[2024年資助成果] 低碳再生水泥應(yīng)用于混凝土性能研究-王俊杰

低碳再生水泥應(yīng)用于混凝土性能研究

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人

王俊杰，清華大學(xué)土木系助理研究員

隨著全球氣候變化和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，低碳高性能建筑材料的研究與應(yīng)用已成為建筑行業(yè)的重要課題。再生水泥作為一種新型環(huán)保材料，通過回收廢棄混凝土塊體，不僅實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，還具有顯著的節(jié)能減排效果。再生水泥和再生骨料在混凝土中的應(yīng)用，不僅可以減少對(duì)天然水泥和砂石骨料的依賴，降低建筑廢棄物的處理成本，還能有效減少混凝土生產(chǎn)過程中的碳排放。

然而，再生水泥混凝土在力學(xué)性能、耐久性和微觀結(jié)構(gòu)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會(huì)影響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機(jī)理，探索其在混凝土中的應(yīng)用及其對(duì)性能的影響規(guī)律，對(duì)于推動(dòng)可持續(xù)建筑材料的發(fā)展具有重要意義。

本項(xiàng)目探討了再生水泥的固碳和高性能化機(jī)理，包括其在不同前驅(qū)體和處理方法下的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)變化；其次，研究再生水泥性能的強(qiáng)化機(jī)制；最后，研究再生水泥在混凝土中應(yīng)用的可行性，分析其對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性的影響。通過這些研究，期望為再生水泥混凝土的綠色化和高性能化提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

重要研究進(jìn)展及成果

研究成果1：低碳再生水泥物理化學(xué)性能影響機(jī)理

再生水泥在環(huán)保和低碳建材領(lǐng)域中占據(jù)了重要位置，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在降低碳排放、減少資源浪費(fèi)等方面。本研究通過破碎、加熱、研磨等步驟對(duì)廢棄水泥進(jìn)行再生，探索了其在不同處理?xiàng)l件下的性能變化和機(jī)理。具體來說，本研究從處理機(jī)制、處理時(shí)間、粒徑指標(biāo)等多個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化分析，最終確定了最優(yōu)的再生水泥制備工藝。

此外，碳化養(yǎng)護(hù)是提升再生水泥性能的關(guān)鍵手段。通過在CO?環(huán)境下對(duì)再生水泥進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，能夠顯著提高其抗壓強(qiáng)度和致密性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過CO?養(yǎng)護(hù)處理后，再生水泥的孔隙率明顯下降，表面形成了豐富的碳化產(chǎn)物CaCO?，這不僅提升了其抗壓強(qiáng)度，還有效改善了水泥的微觀結(jié)構(gòu)。

圖1 再生復(fù)合水泥漿體碳化養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度增長

再生水泥的微觀結(jié)構(gòu)分析采用了X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）等技術(shù)。研究表明，在碳化養(yǎng)護(hù)條件下，再生水泥中的貝利特礦物反應(yīng)生成的碳化產(chǎn)物，不僅填充了孔隙，還改善了水泥漿體的整體致密度。此外，隨著碳化過程的推進(jìn)，水泥中的C-S-H凝膠發(fā)生了變化，形成了更為緊密的結(jié)構(gòu)，從而提高了水泥的強(qiáng)度和耐久性。這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)的再生水泥性能優(yōu)化和廣泛應(yīng)用提供了重要理論依據(jù)。

圖2 碳化養(yǎng)護(hù)再生復(fù)合水泥漿體的電鏡圖

研究成果2：不同種類再生水泥的固碳機(jī)制

為了進(jìn)一步提高再生水泥的性能，研究聚焦于不同種類再生水泥固碳效果。碳化養(yǎng)護(hù)不僅是改善再生水泥強(qiáng)度的重要手段，還能夠促進(jìn)水泥中碳酸鹽礦物的形成，從而有效減少二氧化碳的排放。

Si NMR（硅核磁共振）分析結(jié)果表明，CO養(yǎng)護(hù)的再生水泥漿體中，Q的比例較高，表明形成了更高聚合度的C-S-H結(jié)構(gòu)。同時(shí)再生水泥的強(qiáng)度提高了約15%-20%，并且顯著提高了水泥的耐久性。

（a）N組

（b）P組

圖3 碳化養(yǎng)護(hù)下不同再生水泥29Si NMR圖譜

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于不同再生水泥樣品，其碳化后的抗壓強(qiáng)度和孔隙率表現(xiàn)各異。經(jīng)過碳化養(yǎng)護(hù)后，再生水泥抗壓強(qiáng)度均有顯著提升。進(jìn)一步的熱重分析（TGA）和XRD分析結(jié)果表明，碳化養(yǎng)護(hù)有效促進(jìn)了水泥內(nèi)部CaCO的生成，這些碳酸鹽礦物填充了水泥漿體的孔隙，增強(qiáng)了水泥的致密性。

