Influence of recycled fine aggregate particle size on wet carbonation for producing sustainable aggregate from construction waste
本研究表明，再生细骨料（RFA）的湿法碳化高度依赖于颗粒粒径，其中较粗的部分（>1.18 mm）由于离子浸出速度较慢，能够实现更优异的孔隙细化和均匀的碳化，而较细的部分则会遭受表面钝化和孔隙率增加的影响，最终在重新组合使用碳化后的 RFA 时，使砂浆的抗压强度提升了 25.1%。
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每当城市扩张或旧桥拆除时，都会留下堆积如山的破碎混凝土。几十年来，处理这些碎石的标准方法是将其粉碎，并用作河床中天然砂石的替代品。这种再生材料是构建可持续未来的重要资源，但它也存在一个缺陷。破碎的颗粒表面通常覆盖着一层粗糙且多孔的旧水泥浆，这使得它们变得脆弱且极易吸水。为了解决这个问题，科学家们开发了一种称为“湿碳化”的过程。简单来说，这涉及将粉碎的混凝土浸泡在水中，并通过混合物通入二氧化碳气体。这种气体与旧水泥中的钙发生反应，形成一种新的固体矿物质，从而填补孔隙并增强材料强度。这是一个将废物转化为更优质建筑材料，同时同时捕捉空气中二氧化碳的巧妙方法。
然而，来自中南大学研究人员的一项新研究表明，这一过程并非对每一块碎石都同样有效。团队发现，粉碎颗粒的大小是决定处理过程是有利还是有害的关键因素。他们发现，这种方法像一把双刃剑：它能增强再生砂的大颗粒，但同时会削弱最细小的颗粒。这一发现挑战了“所有再生混凝土都能从碳化中同等获益”的普遍假设，并揭示了颗粒大小决定了发生在水中的复杂化学斗争。
为了揭示这一隐藏的动态机制，研究人员取了一批再生细集料（本质上是粉碎的混凝土砂），并将其分为五个不同的尺寸组。随后，他们分别对每一组进行处理，将二氧化碳气体通入水和砂子的混合物中一小时。通过保持颗粒尺寸分离，他们能够观察化学反应在细粉与较粗颗粒中是如何展开的。他们测量了水的酸度，追踪了矿物质的释放情况，并使用强大的显微镜和化学分析工具检查了砂粒的物理变化。
结果显示，在 1.18 毫米这一特定尺寸阈值处出现了明显的差异。对于较大的颗粒，该过程是成功的。由于这些颗粒较大，其体积相对表面积较小，这意味着化学反应发生得较慢。这种缓慢的节奏允许二氧化碳在外部形成坚硬外壳之前，深入渗透到砂粒的孔隙内部。因此，新生成的矿物质填充了内部的孔洞，使颗粒变得更加致密和坚固。这些大颗粒的吸水率下降，抗压能力也显著提高。
相比之下，那些小于 1.18 毫米的最细颗粒则遭遇了不同的命运。这些微小的颗粒具有巨大的表面积，导致它们迅速向水中释放内部矿物质。这种快速释放在颗粒表面触发了即时的化学反应，几乎瞬间就形成了一层厚实、坚硬的新矿物质层。虽然这听起来是有益的，但它实际上制造了一个屏障。这个表面外壳阻挡了二氧化碳进入颗粒内部。与此同时，快速的化学反应剥离了颗粒内部的部分结合材料，导致其内部孔隙增多，结构变得更弱。这些细颗粒的总孔隙体积增加了近 19%，使其比以前更加脆弱且更易吸水。
尽管最细部分的结构发生了退化，但整个故事以一个高昂的基调结束。研究人员将所有处理过的颗粒重新组合，将增强后的粗颗粒与削弱后的细颗粒混合在一起，制成完整的、级配良好的砂子用于建筑。当他们使用这种混合处理后的砂子来制作砂浆时，最终产品的强度明显高于使用未经处理的再生砂制作的砂浆。在 100% 的替代率下，这种新砂浆在 28 天后的强度提高了 25.1%。研究人员认为，大颗粒增强所带来的收益足以抵消细颗粒损失带来的影响。此外，细颗粒发生的化学变化虽然破坏了其自身的结构，但也产生了一种富含硅酸盐的材料，这可能有助于在最终混合物中粘结水泥，从而提供二次益处。
这项研究强调，回收建筑废料并非“一刀切”的解决方案。升级再生集料的有效性在很大程度上取决于被处理颗粒的具体尺寸。只有当反应足够缓慢，能够渗透进材料内部而非仅仅停留在表面涂覆时，该过程才最为有效。对于建筑行业而言，这意味着未来的回收厂可能需要更仔细地对废料进行分类，或许可以针对不同的尺寸组采用不同的处理时间或方法，以最大限度地提高最终建筑材料的强度。通过理解这些微观层面的相互作用，工程师们可以更好地将这些城市废墟转化为构建更可持续世界的基石。
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