采用轻质混凝土的可再生建筑 - 具有 ${CO}_{2}$ 吸收功能的再生材料系统

Timo Haller * © , Sebastian Scherb, Nancy Beuntner © $^{©}$ , Karl-Christian Thienel © $^{©}$ .Universität der Bundeswehr München, Fakultät für Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften, Institut für Werkstoffe des Bauwesens, Werner-Heisenberg-Weg 39, Neubiberg 85579, Germany

A R T I C L E I N F O

关键词：

再生混凝土
轻质混凝土

超轻质混凝土

{CO}_{2}

吸收
碳酸化

建筑和拆除废物

摘要

保护自然资源和有效减少 ${CO}_{2}$ 排放是水泥和混凝土行业的重要目标。本研究针对轻质混凝土的报废问题，提出了一种回收最具挑战性的轻质混凝土（Infra-Lightweight Concrete）的策略。当前版本的德国混凝土标准 DIN 1045（2023）不允许在轻质混凝土中使用回收材料。本研究的目的是调查通过机械加工和筛选将超轻质混凝土元素回收为再生轻质混凝土骨料的潜力。随后，这些再生轻质混凝土骨料被用于生产再生超轻质混凝土，其目的是复制原始超轻质混凝土的特性。研究采用了关键的测试方法来描述再生轻质混凝土骨料和再生轻质混凝土的特性，包括密度、吸水性、抗压强度、导热性和 ${CO}_{2}$ 吸收性。研究表明，再生轻质混凝土骨料呈现出团聚结构，这极大地影响了密度和吸水率等关键参数，而密度和吸水率对于成功融入新的混凝土混合设计至关重要。回收轻质混凝土骨料在一种简单、可重复的方法中，在不同批次的回收材料中表现出一致的强度潜力，尤其适用于回收轻质混凝土。此外，再生轻质混凝土骨料显示出巨大的 ${CO}_{2}$ 吸收潜力，在按体积计算含有 $0.5 % {CO}_{2}$ 的受控环境中调节 10 天后，每吨再生轻质混凝土骨料的最大 ${CO}_{2}$ 吸收值为 123 至 138 千克。用再生轻质混凝土骨料生产的再生轻质混凝土在强度、弹性模量和导热性方面与原始轻质混凝土相似。值得注意的是，尽管干密度增加了 32%，但再生轻质混凝土的导热率仅增加了 3.3%，这表明其性能几乎与再生轻质混凝土相同。总之，只使用再生轻质混凝土骨料就能建造整体墙体构件，同时保持相似的性能参数。这种方法促进了材料的循环利用，减少了 ${CO}_{2}$ 排放，并验证了再生轻质混凝土的结构性能，从而为更可持续的建筑实践做出了贡献。

1.导言

21 世纪的现代生活发生在建筑环境中，由混凝土和钢材塑造。建筑行业的扩建和维护所需的施工消耗了大量自然资源，并伴随着高

{CO}_{2}

排放量。需要制定新的战略，使建筑行业更具可持续性，满足日益增长的环境需求。

建筑和拆除废物（CDW）的再利用对于促进建筑行业的材料循环至关重要。许多研究都强调，拆建垃圾是全球最大的废物来源，其数量每年都在增加[1-5]。尽管人们努力再利用家政废弃物，但大部分家政废弃物还是被填埋或降级用于土方工程和道路建设[6-9]。目前，只有一小部分煤渣作为再生混凝土骨料（RCA）被重新用于混凝土生产。例如，在德国，这一比例还不到混凝土生产所用骨料总量的

1 %

[5]。

术语

(CDW)	建筑和拆除垃圾
(RCA)	再生混凝土骨料
(LC)	轻质混凝土
(LWA)	轻质骨料
(ILC)	超轻混凝土
(LAC)	轻质骨料混凝土
(RILC)	再生轻质混凝土
(RLCA)	再生轻质混凝土骨料
(ITZ)	界面过渡区
(TGA)	热重分析
（傅立叶变换红外光谱）	傅立叶变换红外光谱仪

在过去几十年中，对普通混凝土的回收利用进行了广泛研究，现已付诸实践。根据 EN 933-11 [10]，CDW 的来源多种多样，可分为六类。根据 DIN 4226-101 标准[11]，再生混凝土是 1 类和 2 类 RCA 的主要成分。对于 BK-N 级混凝土中的

\leq C 50 / 60

混凝土等级，RCA 最多可替代

25 %

体积的总骨料 [12]。粗 RCA 面临的一个主要挑战是粘接砂浆，粘接砂浆通常比原始骨料更弱，导致 RCA 与正常重量的原始骨料相比，需水量更大，密度更低 [6,13,14]。

对于使用轻质骨料（LWA）的轻质混凝土（LC）而言，回收情况则有所不同。根据 DIN 1045-2 [12]，在结构混凝土中使用从 LC 中提取的 RCA 时，1 类 RCA 的使用量不得超过 10%，2 类 RCA 的使用量不得超过 30%。此外，RCA 本身不能用于生产 LC，干密度低于

2000 kg / m^{3}

的 RCA 不允许单独用于再生混凝土 [12]。后一种限制适用于当今流行的轻质低密度混凝土，它们用于生产强度和密度级别最低的整体清水墙构件。这些结构只需一次操作即可完成墙体的制作，不需要任何额外的保温材料或多层墙体组件。因此，这些结构必须同时满足施工设计标准和隔热要求。

超轻混凝土（ILC）代表了这一发展的最新阶段[15-19]。ILC 的混合设计旨在实现密度降低、强度充足和导热系数最小之间的平衡。在力学、密度和混合设计方面，ILC 与 DIN EN 1520 [20]中定义的轻质骨料混凝土（LAC）一致，但其不同之处在于它是一种预拌的现浇混凝土。这种方法已获得多个项目的批准[15]，并计划由德国钢筋混凝土委员会（Deutscher Ausschuss für Stahlbeton e.V.）正式引入建筑使用。ILC 的单片结构为回收和再利用战略提供了先决条件，因为它不需要在回收前分离不同的材料，而这是多层建筑构件面临的共同挑战[9,18]。鉴于 ILC 的适用性及其在现行标准中的缺失，本研究旨在提出一种回收和再利用 ILC 的方法，促进循环经济和

