精细再生骨料和天然骨料的物理、化学及矿物学特性，以及这些特性对混凝土性能的潜在影响

《Results in Materials》：Physical, chemical and mineralogical properties of fine recycled and natural aggregates, and their potential influence on concrete properties

本研究分析了再生细骨料（FRA）的物理、化学及矿物学特性，及其对混凝土性能的影响。通过XRF、XRD和TGA等方法，发现FRA的粘结相（ACP）含有Ca(OH)?、C-S-H等成分，能缓冲CO?碳化，促进水化反应，提升混凝土的长期机械与耐久性能。

　　本研究围绕细粒级再生骨料（FRA）的物理、化学及矿物组成特性及其对新混凝土性能的影响展开。通过分析单一来源母体混凝土破碎所得的四种FRA粒径组分，研究者试图明确粒径变化如何影响FRA的特性。同时，将这些FRA与南非常见的两种细粒级天然骨料（FNA）——沙丘砂和灰岩破碎砂进行对比。研究还涉及对母体混凝土进行抗压强度和碳化程度的测试，以及对FRA、FNA和水泥进行水吸收率、密度、粒径分析、X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）等实验。结果显示，尽管FRA通常表现出较低的密度和较高的孔隙率，但其附着水泥浆（ACP）中主要由水化水泥相构成，其中更细的粉末组分（<0.15 mm）中这些水化相的浓度更高。这一发现表明，在使用FRA制备新混凝土时，ACP中的某些相如Ca(OH)?和C-S-H在混凝土碳化过程中能够与CO?发生反应，产生缓冲效应，同时C-S-H还能起到氯离子结合的作用。此外，ACP中的方解石、C-S-H和AFt等成分可以作为水化反应的成核位点，从而促进新混凝土的水化过程。研究还指出，通过ACP与胶凝材料之间化学相的协同反应，可以优化ACP的性能，进而提升新混凝土的长期力学性能和耐久性。

在研究的背景下，再生骨料（RA）作为天然骨料（NA）的替代材料，具有重要的环境和社会价值。随着基础设施建设对混凝土骨料的需求不断增加，RA的使用成为减少天然骨料开采对环境影响的有效途径。RA主要来源于建筑和拆除废弃物（CDW），如混凝土、沥青、砂浆、砖块等，其制备过程包括破碎和加工。RA中包含的ACP，是母体混凝土中的水化和未水化水泥浆，这些相在RA中形成一层较为松散和多孔的结构，从而对RA的性能产生重要影响。由于ACP的存在，RA的性能通常被认为不如NA，这限制了其在结构混凝土中的应用。尤其对于FRA而言，其性能限制更为显著，因为随着RA粒径的减小，ACP的含量会增加，从而进一步影响混凝土的物理和化学特性。

在现有文献中，关于RA性能的研究结果存在矛盾。部分研究指出，随着母体混凝土强度的提高，RA中的ACP含量也会增加，这可能对混凝土的强度和耐久性产生负面影响。然而，也有研究并未发现两者之间的明显关联。此外，对于水吸收率和密度等物理特性，文献中的研究结论也不一致，有的认为随着母体混凝土强度的提升，RA的水吸收率降低，而有的则显示水吸收率增加。这些不一致的结论表明，RA及其对混凝土性能的影响尚未被充分理解，因此需要更深入的研究来揭示其内在机制。

在研究方法上，本文采用了多种技术手段对FRA进行表征，包括估算ACP的数量、质量和化学组成。这些FRA组分与两种常用的FNA——沙丘砂和灰岩破碎砂，以及波特兰水泥进行比较，以评估ACP对新混凝土性能的具体影响。研究目标在于分析FRA的物理、化学和矿物特性，尤其是不同粒径FRA中的ACP特性，以及这些特性如何影响新混凝土的性能。研究结果不仅有助于解释文献中的矛盾现象，也为深入理解母体混凝土和ACP如何影响RA及其混凝土性能提供了新的视角。

实验部分涵盖了材料的选取和测试过程。FRA来源于母体混凝土，该混凝土来自一个高速公路升级项目中使用的耐久性测试板，这些板由钢筋涵洞和翼墙组成。为了确保研究的准确性，母体混凝土在破碎前进行了抗压强度和碳化深度的测试，以获取其基本性能数据。测试中使用了70±1 mm直径和150 mm高度的芯样，每块芯样进行了四次独立测量以确定碳化深度。这些数据对于评估ACP中可碳化相（如Ca(OH)?和C-S-H）的含量具有重要意义，因为这些相在碳化过程中会与CO?反应生成CaCO?，从而改变RA的孔隙结构、密度和水吸收率。此外，研究还指出，碳化过程可能会影响新混凝土的性能，因此需要在制备FRA时采取措施防止其进一步碳化。