在優(yōu)化固碳研究中，研究人員還通過不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)比分析了碳化養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，再生水泥的抗壓強(qiáng)度和密實(shí)度均有顯著提高。具體來說，經(jīng)過28天CO養(yǎng)護(hù)后的再生水泥，其抗壓強(qiáng)度比未養(yǎng)護(hù)樣品提高了約30%。

圖4 再生復(fù)合水泥漿體碳化增強(qiáng)機(jī)理示意圖

研究成果3：低碳再生水泥在混凝土中的應(yīng)用

再生水泥在混凝土中的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)其低碳高性能目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究表明，再生水泥在混凝土中的性能受到多種因素的影響，包括再生水泥的微觀結(jié)構(gòu)、固碳增強(qiáng)效果、與再生骨料的粘結(jié)性能等。

一方面，盡管再生水泥混凝土的強(qiáng)度和耐久性不如傳統(tǒng)硅酸鹽水泥混凝土，但其低碳排放特性使其在可持續(xù)建筑材料領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，使用再生水泥的混凝土比傳統(tǒng)混凝土的二氧化碳排放量能夠減少約85%，這一數(shù)字為綠色建筑提供了新的解決方案。

另一方面，再生骨料的質(zhì)量對(duì)再生混凝土的性能影響較大。由于再生骨料通常含有一定的雜質(zhì)和較高的吸水率，因此在混凝土中使用時(shí)，容易影響其力學(xué)性能和耐久性。研究顯示，通過優(yōu)化再生骨料的預(yù)處理方法，如進(jìn)行水洗和熱處理，可以有效改善其與再生水泥的結(jié)合力，從而提高再生混凝土的綜合性能。

在微觀層面，研究還發(fā)現(xiàn)，界面過渡區(qū)是影響再生水泥混凝土性能的關(guān)鍵因素。普通混凝土（C-O）界面過渡區(qū)較窄且均勻，表明骨料與水泥漿體之間的結(jié)合良好，整體結(jié)構(gòu)較為緊密。再生骨料混凝土（C-R）：舊砂漿附著于再生骨料表面，導(dǎo)致界面過渡區(qū)寬且弱，孔隙率高，力學(xué)性能和耐久性較差。再生水泥混凝土（RC-O）：再生水泥表面松散多孔，與骨料結(jié)合力差，存在裂縫，影響整體性能。全再生混凝土（RC-R）：結(jié)合了C-R和RC-O的缺陷，界面過渡區(qū)不均勻，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力學(xué)性能和耐久性最差。普通混凝土：孔隙率低、結(jié)構(gòu)致密，具有良好的力學(xué)性能和耐久性。

圖5 不同組份混凝土的多參數(shù)指標(biāo)圖

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人簡介

王俊杰，清華大學(xué)土木系助理研究員。國家重點(diǎn)研發(fā)首席青年科學(xué)家，連續(xù)兩年入選愛思唯爾全球前2%頂尖科學(xué)家榜單，清華大學(xué)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師(2024年)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金（青年）項(xiàng)目，國家教育部 “春暉計(jì)劃”合作科研項(xiàng)目和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題等。H-index為33，i10-index為38，Scopus總引用>3300次，單篇最高引用>410次，相關(guān)成果受到Nature正刊正面評(píng)價(jià)。王俊杰一直專注于低碳再生水泥、再生混凝土、地聚物混凝土等綠色建材及其耐久性和無損檢測(cè)等方面的研究。在國際高水平期刊Cement and Concrete Research、Cement and Concrete Composites等以第一/通訊作者發(fā)表SCI論文60篇（其中IF>10文章10篇，一篇ESI高被引論文），以第一作者授權(quán)國家發(fā)明專利3項(xiàng)。

聯(lián)系方式：junjiewang@tsinghua.edu.cn

“房地產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展”研究資助計(jì)劃

本項(xiàng)計(jì)劃由清華大學(xué)恒隆房地產(chǎn)研究中心于2023年初啟動(dòng)，該計(jì)劃面向清華大學(xué)全體教師和研究人員征集，鼓勵(lì)和支持我校圍繞房地產(chǎn)行業(yè)的多元場(chǎng)景，開展創(chuàng)新性、跨學(xué)科交叉研究等。2024年度研究計(jì)劃共資助了10項(xiàng)研究，相關(guān)成果發(fā)布會(huì)已于2025年1月10日在清華大學(xué)舉行。2025年研究資助計(jì)劃申報(bào)指南業(yè)已發(fā)布，感謝您的關(guān)注，期待您的申請(qǐng)與轉(zhuǎn)發(fā)。

點(diǎn)擊查看：2025年研究資助計(jì)劃申報(bào)指南

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