在地聚合物中回收利用砖粉和再生混凝土粉：水化动力学、微观结构及力学性能

时间：2026年2月22日

来源：Journal of Cleaner Production

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再生砖粉和再生混凝土粉对MK基地聚物早期水化动力学及28天力学性能的影响研究。采用等温热力学和低场核磁共振技术，发现BP替代10%时抗压强度提升3.2%，而CP替代25%以上导致强度下降5.9%-67.9%。微观结构显示BP组孔隙率降低且分布优化，CP组存在微裂纹增加。

作者：戴大旺、帕内萨尔·达曼·K.、娄贝宁、杨杰、孟涛

中国浙江省杭州浙江大学土木工程与建筑学院

摘要

了解再生砖粉（BP）和再生混凝土粉（CP）在地质聚合物中的水化行为对于其高效利用至关重要。本研究的新颖之处在于结合了等温量热法和低场核磁共振（¹H NMR）技术，揭示了BP和CP对基于偏高岭土（MK）的地质聚合物早期（72小时内）水化动力学的影响，并进一步探讨了它们对微观结构和力学性能的影响。结果表明，部分替代MK为BP或CP会降低基于MK的地质聚合物在72小时内的水化程度，同时提高成核和生长速率。含有CP的地质聚合物在早期（4小时内）的水化程度有所提高，这归因于额外的铝酸钙-硅酸盐-水合物（C–A–S–H）的形成；然而，其28天的抗压强度相比MK100降低了5.9%至67.9%。含有BP的地质聚合物在3至28天期间表现出更高的凝胶含量，这是因为BP中的可溶性Si⁴⁺和Al³⁺含量高于CP。在28天时，含有10% BP的地质聚合物的孔隙率降低，孔径分布得到优化，抗压强度比MK100提高了3.2%。相比之下，较高比例的BP替代（20–50%）导致抗压强度相对MK100降低了3.6%至65.5%。

引言

据估计，全球每年产生的建筑和拆除废弃物（CDW）超过100亿吨，其中砖块废弃物和混凝土废弃物占总量的80%以上（Tang等人，2020年；Wu等人，2019年）。这些废弃物通常通过倾倒和填埋处理，从而导致土壤和水体的污染（Chu等人，2021年；Seror和Portnov，2020年）。因此，CDW的处理引起了全球范围内的广泛关注。砖块和混凝土废弃物可以转化为再生骨料，随后用于制造再生混凝土（Li等人，2024年；Meng等人，2022年；Song等人，2025年）。在生产和回收砖块骨料（RBA）和再生混凝土骨料（RCA）的过程中，不可避免地会产生大量细粉（粒径< 150 μm），约占废弃物总量的20–30%（Meng等人，2021年）。在过去几十年中，关于再生骨料的研究取得了显著进展，并已应用于实际工程中（Li，2009年；Senaratne等人，2017年；Xiao，2018年；Ahmed等人，2025年）。然而，关于再生砖粉（BP）和再生混凝土粉（CP）的研究仍处于基础阶段。

BP和CP富含Si、Al、Ca和Mg元素，这些元素赋予了它们潜在的火山灰活性。文献表明（Chen等人，2024年；Li等人，2025a；Shao和Sakai，2025年），人们已尝试将BP和CP作为辅助胶凝材料使用。Bertelsen等人（2025年）报告称，BP具有显著的火山灰反应性。热重分析显示，含有BP的水泥浆体比含有惰性石英粉的水泥浆体消耗了更多的铝酸钙。相应地，含有BP的浆体在91天时的抗压强度比含有石英粉的浆体提高了约36%。Ma等人（2020年）证明，添加高达15%的粒径小于12 μm的BP可以改善水泥基材料的孔结构并提高其抗压强度。相反，粒径大于18 μm的BP或添加量超过30%的BP会降低材料的力学性能。S. Li等人（2023年）发现，BP的28天活性指数为0.71，符合中国国家标准GB/T 1596（2017）对C类粉煤灰的要求（≥0.70）。关于CP在水泥基材料中的研究比BP更为深入。研究人员对CP的力学性能（Duan等人，2020年；Xiao等人，2022a，2022b）、变形行为（Wu等人，2024a；Yao等人，2024年）、耐久性（Carriço等人，2021年；Murtaza等人，2024年）、流变特性（Li等人，2023年，2025b）以及水化动力学（Du等人，2023年；Xu等人，2023年）进行了全面研究。此外，研究人员还对CP进行了改性研究，以解决其在高替代率下可能对水泥基材料产生的不利影响。例如，Jiang等人（2023年；Ma等人，2024a；Zhao等人，2024年）通过碳酸化过程生成碳酸钙和硅铝凝胶，增强了CP的火山灰活性。Carriço等人（2021年）和Bogas等人（2020年）通过热激活促进了CP中物质的再水化，也提高了其反应性。Gu等人（2025年）和Ma等人（2024b）证明，CP的碳酸化处理可生成碳酸钙（Cc）和硅铝凝胶，从而增强其火山灰活性。先前的研究（Meng等人，2021年，2023年）表明，使用纳米材料进行改性可以进一步促进CP的二次水化。

