Effect of Recycled Fine Aggregate Replacement Ratio on the Fresh State, Mechanical, and Water Absorption Properties of Self- Compacting Mortar

想象一下，建筑业就像一头巨大的、饥肠辘辘的巨兽，它吞噬着成堆的山砂和岩石来建造我们的城市，同时又吐出大量来自旧建筑的破碎混凝土。这造成了双重麻烦：我们正在耗尽天然砂石，同时也正淹没在废弃物之中。这时，我们的故事英雄登场了：自密实砂浆（Self-Compacting Mortar）。不要把它仅仅看作普通的混凝土，而要把它想象成一种超级光滑、浓稠的“浓汤”，像蜂蜜一样流动。你可以把它倒入模具，它会自行坍落并铺展开来，填满每一个角落，无需任何人进行振动或摇晃。它是高效且完美的建筑师之梦。

现在，想象一下尝试用垃圾桶里的原料而不是采石场的原料来制作这种完美的“浓汤”。这就是**再生骨料（Recycled Aggregates）**发挥作用的地方。这些是破碎旧混凝土形成的微小颗粒。科学家们一直问的一个大问题是：“如果我们用这些粗糙的再生颗粒替换掉新鲜、光滑的河砂，我们的“超级浓汤”还能流动吗？它还能保持强壮吗？还是会变成一团疙瘩、软弱无力的烂摊子？”这篇论文深入研究了这个混乱的“厨房实验”，旨在看看我们是否能将建筑废料转化为一种高性能的建筑材料，而不破坏配方。

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大沙交换实验

在这项研究中，两名来自伊朗的研究人员决定扮演混凝土实验室里的“疯狂科学家”。他们想看看当你以不同比例用“再生”砂（破碎的旧混凝土）替换掉自密实砂中的“优质”砂时，会发生什么。他们不只是在瞎猜；他们制作了五种不同批次的砂浆“浓汤”：

1. 对照组： 0% 再生砂（100% 新鲜天然砂）。
2. 轻度替换： 25% 再生砂。
3. 折中方案： 50% 再生砂。
4. 重度替换： 75% 再生砂。
5. 完全切换： 100% 再生砂。

他们保持其他所有成分完全相同——水泥量、水量以及特殊的“增流剂”——因此唯一的变量就是砂。然后，他们将这些批次投入一系列测试中，以观察它们在湿态（新鲜状态）下的表现以及干燥硬化后（力学性能）的表现。

流动性测试：“坍落”与“漏斗”

首先，他们观察了砂浆的流动情况。想象一下倒出一杯浓稠的奶昔。如果太稠，它倒不出来；如果太稀，它会溅得到处都是。

• 微型坍落流动测试： 他们掉落一个砂浆圆锥体，并观察它扩散了多远。那份“完美”的新鲜砂浆（0% 再生砂）扩散到了 33.5 厘米。但随着再生砂的增加，扩散范围缩小了。在 25% 再生砂时，扩散距离为 28.75 厘米。在 50% 时，降至 23.0 厘米。当他们达到 100% 再生砂时，砂浆几乎不再扩散，仅达到了 14.75 厘米。这是一个巨大的降幅，约为 56%！
• V型漏斗测试： 他们还计时了砂浆流过漏斗所需的时间。新鲜混合物在 7 秒内排干。100% 再生砂的混合物则用了 16 秒。

为什么会这样？ 作者解释说，再生砂就像一块带有粗糙、凹凸不平表面的海绵。它覆盖着一层干燥的旧水泥砂浆，这使得它既“口渴”又“粘稠”。当你混合它们时，这些粗糙的颗粒会互相抓取并吸附水分，产生摩擦力。这就像是在铺满砂纸而不是冰面的地板上滑动。你加入的再生砂越多，这碗“浓汤”就变得越“厚”、流动越慢。

强度测试：挤压

接下来，他们等待 28 天让砂浆硬化，然后通过挤压使其破碎，以此测量强度。

• 对照组（0% 再生砂）非常强壮，承载力为 38.9 MPa。
• 25% 替换组为 38.2 MPa。
• 50% 替换组为 37.6 MPa。
• 75% 替换组降至 36.1 MPa。
• 100% 替换组跌至 35.1 MPa。

这里有一个好消息：即使使用 100% 再生砂，砂浆依然相当强壮（高于 35 MPa）。这种下降并不是灾难性的，而是一个缓慢、平缓的过程。作者认为，再生砂内部含有细小的裂纹和孔隙（由于被破碎而成），这使得最终的块体略微变弱，但还不至于弱到无法使用。在 50% 替换率以内，强度几乎没有变化（降幅小于 4%）。

吸水测试：海绵效应

最后，他们检查了硬化后的砂浆能吸收多少水。

• 对照组吸收了 3.24% 的水。
• 100% 再生砂组吸收了 5.02% 的水。

这种增加是有道理的，因为再生砂本质上就是一块海绵。它上面粘附着旧砂浆，而旧砂浆充满了微小的孔洞。当你用这种砂建造墙壁时，这些孔洞会连通起来，形成一条供水流过的“高速公路”。你使用的再生砂越多，墙壁就越具有“海绵”特性。

结论：寻找“黄金平衡点”

那么，结论是什么？论文指出，你不能直接把 100% 的再生砂扔进砂浆里，并期望它能完全像原始版本那样工作。流动性会变得太慢，吸水率也会过高。

然而，研究发现了一个“金发姑娘区”（Goldilocks zone，意指最理想的状态）。如果你用再生砂替换掉 25% 到 50% 的天然砂，你就能获得两全其美的效果。在这个范围内：

• 砂浆仍然保持足够的流动性以投入使用（尽管不如 0% 版本那样完美）。
• 强度几乎保持不变（降幅不到 4%）。
• 吸水率有所上升，但并未达到危险程度。

作者总结道，使用再生砂是节省自然资源和清理建筑废料的好方法，但你必须小心配方。如果你替换比例过高（75% 或 100%），你需要调整混合比例（增加增流剂或改变水量）以维持其性能。但对于适度的替换，这对地球和建筑商来说都是双赢。

本论文未涉及的内容（“细则”）

了解这项研究没有做哪些事情是很重要的，这样我们才不会抱有过高的期望。研究人员并没有测试这些墙体在飓风中能撑多久，或者在严寒天气下是否会开裂，亦或是海水是否会侵蚀它们。他们只观察了最初的 28 天。他们也没有使用高级显微镜去观察砂粒内部的微小裂缝，而仅仅是根据观察到的结果进行了推测。因此，虽然结果令人鼓舞，但这只是一个起点，而非对所有可能情况的最终定论。

简而言之，这篇论文告诉我们，我们可以将混凝土废料回收利用为新的建筑材料，但我们必须仔细调配。替换四分之一或一半的砂，你就能得到坚固且环保的砂浆。如果全部替换，你可能需要做一些额外的额外工作来保证其流动性。