{CO}_{2}

减少战略。

本研究的目的是通过使用再生轻质混凝土骨料（RLCA）作为唯一的骨料来源来生产再生轻质混凝土（RILC），从而证明回收利用 ILC 的可行性。此外，该研究还试图强调回收轻质混凝土骨料的

{CO}_{2}

吸收潜力，因为它们具有良好的特性。

该研究涉及对从原生 ILC 加工而成的 RLCA 进行表征，随后对从 RLCA 制成的 RILC 进行生产和表征。该研究涉及以下三个关键研究问题：

确定 RLCA 的关键材料特性：RLCA 的材料特性对用其生产的混凝土的特性至关重要。要成功地将 RLCA 纳入 RILC 混合料设计，确定密度和吸水率至关重要。介绍了一种评估 RLCA 机械性能均匀性的方法，以考虑 RLCA 的变化。
评估用 RLCA 制成的 RILC 的性能：该研究旨在完全用 RLCA 生产 RILC，复制原始混凝土的性能。通过这种方法，可以与基准 ILC 进行全面比较，评估回收过程中的性能退化情况，以及重复回收循环的适用性。RILC 的质量采用标准 LC 测试方法（密度、强度、导热性）和受 RLCA 影响的其他特性（初始干燥收缩、弹性模量、持续加载）进行评估。
评估 RLCA 的 ${CO}_{2}$ 成矿潜力：RLCA 具有定向碳化的有利特征，包括可碳化材料的比例和孔隙率较高。研究量化了 ILC 元素对回收材料的 ${CO}_{2}$ 吸收。在受控环境中，结合使用热重分析（TGA）和傅立叶变换红外光谱（FTIR），在 ${CO}_{2}$ 浓度升高的情况下测量 ${CO}_{2}$ 吸收的程度。该研究考虑了在自然条件下达到的初始碳化状态、 ${CO}_{2}$ 总吸收潜能以及 RLCAs 中可碳化物质的比例。

这项研究响应了全球减缓气候变化和向更可持续的建筑实践过渡的迫切需求，是迈向更可持续未来的关键一步。

2.ILC 的回收和碳化概念

2.1.轻质混凝土的回收利用

在国际上，用于 LC 的再生骨料主要指使用再生有机材料替代传统矿物 LWA（如浮石、膨胀粘土或膨胀玻璃 [21-25]）。当作者提到再生矿物 LWA 时，主要是指由再生玻璃制成的膨胀玻璃 [26-28]，DIN EN 13055-1 [29]已经涵盖了这一点，并将其视为人造 LWA，而非再生 LWA。关于矿物源再生骨料及其在轻质混凝土中的应用的研究主要集中在蒸压加气混凝土碎片 [30-32] 或加工过的 CDW（如砖块 [33] 或混凝土粉末 [34]）。后者或者是冷压[35]，或者是在造粒前与膨胀剂混合，然后在窑中燃烧[36,37]。

有关使用源自轻质混凝土的 RLCA 的再生混凝土的信息十分有限。现有的研究旨在减少自然资源的消耗，并检查对 RLCA 和/或 LC 的影响。

由欧盟在 Brite EuRam III 计划下资助的一份报告[38]调查了在再生混凝土中使用 RLCA 作为骨料的情况。报告发现，RCLA 在浸出试验中符合环境标准，可用于生产 B35 级混凝土（在现行标准（EN 206 [39] 和 DIN 1045-2 [12]）中，这相当于 C30/37 级混凝土）。不过，基于 RLCA 的混凝土需要更多水泥，其密度约

200 kg / m^{3}

低于碎石混凝土。

Kümmel [40]根据技术、生态和经济标准对低熔点水泥的回收潜力进行了评估，结果表明 RLCA 可以有效地用于再生混凝土中。研究指出，使用颚式破碎机加工时，RLCA 的片状度较高，且形状不理想。与 RCA 不同的是，RLCA 的颗粒密度随着颗粒尺寸的增大而减小。由于 RLCA 的吸水性增加，建议对混合设计进行调整。抗压强度令人满意，符合结构要求。此外，由于界面过渡区（ITZ）较弱以及收缩和蠕变值较高，弹性模量有所降低。

由于 RLCA 的孔隙率较高且存在裂缝。

Bogas 等人[41,42] 使用源自低碳酸钙和低碳酸钙的 RLCA 生产了再生混凝土，并研究了各种耐久性能，包括干燥收缩、毛细吸水率和浸泡吸水率、碳化和抗氯化物渗透性能。测试结果表明，RLCA 的颗粒密度

60 %

较高，因此强度较高，密度

10 %

也有所增加。研究结果表明，随着 RLCA 替代率的增加，再生混凝土的耐久性能普遍下降。与 Kümmel [40]的研究相反，他们发现 RLCA 的弹性模量更高，这是因为 RLCA 与原始 LWA 相比刚度更高。

Huang 等人[43] 提出了一种回收报废液相色谱的新方法，即通过冷冻和解冻循环来分离液相色谱中的成分，而不会对其造成严重破坏。LC 收集自南京长江大桥。回收材料包括再生粉、再生细集料和 RLCA。RLCA 的干密度与原始 LWA 相似，但由于旧浆料的覆盖，吸水性较低。再生混凝土混合料的 RLCA 替代率分别为