有效利用CDW可以减轻建筑废弃物造成的环境污染（L. Wang等人，2023年）。近年来，使用BP和CP制备低碳地质聚合物引起了广泛关注。Sharmin等人（2024年）将BP作为粉煤灰和粒化高炉矿渣（FA-GGBS）地质聚合物的部分替代品。他们的研究表明，用BP替代40%的材料可以降低孔隙率并提高抗压强度5.9%。相反，Ma等人（2025年）报告称，在FA-GGBS地质聚合物中用BP替代30%的前体材料会导致抗压强度降低8.3%。Liu等人（2022年）发现，用CP替代25%的粉煤灰可以提高地质聚合物的抗压强度。具体来说，他们发现含有100% CP的地质聚合物的抗压强度仍可达12 MPa。Wu等人（2024b）观察到，在拉伸载荷下，添加25-50%的CP可以显著减小地质聚合物试样的裂缝宽度，尽管这会导致更多微裂纹的产生。Zou等人（2025）采用Box–Behnken设计响应面方法研究了CP粒径、活化剂模量、活化剂含量和水固比对矿渣地质聚合物力学性能的影响。结果表明，细小的CP颗粒（15.2 μm）促进了非晶态C–A–S–H凝胶的形成，而较大的颗粒（33.6 μm）主要起到惰性填充物的作用。BP和CP还被应用于泡沫地质聚合物和3D打印地质聚合物中。例如，Dang等人（2024年）发现，在高碱性环境中，添加BP显著改善了泡沫地质聚合物的孔结构，特别是增加了球形孔的数量，减少了孔壁厚度，并细化了孔体积。这些改进提高了泡沫地质聚合物的稳定性、防水性和机械性能。Jin等人（2024a）证明，用矿渣和BP制备的泡沫地质聚合物在800°C下仍能保持稳定性。此外，Pasupathy等人（2023年）指出，BP在地质聚合物中的存在提高了早期阶段的屈服强度和表观粘度，从而增强了其适用于3D打印的能力。根据文献综述，当前的研究主要集中在描述含BP或CP的地质聚合物的宏观性能上，而对其水化行为和机制差异的研究较少。

因此，本研究的独特之处在于结合了等温量热法和低场核磁共振（¹H NMR）技术，阐明了BP和CP对基于MK的地质聚合物在关键初始72小时内的水化动力学的影响。此外，热重分析（TGA）结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）提供了从3天到28天固化过程中水化产物变化的见解，汞侵入孔隙度测量（MIP）用于评估孔隙特性的微观结构变化。并且在整个替代范围内（0-50%）以10%的增量进行了系统的抗压强度测量。

材料

商业化的偏高岭土（MK）来自BASF有限公司。BP和CP由中国杭州林荣环境科技有限公司提供。这些材料来源于建筑和拆除废弃物（CDW），经过分离得到砖块废弃物（主要是烧制的粘土砖）和混凝土废弃物（含有碎骨料、沙子和硬化砂浆碎片），然后通过破碎、在60°C下烘干48小时至恒定质量，再进行球磨20分钟处理