[2024年资助成果] 低碳再生水泥应用于混凝土性能研究

[2024年资助成果] 低碳再生水泥应用于混凝土性能研究

随着全球气候变化和环境保护意识的增强，低碳高性能建筑材料的研究与应用已成为建筑行业的重要课题。清华大学王俊杰团队在"房地产可持续发展"研究资助计划支持下，对低碳再生水泥在混凝土中的应用进行了深入研究，取得了重要进展。

项目背景

再生水泥作为一种新型环保材料，通过回收废弃混凝土块体，不仅实现了资源的循环利用，还具有显著的节能减排效果。再生水泥和再生骨料在混凝土中的应用，不仅可以减少对天然水泥和砂石骨料的依赖，降低建筑废弃物的处理成本，还能有效减少混凝土生产过程中的碳排放。

然而，再生水泥混凝土在力学性能、耐久性和微观结构方面仍存在一定的局限性。例如，再生水泥和再生骨料的高孔隙率和吸水性会影响再生混凝土的工作性能和耐久性。因此，深入研究再生水泥的低碳高性能机理，探索其在混凝土中的应用及其对性能的影响规律，对于推动可持续建筑材料的发展具有重要意义。

研究内容

本项目探讨了再生水泥的固碳和高性能化机理，包括其在不同前驱体和处理方法下的力学性能和微观结构变化；其次，研究再生水泥性能的强化机制；最后，研究再生水泥在混凝土中应用的可行性，分析其对混凝土工作性能、力学性能和耐久性的影响。通过这些研究，期望为再生水泥混凝土的绿色化和高性能化提供理论依据和技术支持，促进建筑行业的可持续发展。

重要研究进展及成果

研究成果1：低碳再生水泥物理化学性能影响机理

再生水泥在环保和低碳建材领域中占据了重要位置，其优势主要体现在降低碳排放、减少资源浪费等方面。本研究通过破碎、加热、研磨等步骤对废弃水泥进行再生，探索了其在不同处理条件下的性能变化和机理。具体来说，本研究从处理机制、处理时间、粒径指标等多个方面进行了优化分析，最终确定了最优的再生水泥制备工艺。

此外，碳化养护是提升再生水泥性能的关键手段。通过在CO₂环境下对再生水泥进行养护，能够显著提高其抗压强度和致密性。实验结果表明，通过CO₂养护处理后，再生水泥的孔隙率明显下降，表面形成了丰富的碳化产物CaCO₃，这不仅提升了其抗压强度，还有效改善了水泥的微观结构。

图1 再生复合水泥浆体碳化养护下的强度增长

再生水泥的微观结构分析采用了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等技术。研究表明，在碳化养护条件下，再生水泥中的贝利特矿物反应生成的碳化产物，不仅填充了孔隙，还改善了水泥浆体的整体致密度。此外，随着碳化过程的推进，水泥中的C-S-H凝胶发生了变化，形成了更为紧密的结构，从而提高了水泥的强度和耐久性。这一发现为后续的再生水泥性能优化和广泛应用提供了重要理论依据。

图2 碳化养护再生复合水泥浆体的电镜图

研究成果2：不同种类再生水泥的固碳机制

为了进一步提高再生水泥的性能，研究聚焦于不同种类再生水泥固碳效果。碳化养护不仅是改善再生水泥强度的重要手段，还能够促进水泥中碳酸盐矿物的形成，从而有效减少二氧化碳的排放。

Si NMR（硅核磁共振）分析结果表明，CO养护的再生水泥浆体中，Q的比例较高，表明形成了更高聚合度的C-S-H结构。同时再生水泥的强度提高了约15%-20%，并且显著提高了水泥的耐久性。

（a）N组

（b）P组

图3碳化养护下不同再生水泥29Si NMR图谱

实验结果表明，对于不同再生水泥样品，其碳化后的抗压强度和孔隙率表现各异。经过碳化养护后，再生水泥抗压强度均有显著提升。进一步的热重分析（TGA）和XRD分析结果表明，碳化养护有效促进了水泥内部CaCO的生成，这些碳酸盐矿物填充了水泥浆体的孔隙，增强了水泥的致密性。

在优化固碳研究中，研究人员还通过不同养护时间对比分析了碳化养护对水泥强度和孔隙结构的影响。实验数据表明，随着养护时间的延长，再生水泥的抗压强度和密实度均有显著提高。具体来说，经过28天CO养护后的再生水泥，其抗压强度比未养护样品提高了约30%。

研究成果3：低碳再生水泥在混凝土中的应用

再生水泥在混凝土中的应用是实现其低碳高性能目标的关键环节。研究表明，再生水泥在混凝土中的性能受到多种因素的影响，包括再生水泥的微观结构、固碳增强效果、与再生骨料的粘结性能等。

一方面，尽管再生水泥混凝土的强度和耐久性不如传统硅酸盐水泥混凝土，但其低碳排放特性使其在可持续建筑材料领域具有显著优势。研究发现，使用再生水泥的混凝土比传统混凝土的二氧化碳排放量能够减少约85%，这一数字为绿色建筑提供了新的解决方案。

另一方面，再生骨料的质量对再生混凝土的性能影响较大。由于再生骨料通常含有一定的杂质和较高的吸水率，因此在混凝土中使用时，容易影响其力学性能和耐久性。研究显示，通过优化再生骨料的预处理方法，如进行水洗和热处理，可以有效改善其与再生水泥的结合力，从而提高再生混凝土的综合性能。

在微观层面，研究还发现，界面过渡区是影响再生水泥混凝土性能的关键因素。普通混凝土（C-O）界面过渡区较窄且均匀，表明骨料与水泥浆体之间的结合良好，整体结构较为紧密。再生骨料混凝土（C-R）：旧砂浆附着于再生骨料表面，导致界面过渡区宽且弱，孔隙率高，力学性能和耐久性较差。再生水泥混凝土（RC-O）：再生水泥表面松散多孔，与骨料结合力差，存在裂缝，影响整体性能。全再生混凝土（RC-R）：结合了C-R和RC-O的缺陷，界面过渡区不均匀，孔隙结构复杂，力学性能和耐久性最差。普通混凝土：孔隙率低、结构致密，具有良好的力学性能和耐久性。

图5 不同组份混凝土的多参数指标图

项目负责人简介

王俊杰，清华大学土木系助理研究员。国家重点研发首席青年科学家，连续两年入选爱思唯尔全球前2%顶尖科学家榜单，清华大学优秀硕士学位论文指导教师(2024年)。作为项目负责人主持“十四五”国家重点研发计划青年科学家项目，国家自然科学基金（青年）项目，国家教育部 “春晖计划”合作科研项目和国家重点研发计划子课题等。H-index为33，i10-index为38，Scopus总引用>3300次，单篇最高引用>410次，相关成果受到Nature正刊正面评价。王俊杰一直专注于低碳再生水泥、再生混凝土、地聚物混凝土等绿色建材及其耐久性和无损检测等方面的研究。在国际高水平期刊Cement and Concrete Research、Cement and Concrete Composites等以第一/通讯作者发表SCI论文60篇（其中IF>10文章10篇，一篇ESI高被引论文），以第一作者授权国家发明专利3项。

资助计划信息

本项计划由清华大学恒隆房地产研究中心于2023年初启动，该计划面向清华大学全体教师和研究人员征集，鼓励和支持我校围绕房地产行业的多元场景，开展创新性、跨学科交叉研究等。2024年度研究计划共资助了10项研究，相关成果发布会已于2025年1月10日在清华大学举行。2025年研究资助计划申报指南业已发布，感谢您的关注，期待您的申请与转发。