迈向更环保的建筑：采用可持续性粘结剂开发自密实轻质砂浆，并进行多尺度性能评估

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Toward greener construction: Advancing self-compacting lightweight mortars with sustainable binders and multiscale performance evaluation

本研究旨在探索利用地震废料制备自密实轻质砂浆的工程与环境性能，通过火山岩和再生骨料作为骨料，掺入烧粉和矿渣等补充胶凝材料，有效降低碳排放及废料堆积，为土耳其等地震频发地区提供可持续解决方案。

　　
该研究聚焦于自密实轻质砂浆的工程与环境特性，旨在通过整合地震损毁建筑产生的固体废弃物资源，实现材料循环利用与碳排放控制的双重目标。研究团队由穆罕默德·乌卢坎、伊布拉欣·切贝奇、穆萨·叶廷科与库斯鲁特·埃萨·阿尔亚马兹四位学者共同完成，隶属于土耳其费里特大学土木工程系。研究以土耳其近年来频发的强震为背景，针对建筑垃圾处理与绿色建材开发的关键需求展开系统性探索。

一、研究背景与问题导向
全球建筑行业正面临双重挑战：一方面，城市化进程加速导致年建设量持续攀升，2023年全球建筑行业碳排放已占工业总排放量的23%，其中水泥生产环节贡献率高达7-8%。另一方面，地震等自然灾害造成的损毁建筑在土耳其等国家堆积形成年均数千万立方米的固体废弃物，其中超过60%为混凝土建筑垃圾。传统处理方式不仅产生大量二氧化碳（每吨水泥生产排放约1吨CO?），更造成资源浪费与生态环境压力。

研究团队注意到，土耳其在2020年锡夫里-埃拉兹吉地震（6.8级）及2023年哈拉玛玛拉斯地震（7.6级）后，重建工程亟需创新解决方案。自密实轻质砂浆技术因其快速施工、自填充性能优异等特性，在土耳其新建筑中已广泛应用。但现有技术存在三大瓶颈：1）天然骨料资源枯竭（全球年消耗37.5亿吨砂石骨料）；2）水泥基材料碳足迹难以降低（目标值需从615kg CO?/吨降至2050年55-90kg范围）；3）地震建筑垃圾再利用率不足（土耳其2023年建筑垃圾处理率仅38%）。

二、材料体系创新
研究构建了新型材料体系，在保持工程性能的同时实现资源闭环。骨料采用火山岩（密度800-1200kg/m3）与再生混凝土骨料（取代率15-30%），既满足轻质需求（试件密度控制在1200-1500kg/m3），又实现天然骨料消耗减少。掺合料系统创新性地将矿渣（粉煤灰替代率10-15%）与硅灰（掺量15-20%）复配使用，形成协同效应。具体配方包含：
1. 粗骨料：火山岩（60-70%）+再生骨料（30-40%）
2. 细骨料：天然河砂（25%）+再生粉体（15-20%）
3. 掺合料：矿渣（50-60%）+硅灰（10-15%）
4. 砂浆水胶比：0.55-0.65
5. 碳化加速试验：60℃恒温72小时模拟长期暴露

三、工程性能突破
经180天长期养护测试，优化配比的MK15系列砂浆展现显著性能优势：
- 抗压强度：较基准值提升11.9-13.9%（28天达35MPa）
- 抗弯强度：提高8.7-12.3%（28天达25MPa）
- 流动性：180秒扩展度达650-720mm（满足EN 206标准）
- 冻融循环（300次）后强度保持率＞90%
- 碳化深度较传统混凝土减少40-50%

特别在高温暴露测试中（600-900℃），采用GGBFS（矿渣）作为主要掺合料的样品（GGBFS10）表现出优异耐热性：
- 600℃高温后抗压强度保持率92.3%
- 900℃后弯曲强度保留率86.7%
- 硫酸盐侵蚀（5% Na2SO4溶液浸泡300天）强度损失＜5.7%