在粒径分析方面，研究者将FRA的粒径分布与ASTM C33标准进行对比，发现所有细骨料均未满足混凝土应用所需的粒径范围。这表明，FRA的粒径分布可能会影响新混凝土的和易性、泌水性和水需求等性能。例如，FRA 1中较大的颗粒含量可能降低混凝土的和易性，除非在配比中进行适当调整。而FRA 3和FRA 4中较高的细颗粒比例则可能导致混凝土的和易性增强，但也可能增加其水需求。因此，为了弥补这些粒径分布上的不足，工业实践中通常会对细骨料进行混合处理。

在密度和水吸收率测试中，研究者发现所有FRA组分的密度均低于FNA，这主要是由于ACP的存在。FRA 1的密度最高，而FRA 2的密度最低，这一趋势与文献中关于FRA粒径减小导致密度降低的结论一致。同时，FRA的水吸收率较高，尤其是FRA 4，这与其较高的ACP含量相关。这些结果表明，FRA的物理特性，如密度和水吸收率，对新混凝土的性能有重要影响。因此，在选择FRA用于混凝土配比时，需要充分考虑其这些特性。

化学和矿物组成分析是本研究的另一重点。XRF测试结果显示，所有FRA组分均含有较高的二氧化硅（SiO?）含量，这表明其来源于硅质天然骨料。此外，FRA 4和FRA 3的SiO?含量分别为65.1%和78.7%，说明天然骨料在这些组分中更为集中。相比之下，FRA 1和FRA 2的SiO?含量相近，这可能与其颗粒尺寸相近有关。XRD分析进一步揭示了FRA中的矿物组成，其中石英是主要的矿物相，而方解石、伊利石/云母等则与ACP的水化过程相关。TGA和DTG曲线则提供了关于FRA中水分和化学结合水损失的信息，表明ACP中的某些相（如C-S-H、AFm和AFt）在加热过程中会发生分解和脱水反应。通过这些分析，研究者能够估算不同FRA组分中的ACP含量，从而为后续的混凝土性能评估提供依据。

研究结果表明，FRA 4的ACP含量最高，约为24.8%，而FRA 3的ACP含量最低，仅为14.8%。这一差异主要归因于FRA 4中较高比例的未水化水泥和碳化产物。此外，FRA 1和FRA 2的ACP含量相近，均为16.6%，这可能与FRA 3和FRA 4在FRA 2中的分布平衡有关。这些结果与XRF和XRD分析结果一致，进一步验证了ACP在FRA中的重要性。

研究还指出，ACP中的某些化学相，如Ca(OH)?、C-S-H、AFm、AFt和石膏，能够作为缓冲物质，提高新混凝土对氯离子和二氧化碳的抵抗能力。同时，ACP中的方解石、C-S-H和AFt相还能作为水化反应的成核位点，促进新混凝土中水化产物的形成，从而提升其强度和耐久性。这些发现为未来研究提供了新的方向，即通过选择适当的矿物掺合料（SCMs）和胶凝材料，利用ACP的化学特性，进一步优化新混凝土的性能。

此外，研究还强调了测试方法对ACP评估的重要性。由于目前尚无广泛接受的ACP测定方法，研究者采用多种技术手段进行综合分析。例如，XRF方法通过测定氧化物组成来间接评估ACP含量，但其结果可能受到其他矿物成分的影响。XRD方法虽然能识别和估算矿物相，但由于ACP通常为非晶态，其结晶度较低，导致难以准确量化。TGA方法通过温度依赖的分解过程来估算ACP，但可能受到某些挥发性矿物成分的影响。因此，为了更准确地评估ACP，研究者建议采用多种技术手段进行综合分析。

本研究还提出了关于未来研究的建议。首先，建议在RA的表征测试中，如水分含量和水吸收率测试，加热温度不应超过60°C，以避免化学结合水的损失，从而影响测试结果的准确性。其次，使用FRA时，应充分考虑其粒径分布、水吸收率、母体混凝土的强度以及ACP的含量和组成，以优化混凝土性能。通过合理选择材料和配比，可以最大限度地利用FRA的特性，提高新混凝土的性能，同时减少其潜在的负面影响。

综上所述，本研究通过详细分析FRA的物理、化学和矿物特性，揭示了其在混凝土中的潜在作用和影响。研究结果不仅有助于解释文献中关于RA性能的矛盾现象，还为未来研究提供了重要的参考和指导。通过优化ACP的性能，可以进一步提升新混凝土的长期力学性能和耐久性，从而推动再生骨料在建筑工程中的广泛应用。