10 %

、

20 %

和

30 %

。虽然

10 %

和

20 %

替代率在 28 天后抗压强度没有显著变化，但

30 %

替代率在 28 天后抗压强度增加了

14 %

。微观结构分析表明，新浆料和无旧浆料的 RLCA 之间的 ITZ 最强，而新浆料和有旧浆料覆盖的 RLCA 之间的 ITZ 最弱。

LWA 的类型和特性是影响任何轻质混凝土特性的主要因素。虽然 LWA 具有轻质混凝土的独特性能，但它们也对轻质混凝土的性能提出了挑战。当正常重量的混凝土被碾压时，断裂模式会沿着最薄弱的环节（通常是 ITZ 和空隙）进行，从而形成主要由正常重量颗粒和附着灰浆组成的 RCA。RLCA 的形状取决于使用的破碎机类型等因素[44]。由于附着砂浆的密度较低，RCA 的密度低于所使用的原始骨料的密度，颗粒密度随 RCA 粒径的增大而增大。另一方面，由于较粗的 RCA 中附着灰浆和糊状物的比例较低，因此需水量也会减少 [13,44,45]。相比之下，设计良好的 LC 缺乏 ITZ [46]，导致在破碎过程中 LWA 出现裂缝。因此，RLCA 会形成由 LWA 和附着砂浆组成的团聚体，从而提高其性能，并与 RCA 有明显区别 [40,41]。

2.2.RCA 的碳化

从技术角度来看，回收和再利用战略中的 RCA 碳化问题非常值得关注。碳化的基本过程是将氢氧化钙转化为碳酸钙

[47, 48]

。根据水泥和混凝土行业的碳中和路线图[49]，到2050年，每吨水泥浆中约有51千克的

{CO}_{2}

预计将通过碳化

[5, 49]

被重新吸收。混凝土结构拆除后，由于在破碎和进一步加工过程中暴露于碳化的表面积更大，

{CO}_{2}

吸收量会显著增加[50,51]。将 RCA 碳化纳入生命周期评估可减少混凝土的碳足迹。在文献中，RCA 的定向碳化也被称为

{CO}_{2}

矿化、

{CO}_{2}

固化或强制碳化。RCA 碳化最重要的因素是所用材料的类型，包括可碳化材料的含量（如非水化水泥残渣、氢氧化钙、硅酸钙水合物、无硫酸盐和含硫酸盐的铝酸盐水合物 [9]）、初始碳化进度状态、孔隙率和粒度 [51]。

人们研究了不同的方法来了解和改进 RCA 碳化。Poon [51] 模拟了温度和相对湿度等不同环境条件下的

{CO}_{2}

吸收，以及

{CO}_{2}

浓度、压力条件和暴露时间等相关条件下的

{CO}_{2}

吸收。其他研究还探讨了 RCA 的预处理方法，以加速 RCA 的碳化，包括改变介质

RCA暴露于

{CO}_{2}

中，如不同气体（如生物

{CO}_{2}

[52] 或水介质[53]）、压力室、流动容器[51]、加压高压釜中的水热条件[9]或结合水泥厂的技术集成[54,55]。在溶液、泥浆或乳液中预浸泡 RCA 的研究[56,57]。

通过碳化改善 RCA 物理特性的研究也有涉及。大部分研究的重点是降低吸水率，去除或强化粘附水泥浆[56]。这些改善在很大程度上归功于粘附水泥浆在碳化过程中的致密化，

{CaCO}_{3}

微晶填满了 RCA 的孔隙[6,56-58]。Infante Gomes 等人[59] 在多项研究中总结了

{CO}_{2}

固化对碳化 RCA 性能的影响。另一个需要改进的领域是提高回收细料的反应活性，以用作补充胶凝材料 [60,61]。

尽管做出了这些努力，但在生命周期评估中，只有极少数研究侧重于通过实验确定混凝土中使用的 RCA 的

{CO}_{2}

吸收潜力。表 1 总结了在各种碳化条件下 RCA 吸收

{CO}_{2}

的相关研究。在数据库中搜索了使用热重法实验装置专门关注

{CO}_{2}

吸收的研究。摘要旨在概述 RCA 的

{CO}_{2}

摄取量，并为本研究中的测量分类提供参考值。

确定

{CO}_{2}

吸收量的方法各不相同，RCA 的类型也各不相同（尤其是在可碳化材料含量、初始碳化进展状态和孔隙率方面），这些都给比较不同 RCA 的

{CO}_{2}

吸收量带来了挑战。不过，RCA 的定向碳化已被证明在工业规模上是可行的 [54,55]，这使其成为一种有望应用于轻质混凝土的技术。

3.材料和方法

3.1.ILC

本研究中使用的 ILC（ILC Origin）是专为清水外墙设计的，在一个整体组件

[15, 19]

中结合了结构和隔热要求。ILC Origin 是作为 ILC 可泵性研究的一部分而生产的[67]，其特征特性已被确定。表 8 汇总了这些特性，可作为分析本研究中开发的 RILC 的参考。

根据 EN 1520 [20]，ILC

C_{Origin}

属于强度等级 LAC 4 和密度等级 0.6。根据 DIN EN 13055-1 [29]，ILC 起源中使用的 LWA 是 1-2 毫米和 2-4 毫米馏分的膨胀玻璃。粘结剂由符合 EN 197-1 [68] 标准的矿渣水泥 CEM III/A 42.5 N 和符合 EN 13263-1 [69] 标准的悬浮凝结硅灰组成。硅灰悬浮液的含水量已在混合料设计中考虑在内。根据 EN 14889-2 [70]，添加剂包括聚羧酸醚基超塑化剂、引气剂和微聚合纤维。

然后将 ILC

_{Origin}

回收到 RLCA 中，以探索其在生产新混凝土中的再利用潜力。

3.2.将 $I L C_{Origin}$ 回收为 $R L C A$ 的过程

为了生产 RLCA，对

{ILC}_{Origin} (4 \times 2 \times 0.5 m)

较大的元素进行人工破碎，然后使用实验室颚式破碎机进行进一步的机械破碎。这一过程将粒度减小到大约

< 32 mm

。然后将破碎后的材料按粒度分组进行筛选：

< 1 mm ({RLCA}_{fine}), 1 - 2 mm ({RLCA}_{1 - 2}), 2 - 4 mm

({RLCA}_{2 - 4}), 4 - 8 mm ({RLCA}_{4 - 8})