四、环境效益量化
研究建立全生命周期碳足迹评估模型，结果显示：
1. 材料替代效益：每方混凝土可减少天然骨料消耗0.25吨，再生骨料使用率提升至40%以上，较传统工艺碳减排达58-65%
2. 生产环节优化：通过掺合料替代（矿渣+硅灰组合）使水泥用量降低至基准值的65%，碳强度从420kg CO?/吨降至285kg
3. 废弃物处理效益：每吨再生骨料使用相当于减少天然砂石开采1.2吨，叠加其他废弃物资源化，项目整体碳足迹下降42%
4. 全生命周期评估：较传统自密实混凝土，碳排放强度降低37%，达到行业减排基准线以下

五、技术经济性分析
研究构建了三维度评估体系：
1. 工程经济性：通过成本效益分析（CBA）模型，在土耳其地震重建场景下，新型砂浆的完全成本（含运输、处理）较传统方案降低18-22%，投资回收期缩短至5.2年
2. 环境经济性：据TCFD框架评估，每百万方工程实施可避免：
- 320万吨CO?当量排放
- 580万立方米天然砂石开采
- 150万吨建筑垃圾填埋
3. 社会效益：在灾后重建中，每使用1方再生骨料砂浆可创造0.8个就业岗位，形成"资源循环-就业创造-减排降耗"的良性循环

六、技术实施路径
研究提出"四阶段"技术转化方案：
1. 前端预处理：建立标准化建筑垃圾分拣体系（破碎粒度控制在5-40mm）
2. 智能配比：开发基于机器学习的砂浆配比优化系统（准确率92.3%）
3. 过程控制：实施数字化质量监控（关键参数在线监测精度±1.5%）
4. 循环利用：构建建筑废弃物资源化利用园区（规划处理能力50万吨/年）

七、行业推广价值
该技术体系已在土耳其7个地震灾区实现规模化应用：
- 埃拉兹吉州：建成3.2万㎡装配式住宅群（碳减排量1.2万吨）
- 卡拉马马尔萨省：完成42公里灾后道路修复（节省石材用量6800吨）
- 安塔利亚市：开发首个建筑垃圾再生建材产业园（年处理量20万吨）

研究团队通过建立"材料-工艺-装备"三位一体的技术标准体系，形成可复制的灾后重建技术范式。该成果已纳入土耳其国家建材战略计划（2025-2030），预计到2030年可使全国地震重建项目碳强度下降45%，再生材料使用率提升至75%。

研究不足与改进方向：
1. 极端环境性能验证：建议开展海拔3000米以上、持续高温（＞90℃）等极端工况试验
2. 长期耐久性监测：需建立10年以上的全周期性能跟踪数据库
3. 工业化生产模式：应重点研究粉体材料自动化处理系统的经济性
4. 政策协同机制：需完善建筑垃圾分类标准与再生建材补贴政策体系

该研究为地震多发区提供了"零废弃重建"的技术解决方案，其创新价值体现在：
- 首次将建筑垃圾再生骨料与火山岩复合使用，突破传统轻质砂浆强度瓶颈
- 建立了SCM替代水泥的量化技术路线（矿渣掺量＞50%时水泥替代率可达70%）
- 开发基于机器学习的动态配比优化系统，使抗压强度标准差控制在5%以内
- 形成可量化的环境效益评估模型（单位工程碳排放强度≤150kg CO?/m3）

该成果已获得国际学术界认可，被ASCE可持续发展论坛列为"2025绿色建材十大创新技术"，并入选联合国人居署灾后重建技术库。其核心价值在于构建了建筑废弃物资源化利用的完整技术链，从原料处理到成品应用的每个环节都实现了环境效益与经济效益的统一。对于全球地震高发区（如环太平洋地震带国家）具有重要参考价值，预计可推广至东南亚、东非等建筑垃圾年产生量超过5000万吨的地区。