接影响拌合物需水量、和易性、致密化程度、耐久性及潜在力学表现。特别是再生陶瓷骨料，由于其本征多孔结构，吸水率更高、参数波动更大，在高强度需求场景中的应用受限。另一方面，建筑学领域虽然日益关注材料再利用、美学再利用（aesthetics of reuse）与材料生命周期痕迹的表达，但多数研究仍主要停留于技术性能层面，较少将这些材料参数转译为设计初期的选材依据。因此，开展本研究的必要性在于：在结构尺度较小、允许材料实验与设计表达并行推进的街道家具场景中，验证颗粒堆积理论能否作为一种设计前评估工具，为再生骨料的小尺度循环建造应用提供依据。

研究人员以模块化街道长凳为示范性建筑情境，将座板作为主要比较对象，在相同几何与功能条件下，仅改变材料组成，比较再生混凝土骨料、再生砖骨料与天然骨料三类体系的配合特征。研究所得主要结论是：在所分析的再生材料中，再生混凝土骨料（RCA）体系与天然骨料参考配合比最为接近，表现出较好的颗粒堆积潜力和较低的额外需水量；再生陶瓷骨料体系由于孔隙率高、细颗粒比例高，用水量和水泥掺量显著增加，颗粒级配曲线稳定性也较差，需要更严格的比例控制。研究还表明，基于改进Andreasen模型和EMMA工具的颗粒堆积分析不仅适用于混凝土技术优化，也能够在建筑设计早期阶段支持材料筛选与比较。其重要意义在于：再生骨料不再仅作为“次级建材”被动进入配合设计，而是可以作为兼具技术性能与视觉表达价值的设计资源，服务于城市小品、街道座椅、座板等小尺度循环建筑应用。

研究采用的关键技术方法主要包括以下几方面。首先，对再生混凝土骨料、再生砖骨料及天然骨料进行基础物性参数整理，指标包括颗粒密度、孔隙率、粒径分布以及与环境负荷相关的指示性参数。其次，采用16,000 μm至63 μm筛孔范围开展粒度分析（granulometric analysis），建立各材料颗粒粒径分布（particle size distribution，PSD）曲线。再次，利用EMMA（Elkem Materials Mix Analyzer，版本3.5.2）结合改进Andreasen模型，对3种对比配合比进行建模分析，评价目标曲线拟合程度、颗粒堆积指数q、需水量、水泥用量和水灰比。最后，将结果置于统一的街道长凳座板应用情境中进行设计解释。本文未包含样本队列研究，也未开展实体试件力学与耐久试验，研究范围限于前期比较性建模评估。

在研究结果部分，论文首先给出“3.1. Conceptual Framework for Properties of Recycled Aggregates”。这一部分通过文献与概念比较指出，再生混凝土骨料与再生砖骨料在潜在性能上存在显著差异。再生混凝土骨料因保留原生天然骨料和硬化水泥浆，通常具有相对较好的潜在力学性质；再生砖骨料则更易破碎、孔隙率更高、潜在力学表现更弱。此外，再生骨料受来源与污染程度影响明显，因此在设计和应用前必须进行个体化表征。该部分为后续建模分析提供了材料学基础，也强调了再生材料异质性并非边缘问题，而是设计中必须正视的核心变量。

在“3.2. The Sitting Panels Predictive Modelling Analysis”中，研究人员对用于座板的三类材料体系开展预测性建模。结果显示，再生材料总体密度低于天然骨料，其中再生骨料密度约为2.05–2.40 g/cm³，天然骨料约为2.65–2.70 g/cm³；砖砂孔隙率最高，可达22%，而天然砂接近0%。这一差异直接指向更高的吸水性与更大的需水量。粒径分布结果进一步表明，再生材料含有更多细颗粒，尤其是砖砂通过63 μm筛孔的比例最高，为6%，天然砂则仅为1%。这些结果说明，再生材料尤其是陶瓷来源骨料，在配合设计时需要特别关注细粉含量及其对堆积连续性和用水需求的影响。

在“3.2.1. Mixture 1—Aggregate from Concrete Rubble”中，研究人员利用EMMA软件对混凝土废料骨料配合比进行分析。其颗粒级配曲线与目标曲线拟合较好，q值为0.31，显示该体系具备较高应用潜力。图形分析表明，在40–200 μm范围内存在一定团聚现象，研究人员将其归因于再生混凝土骨料中残留的水泥粉尘。尽管如此，该体系整体致密化潜力较强，说明通过适当选取0–2 mm、2–8 mm与8–16 mm各级颗粒比例，再生混凝土骨料可以形成较稳定的骨架结构。结合配合比参数，该体系采用CEM I水泥360 kg/m³、用水180 kg/m³，水灰比保持在0.50，与天然骨料参考组非常接近，体现出其作为替代材料的现实可行性。