和

8 - 16 mm ({RLCA}_{8 - 16})

。图 1 显示了粒度分布的一个示例，说明了调整颚式破碎机的设置对颗粒大小的影响。不过，在这项研究中，重点并不是对破碎过程进行微调，而是评估 RLCA 在混凝土生产中的总体适用性。

表 1

不同碳化条件下 RCA 的二氧化碳吸收研究摘要。

表格解析错误：打开和关闭标记不匹配！、

\开始{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline Reference & Type of Material & $\mathrm{CO}_{2}$ Exposure & \[ \开始{对齐｝ & \mathrm{CO}_{2}\text { Uptake }[\mathrm{kg}\\ & \left.\mathrm{CO}_{2}/ \mathrm{t}_{\mathrm{RCA}}\right] \结束 \] & Determination of $\mathrm{CO}_{2}$ uptake & Climate & Special observations\ \hline \begin{tabular}{l} Kikuchi\\ 和黑田[50] \end{tabular} & Old demolished concrete, Recycled crusher-run stone, New lab mortar & Natural carbonation & （（模拟 11） & TGA + insoluble residue test & （开始{tabular}{l}) $20^\{circ} \mathrm{C} / 65$ \% RH\ -通过干燥和干湿交替条件进行预调节 \end{tabular} & \begin{tabular}{l} -在混凝土生命周期中减少了总体（5.5 \\% ）的（(mathrm{CO}_{2}\)）排放量。 -干湿交替的条件极大地增加了（\mathrm{CO}_{2}）吸收量 \end{tabular}\\ \Xuan 等人[58] & 旧的拆除混凝土、新近粉碎的混凝土、新的实验室混凝土 & 加压碳化室（0.1 和 5 Bar），（100 \% \mathrm{CO}_{2}）浓度持续 24 小时 & 4.9-8.1 & TGA & Not specified -pre-conditioning at $25 \pm 3$ ${ }^{\circ} \mathrm{C} / 50 \pm 5 \% \mathrm{RH}$, corresponding to moisture content of RCA in range of 40-70 \% & \begin{tabular}{l} -更细的聚集体具有更高的$\mathrm{CO}_{2}$吸收率 -改善了 RCA 的物理和机械性能 \end{tabular}\\ \hline Fang et al. [51] & Demolished concrete, Old lab concrete & \begin{tabular}{l} a) 流过式碳酸化（流速为（1-10 \mathrm{l} / \mathrm{min}\) ），改变（\mathrm{CO}_{2}）浓度，持续 24 小时\ b) 加压碳酸化室（0.1 巴），100% （\mathrm{CO}_{2}\）浓度，24 小时 \end{tabular} & $\sim 6.5$ (Flow through) ~28-37 (Pressured chamber) & TGA & $25{ }^{circ} \mathrm{C} / 50 \pm 5 \% \mathrm{RH}$ & -Flow-through carbonation method is less efficient than pressureured carbonation method\ \hline Sereng 等人[62] & 旧的拆除混凝土、新近粉碎的混凝土、实验室混凝土 & 碳化室，15 或（100 \% \mathrm{CO}_{2}\ ）浓度 & \begin{tabular}{l} ~8.6-20.4 \\ (粉碎的混凝土） \\ 49.9 （实验室混凝土） \end{tabular} & TGA + mass control & （20^{\circ} \mathrm{C} / 65\) \% RH & -Study is part of large-scale "FastCarb" project on optimization of $\mathrm{CO}_{2}$ uptake -Elevated temperature improve $\mathrm{CO}_{2}$ uptake by enhancing diffusion through RCA`s \\ \Leemann et al.[63] & 拆毁的混凝土 & 在大气压下流淌碳化，（100 \\% \mathrm{CO}_{2}）浓度持续 70 分钟 & 10-21 & 质量变化根据水分损失和（\\mathrm{CO}_{2}）与空气质量差异进行校正 & 未指定 - 在（80^\{circ} \mathrm{C}）下预处理、与较高值（60-200 \%）相比，RCA 在较低含水量（30 \%的吸水率）时倾向于吸收更多的 \（\mathrm{CO}_{2}\）水。 \hline Kaddah et al. [64] & RCA, Mortar spheres (model material) & Carbonation chamber, $15 \% \mathrm{CO}_{2}$ concentration, for four days & \[ \开始{对齐｝ & sim 6.5-12.2(\mathrm{RCA})\ & \sim 51.6-70.6 \ & (\text { Mortar spheres) } \结束 \TGA + 质量控制 & （20^{circ} \mathrm{C} / 65） \% RH & -Pre-existing natural carbonation in RCA reduces further $\mathrm{CO}_{2}$ uptake （RCA 中预先存在的自然碳化减少了进一步的吸收 \hline \begin{tabular}{l} Dündar \\ et al. [65] \end{tabular} & RCA & Carbonation chamber, $15 \% \mathrm{CO}_{2}$ concentration 压力在 1 和 3 bar 之间变化持续时间在 2 和 120 小时之间变化 & ~3.7-7.4 & TGA & Varied \[ \开始{对齐｝ & 50-90^\{circ}\C\\ & 50 -90 \% \mathrm{RH} \结束 \& \begin{tabular}{l} -随着 RCA 尺寸的增大，压力的增加是有益的 \\ -RCA的微观结构以及物理和机械性能都有所改善 \end{tabular}\\ \Bastos et al. [66] & CDW, Mixed recycled aggregates, Lab concrete & Carbonation chamber, $25 \% \mathrm{CO}_{2}$ concentration for 24 hours & \begin{tabular}{l} 6-41 (CDW), 7-18\ (混合再生骨料），49（实验室混凝土） \end{tabular} & TGA & \begin{tabular}{l} \（23^\{circ} \mathrm{C} / 60\) \% RH \ -在（60^{\circ} \mathrm{C}\）进行预处理 \酸侵蚀会随着碳化时间的延长而发生，促进（\mathrm{CaCO}_{3}\）的溶解，降低（\mathrm{CaCO}_{2}\）捕获的可能性（\mathrm{CaCO}_{2}\）。 \线条 \结束

3.3.RLCA 在 RILC 中的测试和应用

在机械加工之后，我们采用实验程序来确定 RLCA 的关键材料特性。这些特性对于在生产 RILC 时复制

{ILC}_{Origin}

的混合设计至关重要。表 2 提供了 RLCA 和 RILC 的测试方法摘要，图 2 显示了研究的原理示意图。

3.4.RLCA 实验程序

本节概述了旨在评估 RLCA 性能的实验计划，重点是密度和吸水性，这对 RILC 的混合料设计至关重要。

3.4.1.RLCA 的密度和吸水性

所有测试都是在每个粒度组的三个样品上进行的。颗粒密度和吸水性能的测定是根据 EN

1097-6 [72].对于较细的颗粒（

< 1 mm

），密度和吸水率的评估遵循 DIN EN 1097-6（附件 D）[72]，该标准适用于主要颗粒含量小于 1 毫米且重量大于

50 %

的轻质多孔集料。这些参数既适用于烘箱干燥的材料（

105 \pm 5

）

^{\circ} C

，也适用于暴露在实验室条件下的材料（

20 \pm 5^{\circ} C

和 65

\pm 5 % R H)

）。

体积密度是根据 DIN EN 1097-3 [71] 确定的，该参数仅在暴露于实验室条件（

20 \pm 5^{\circ} C

和

65 \pm 5 % RH

）下的材料上进行测试。图 3 展示了切割后的圆柱体（左）和在颚式破碎机中加工 ILC 后的 LWA 颗粒（右）的横截面。

3.4.2.RLCA 机械性能的均匀性控制

回收过程会导致 RLCA 特性发生变化，如密度、吸水性和颗粒强度。为了评估这些变化对混凝土性能（特别是密度和抗压强度）的影响，我们对标准混凝土混合物进行了抗压强度测试。为此，对 RLCA 的体积混合物进行了抗压强度测试。

图 1.左：粒度组 RLCA

_{2 - 4}

。右图：经过颚式破碎机制备后的 RLCA (

> 1 mm

) 的体积通过率。所示曲线因所用实验室颚式破碎机颚板间距离的设置而不同。

表 2

RLCA 和 RILC 性能参数测试程序。

物业	测试方法
RLCA
体积密度 $[kg / m^{3}]$	EN 1097-3 [71]
粒子密度 $[kg / m^{3}]$	EN 1097-6 [72]
吸水性 $[wt %]$	EN 1097-6 [72]
强度势能的均匀性 [N/ ${mm}^{2}]$	DIN 4226-3 1983 [73]
${CO}_{2}$ -吸收 $[kg CO$
RILC $/$ ton RLCA $]$	基于 $[58, 62]$
新鲜密度 $[kg / m^{3}]$
塑料收缩 $[mm / m]$	EN 12350-6 [74]
干密度 $[kg / m^{3}]$	基于 [75,76]
抗压强度 $[N / {mm}^{2}]$	EN 992 [77]
导热性 $[W / (m ∙ K)]$	EN 1354 [78]
持续装载 $[-]$	EN ISO 22007-2 [79]
弹性模量 $[N / {mm}^{2}]$	根据 [80]

根据级配曲线 B16（DIN 1045-2 [12]）制备。一立方米碾压混凝土的混合物包括 350 千克 CEM III B 42.5 N，有效水灰比为 0.50。如

> 3.4 .1

部分所述，RLCA 的吸水率已被考虑在内。表 3 汇总了用于均匀性试验的混合料成分。根据 EN 1354 [78]，对

100 \times 100 \times 100 mm

立方体进行了 28 天后的抗压强度测试。为了评估因回收不同元素而导致的 RLCA 性能变化，进行了四次独立的混凝土操作，每次操作至少测试六个立方体。正如 Thienel [82] 报道的那样，这种方法最大限度地减少了形状不规则的颗粒对结果的影响，而其他方法可能会出现这种情况。不过，需要注意的是，虽然混合料的设计是稳健的，并允许尽可能宽的 RLCA 范围，但它并没有针对特定的混凝土特性进行优化。该程序基于 DIN 4226-3 [73] 中概述的一种方法，以前曾用于强度等级为 LB 8（特征立方体强度

8 N / {mm}^{2}

）[83] 及以上的 LC 中 LWA 的工厂控制。该测试能以最小的工作量有效检测 RLCA 特性的变化，确保使用经测试的 RLCA 生产的 RILC 质量一致。

3.5.RILC 的实验程序

本节概述了使用 RLCA 生产和评估 RILC 的实验计划。主要目标是优化混合设计，以复制原始混凝土（ILCOrigin）的特性，同时解决强度和耐久性方面的预期差异。

密度。我们的目标是使 ILCOrigin

^{and}

达到相同的强度等级，以保持可比的密度水平。

3.5.1.混合设计优化、密度控制和导热率

根据

> 3.4

节所述的 RLCA 表征，采用混合设计生产 RILC，旨在再现原始混凝土（ILC

_{Origin}

）的特性。混合设计只包括作为骨料的 RLCA，按 RILC 体积

54 %

计算。具体来说，混合料包括每立方米压实混凝土中 315 千克的 CEM III A 42.5 N，有效水/粘合剂比为 0.44。表 4 概述了生产

1 m^{3}

RILC 的混合料成分，表 5 详细介绍了混合机制。

通过测定新拌混凝土密度和屈服度，验证了理论混合设计。新拌混凝土密度是根据 EN 12350-6 [74] 标准对所有试样进行测定，以确定 RILC 的机械性能。根据 ASTM C138/C138M - 17a [84]，通过确定给定批次材料生产的新拌混凝土体积来计算收率。