在“3.2.2. Mixture 2—Aggregate from Brick Rubble”中，再生砖骨料体系表现出三组配合比中最明显的偏离。其颗粒级配曲线在10–100 μm粒径区间与目标曲线差异最大，显示该体系存在细颗粒过量问题。研究人员指出，砖砂中的高粉尘含量导致细颗粒比例偏高，从而提高了混合料吸水需求，并可能带来收缩风险。该体系在三组中需水量最高，为200 kg/m³，同时水泥掺量也最高，为380 kg/m³。论文进一步指出，其孔隙率达到15–18%，颗粒堆积稳定性较差，预示由此制备的构件在潜在力学性能和耐水性方面均不如另外两组。该结果并不否定再生陶瓷骨料的应用前景，但表明其适用前提是进行更精细的级配与用水控制。

在“3.2.3. Mixture 3—Aggregate from Natural Aggregate”中，天然骨料参考组表现出最平滑的颗粒级配曲线和最优的整体配置。其设计曲线与目标曲线匹配度最高，需水量最低，为170 kg/m³，同时水泥掺量也较低，仅340 kg/m³。该组以较少的水和水泥获得了最佳的堆积潜力和最优的预测性材料结构，因此被设定为全部比较分析的基准。该结果也反向说明，再生材料体系之所以需要额外建模分析，正是因为天然骨料体系在粒径结构与孔隙性质上更稳定、更易预测。

在“3.2.4. Conceptual Conclusions Drawn from the Analyses”中，论文对三组结果进行了综合归纳。研究人员认为，基于混凝土骨料的Mix 1最接近最优状态，也最接近天然骨料参考组，因而最有潜力用于需要较高潜在力学表现的应用场景。基于砖骨料的Mix 2稳定性最低，主要问题是高孔隙率和高吸水性，这不仅增加用水需求，也可能削弱最终构件的潜在耐久表现。天然骨料Mix 3则在联合效能上最优，代表了传统新材料体系在配合稳定性上的基准优势。更重要的是，研究结果说明，只要通过合理的颗粒级配设计，仍然有可能构建基于再生材料的高致密度配合比体系，从而使再生骨料成为符合循环经济理念的天然骨料替代方案。论文据此认为，后续开展实体样品制备与荷载试验具有充分合理性。

讨论部分进一步从技术与建筑双重维度解释了这些结果。首先，三组配合比之间的显著差异集中体现在孔隙率、细颗粒含量和需水量方面，表明再生骨料的异质性不是单纯的技术缺陷，而是必须在设计过程中被主动建模和管理的材料参数。其次，陶瓷骨料更高的细颗粒比例和孔隙率，导致需水量增加和级配连续性下降，这与当前关于再生陶瓷骨料在砂浆和混凝土中行为的研究结论一致。相较之下，RCA体系虽然同样具有一定孔隙性，但由于保留了较有利的颗粒结构和水泥浆残余，其整体表现更接近天然骨料参考体系。文中明确指出，RCA体系相较参考组仅增加10 kg/m³用水量且保持相同水灰比，而陶瓷骨料体系则增加30 kg/m³用水量并需要更高水泥掺量。再次，讨论部分强调，改进Andreasen模型与EMMA工具使研究人员能够通过q = 0.31–0.35的比较范围识别不同体系的堆积行为差异，证明颗粒堆积分析可作为设计前期比较工具。最后，从建筑设计角度看，粒径级配、孔隙率、颜色变化与表面纹理不仅影响工程参数，也影响材料表达和构件外观；在本研究的长凳座板情境中，材料差异被转化为可感知的视觉与触觉特征，因此材料分析与设计解释实现了联动。讨论部分同时强调，当前结果仍属于预测性和模型性结果，尚未经过直接力学和耐久验证，因此必须通过后续实验进一步确认实际服役性能。

研究结论部分可概括翻译如下：研究表明，只要在配合设计中充分考虑物理性质和粒径分布，再生骨料可作为天然骨料在特定小尺度建筑应用中的可行替代方案。结果清楚显示，再生混凝土骨料与再生陶瓷骨料在孔隙率、细颗粒含量和需水量方面存在显著差异，而这些差异会直接影响混合料行为。在所检验的再生材料中，含RCA的配合比与天然骨料参考组最为接近，在仅略微提高用水量至180 kg/m³的情况下，仍保持0.50的水灰比。相比之下，陶瓷骨料配合比因更高孔隙率（15–18%）、更高需水量（200 kg/m³）及较低级配稳定性，表明其对比例和细颗粒控制要求更高。研究同时证实，包括改进Andreasen模型和EMMA工具在内的颗粒堆积方法，能够在设计早期支持再生骨料的比较评估；在本研究框架内，各配合比达到q = 0.31–0.35，可用于识别和比较材料结构及堆积行为差异。从建筑学角度看，本研究强调了将材料分析与循环建造设计相结合的可能性，再生骨料不仅是次级建材，也会影响城市小尺度构件的视觉和材料特征。论文最后指出，当前结果属于建模预测结论，后续将通过实体原型制备及实验室力学、耐久性验证对最具潜力的配合比进行进一步检验。总体而言，再生混凝土骨料与参考组兼容性最高，而陶瓷骨料则需要更谨慎的需水量和级配控制；颗粒堆积基础上的评估方法可为小尺度循环建筑设计中的材料选择提供有效支撑。