根据 EN 992 [77]，对来自六个不同批次的 16 个圆柱体（高 300 毫米，直径 150 毫米）进行了干密度测定。热导率测量是根据 EN ISO 22007-2 [79]，使用瞬态平面源方法（Hot Disk TPS 2200，瑞典哥德堡）进行的。首先，在

105^{\circ} C

下将样品烘干至恒重，然后在装有硅胶的密闭容器中冷却至

23^{\circ} C

，以确保干燥条件。在四个独立的立方体上测量热导率。

3.5.2.塑料收缩

新拌混凝土的塑性收缩测量采用了与激光束配对的收缩锥进行非接触变形测量。这种方法可以在将混凝土放入锥体后立即评估收缩应变。

收缩锥的体积为

682 {cm}^{3}

，高度为 125 毫米。搅拌后约 5 分钟，将新拌混凝土倒入收缩锥。总共对新拌混凝土样品进行了两次测量。在 72 小时内，每隔 150 秒记录一次混凝土表面的沉降。收缩应变的计算公式为

Δ h / h

，其中

Δ h

为高度变化，

h

为混凝土在锥体中的初始高度。

Kucharczyková 等人[75] 对水泥复合材料的早期龄期收缩进行了类似的测量。与此不同的是，没有使用反射器进行距离跟踪，因为反射器密度低，会沉入新拌混凝土中。Greim [76] 提供了进一步的

图 2.研究方法示意图。这项研究包括对从传统 ILC（ILC

_{Origin}

）加工而成的 RLCA 进行表征，以及随后对从 RLCA 制成的 RILC 进行制备和表征。

图 3.切割后的圆柱体横截面（左）和颚式破碎机处理后破碎的 LWA 扫描电子显微镜图像（右）。

表 3

用于均匀控制 RLCA 机械性能的

1 m^{3}

混合设计成分。

材料	金额 $[kg]$	卷 $[m^{3}]$
RLCA $_{8 - 16 mm}$	128	0.161
RLCA $_{4 - 8 mm}$	107	0.134
RLCA $_{2 - 4 mm}$	89	0.094
RLCA $_{1 - 2 mm}$	67	0.067
RLCA $_{fine}$	317	0.241
水泥（CEM III A 42.5 N） $_{{Water}_{total}}$	350	0.117
水 $_{effective}$	356	0.356

表 4

生产

1 m^{3}

RILC 的混合设计组成。

材料	金额 $[kg]$	卷 $[m^{3}]$
RLCA $_{8 - 16 mm}$	151	0.191
RLCA $_{4 - 8 mm}$	127	0.159
RLCA $_{2 - 4 mm}$	105	0.111
RLCA $_{1 - 2 mm}$	79	0.079
水泥（CEM III A） $_{{Silica Fume}^{Water} total}$	315	0.105
节水	24	0.020
空气	264	0.264
超级增塑剂（SP）	150	0.150
空气夹带剂（AEA）	-	0.185
稳定器	1.6	-

表 5

生产 RILC 的混合工艺。

步骤	大约混合时间 [s]
将 RLCA 与一半的水混合	30
添加水泥	$45 - 60$
加入剩余的混合水	$60 - 90$
添加硅灰、SP 和 AEA	180
添加稳定剂	60

有关收缩锥技术细节的信息。

3.5.3.RILC 的机械性能

为确定 RILC 的机械性能，我们生产了不同批次的圆柱体（高 300 毫米，直径 150 毫米）。测试前，圆柱体表面磨平。根据 EN 1354 [78]，在 28 天后测定圆柱体的抗压强度。使用两个位移传感器（DD1，Hottinger Brüel & Kjaer GmbH，德国达姆施塔特）监测试验过程中的变形，传感器位于圆柱体两个相对的纵向侧，测量距离为 150 毫米，以记录应力-应变关系。

根据 EN 1352 [81]，对高度

(300 mm

、直径 150 毫米的圆柱体在 28 天后进行弹性模量测定。］

使用另外七个圆柱体（高 300 毫米，直径 150 毫米）检验了持续荷载对抗压强度的影响。这些试样在混凝土龄期为 28 天时以较低的加载速率（

4.2 N /

s）进行加载，直至破坏。此外，还使用了两个位移传感器（DD1，Hottinger Brüel & Kjaer GmbH，德国达姆施塔特）来记录圆柱体两个相对纵向侧的变形，测量距离为 150 毫米，以准确捕捉加载过程中的应变。在持续增加的荷载作用下大约 6 个小时后，试样失效。系数

α

的计算方法是将试验中达到的极限荷载除以 28 天后 RILC 的平均抗压强度。该方法在文献中众所周知，并已被采用、

例如，评估持续加载行为，并估算具有类似材料行为的混凝土（如 ILC

[18, 85]

和具有孔化基质的 LAC [80]）的降低系数

α

。此外，还将试验获得的系数

α

值与建筑规范建议的值进行了比较，如 Eurocode 2 [86]（适用于 LC；

α = 0.85

）、Eurocode 2 National Annex（德国）[87]（适用于 LC；

α = 0.75 - 0.8

）或 EN 1520 [20]（适用于 LAC；在均匀压缩情况下为

α = 0.85

，或在预计压缩区宽度减小时为 0.8）。这种比较有助于确认 RILC 的材料性能与原混凝土相当。确定系数

α

的相同步骤也适用于 ILC Origin。

3.6.RLCA 的 ${CO}_{2}$ 吸收能力

研究 RLCA 的

{CO}_{2}

吸收能力时，结合使用了 TGA（Netzsch STA 449 F3 Jupiter，德国 Selb）和 FTIR（ThermoFisher Scientific Nicolet iS10）。这种方法可以区分与

H_{2} O

和

{CO}_{2}

有关的重量损失，它们在 300 至 550

^{\circ} C

的温度范围内部分同时发生（见附录 A. - TGA）。三种不同粒度的样品（RLCA

_{fine}

、RLCA

_{2 - 4}

和 RLCA

_{8 - 16}

）首先在受控氮气环境（

21^{\circ} C

和

53 \pm 5 %

相对湿度）下的手套箱中进行调节，以稳定其初始质量。

调节后，将样品暴露在按体积计算含有

0.5 % {CO}_{2}

的氮气环境中 10 天--这段时间足以达到无法进一步测量

{CO}_{2}

吸收的程度。在四个时间点对样品进行了 TGA-FTIR 联用分析：调制后（0 天）以及

{CO}_{2}

暴露 3、7 和 10 天后。

为了进行热重分析，将 200 毫克粉碎样品从室温以

10 K / \min

的速度加热到

1000^{\circ} C

。加热过程中释放的气体通过加热管输送到傅立叶变换红外分析仪。调节后的样品代表了 ILCOrigin 的碳化状态，也是研究 RLCA 碳化潜力的起点。在此之前，ILC 元素的碳化是在自然条件下进行的，持续时间约为 32 个月。

在

300^{\circ} C

至

1000^{\circ} C

的温度范围内，单独记录了

{CO}_{2}

的质量损失，并考虑了与

H_{2} O

的重叠（见附录 A. - TGA），假定其与碳酸钙中

{CO}_{2}

的释放有关 [58,88,89]。

根据不同 RLCA 的氧化钙含量，按照 Greve-Dierfeld 等人[90]的方法计算了 RLCA 的最大

{CO}_{2}

吸收能力。为了确定氧化钙的含量，按照 Scherb 等人[91]的方法，在熔融后使用电感耦合等离子体光发射光谱（ICP）进行了化学分析（见表 6）。该分析对于估算 RLCA 中可碳化物质的数量至关重要。

可用来碳化的 CaO 潜在含量 (

m_{CaO - CO 2}

) 是用公式 (1) 计算出来的，即从 ICP 分析得出的 CaO 总含量 (

m_{CaO-ICP}

) 中减去 LWA 中的 CaO 含量 (

m_{CaO}

LWA) 和硫酸钙含量 (

m_{CaO -Sulfate}

) 。的 LWA 含量。

表 6

RLCA 和 LWA 的化学成分和点火损耗（LOI）。

氧化物 [wt%]	RLCA $_{fine}$	RLCA $_{2 - 4}$	RLCA $_{8 - 16}$	LWA
${SiO}_{2}$	32.5	33.7	34.3	71.0
${Al}_{2} O_{3}$	4.4	4.4	4.5	2.0
CaO	28.6	27.4	27.3	9.5
${Fe}_{2} O_{3}$	0.7	0.7	0.7	0.5
$K_{2} O$	0.6	0.7	0.8	1.0
氧化镁	2.4	2.4	2.5	2.0
${Na}_{2} O$	6.0	6.4	6.8	14.0
${TiO}_{2}$	0.4	0.5	0.5	-
${SO}_{3}$	2.3	2.2	2.1	-
LOI	22.1	21.6	20.5	$< 1$

RLCA 根据

{Na}_{2} O

含量估算，假定水泥中的

{Na}_{2} O

含量可忽略不计，以反映最坏情况。硫酸钙中的 CaO 含量根据

{SO}_{3}

含量计算，因为

{SO}_{3}

在碳化样品中以硫酸钙形式存在 [90, 92 ]，无法用于碳化。表 9 汇总了

{CO}_{2}

摄取量的计算结果（见附录 C. 潜在

{CO}_{2}

摄取量）。

m_{CaO-CO2} = m_{CaO-ICP} - m_{CaO-LWA} - m_{CaO-Sulfate}

4.结果与讨论

4.1.RLCA 性能参数

在评估 RLCA 的性能参数时，需要考虑几个关键方面。这些参数首先包括混凝土设计所需的参数，即 RLCA 的颗粒密度和吸水性。其次，必须评估 RLCA 机械性能的均匀性控制，以确保强度能力的均匀性。对

{CO}_{2}

吸收潜力的评估为在混凝土生命周期评估中考虑再吸收潜力提供了一个起点。表 7 汇总了评估结果。

4.1.1.RLCA 的密度和吸水性

图 4 显示了不同 RLCA 组的颗粒密度和吸水性。对储存条件（

\sim 20^{\circ} C / 65 %

相对湿度）和烘箱干燥条件（

105^{\circ} C

质量恒定）进行了区分。虽然储存条件与 RILC 的混合设计成分特别相关，但它在一定程度上与饱和表干阶段的颗粒密度（

ρ_{ssd}

）相当[72]。烘箱干燥条件下的结果可作为参考，并允许相同粒度组的 RLCA

s of different origins. The particle density of RLCA ranges from 730 to \(1590 \mathrm{~kg} / \mathrm{m}^{3}\). The \(\mathrm{RLCA}_{\text {fine }}\) group deviates significantly from the other RLCA groups, being, on average, at least \(500 \mathrm{~kg} / \mathrm{m}^{3}\) denser. This can be attributed to the distinctive agglomerate structure of the RLCA. Larger particle contain a higher proportion of LWAs with relatively low densities, while the \(\mathrm{RLCA}_{\text {fine }}\) fraction contains an increased proportion of crushed LWA, which have a reduced pore volume and thus a higher particle density. As a result, the density decreases with increasing particle size. These observations are consistent with results reported in literature [40-42]. The horizontal dashed lines in Fig. 4 represent the densities of the original LWA used (expanded glass) in ILC \({ }_{\text {Origin. }}\). It should be noted that the RLCA

s 之间进行比较（

{RLCA}_{1 - 2}

和

{RLCA}_{2 - 4}

的颗粒密度分别高出 2.6 和 2.7 倍。这一性能参数限制了从 RLCA 生产出的 RILC 获得相同密度的可能性。

按重量计，RLCA 的吸水性介于

27 %

和

60 %

之间。不出所料，RLCA 的吸水率值为

表 7

RLCA 性能参数汇总结果。

参数	${RLCA}_{fine}$	${RLCA}_{1 - 2}$	${RLCA}_{2 - 4}$	${RLCA}_{4 - 8}$	${RLCA}_{8 - 16}$
体积密度 [kg/m $^{3}$ ]	755	350	305	295	300
颗粒密度（实验室条件） $[kg / m^{3}]$	1590	1000	940	800	790
颗粒密度（干燥状态） $[kg / m^{3}]$	1525	910	835	810	730
吸水性（实验室条件）[wt%]	41	27	27	34	34
吸水率（干燥状态）[wt%]	60	54	50	47	55
${CO}_{2}$ -吸收[千克 ${CO}_{2}$ /吨 RLCA]	138	-	128	-	123
$\begin{aligned} {CO}_{2} -absorption \\ potential [kg {CO}_{2} / \\ ton RLCA] \end{aligned}$	203	-	194	-	193

在烘箱干燥条件下明显更高。值得注意的是，储藏状态下的 RLCA 吸水率变化明显更高，这可能是由于含水率变化较大。可以推测，与来自内部的 RLCA 相比，来自靠近 ILC 原件表面区域的 RLCA 与环境空气的湿度交换更为频繁。这种差异还取决于储存条件--例如，自由风化可能会产生相反的结果。这些观察结果与 Smeplass [93]的研究结果一致，他研究了粗制 LWA 不同初始含水率的吸水性。适当考虑 RLCA 的吸水性至关重要，因为混凝土基体不受控制地吸水会导致形成严重的微裂缝，降低可达到的强度并影响耐久性[15]。

4.1.2.RLCA 机械性能的均匀性控制

抗压强度是混凝土技术中的一个关键参数。由于 LC 的强度会受到所用 LWA 强度的限制 [15]，因此估算 LWA 的强度或确保强度势能的一致性非常重要。在混凝土回收利用方面，这适用于确保不同批次回收材料（ILC Origin）中 RLCA 强度势能的一致性。

图 5 显示了使用 RLCA 的四种混凝操作（G0 - G3）的干密度和抗压强度之间的关系（图 5 左）。图 5（右）提供了这些确定的混合设计中相应的统计变化。结果表明，四种操作的平均抗压强度在 11.6 和

14.9 N / {mm}^{2}

之间，范围在

3.3 N / {mm}^{2}

之间。每个批次内部的差异相对较小，标准偏差在 0.5 和

0.9 N / {mm}^{2}

之间，变异系数在 0.03 和 0.08 之间。因此，可以预期 RLCA 具有一致的强度能力。此外，使用 RLCA 所获得的抗压强度值高于 ILC 起源

(6.8 N / {mm}^{2}

，见表 8），而 RLCA 就是从 ILC 起源中衍生出来的。这表明 RILC 的强度不受原始 ILC 强度的限制，从而使 RLCA 可用于不同强度和密度等级，拓宽了 ILC 的回收和再利用策略。

4.2.RILC 的性能参数

需要对设计和性能特征进行验证，以确保材料适用于结构应用。首先，使用标准化测试方法评估 LC 设计的典型基本材料特性。然后，调查可能会受到 RLCA 独特性能不利影响的参数。在本研究中，这些参数被确定为塑性收缩、弹性模量和持续加载。评估这些参数对于验证回收工艺的效率以及将性能参数与基准 ILC（ILC

_{Origin}

）进行比较至关重要。

表 8 汇总了 ILC Origin 和 RILC 的性能参数以及这些参数的变化百分比。图 6 是在扫描电子显微镜下观察到的 RILC 的微观结构图。图中突出显示了嵌入新形成的水泥浆中的 RLCA。

在 RILC 的新水泥浆中，可以清楚地看到 RLCA 的团聚结构（黄色圆圈中突出显示）。图 6 (

1 - 4

)突出显示了 RILC 微观结构的主要特征。(1) RLCA 中的孔隙主要呈现出 ILC Origin 中膨胀 LWA 的紧凑外观，没有可见的水合物或碳化相。由于使用颚式破碎机进行机械破碎，RLCA 内部出现了几条明显的微裂缝。(2) 水泥浆孔隙中可见新形成的硅酸钙水合物针状物。(3&4) RLCA 和水泥浆之间 ITZ 的孔隙在 (3) RLCA 内部和 (4) RLCA 直接外部区域之间形成桥梁。孔隙显示 RLCA 表面形成了新的水化产物。在(3)中，硅酸钙水合物相从左下方渗入 RLCA 的孔隙，而在(4)中，硅酸钙水合物相从右上方渗入 RLCA 的孔隙。

图 4：按颗粒细分的 RLCA 的颗粒密度和吸水率。图中给出了使用的原产地 ILC 骨料（膨胀玻璃）的颗粒密度，以说明密度的增加。贮存条件（

\sim 20^{\circ} C / 65 %

相对湿度）与烘箱干燥条件（

105^{\circ} C

质量不变）之间的差异。

图 5.左图：四种混凝操作的抗压强度与干密度的关系。右图这四种混凝土拌合工艺的抗压强度和统计变化，以评估 RLCA 在不同的回收材料（再生 ILC）用量下的强度潜力的一致性。

表 8

RILC 和 ILC

C_{Origin}

性能参数的汇总结果。

物业

ILCorigin

RILC

RILC 与 ILC 起源的对比变化 [%]

^{2}

塑料收缩率[毫米/米］

-0.96

-0.87

-9.4

干密度

[kg / m^{3}]

570^{a}

750

31.6

抗压强度 [N/

{mm}^{2}

]

{6.8}^{a}

7.1

4.4

导热系数 [W/

(m ∙ K)]

{0.154}^{a}

0.159

3.3

弹性模量 [N/

{mm}^{2}

] 持续加载 [-]

3370^{a}

3750

11.4

^{a}

[67]中确定的值

在（4）中，与 ITZ 直接相连的新形成的孔隙显示了 RILC 中 RLCA 的嵌入。

总体而言，与从普通混凝土中提取的 RCA 相比，这些团聚体含有更多的粘结胶凝材料。这种较高的粘附性造就了 RILC 的独特性能。在 RLCA 周围有一个明显的压实环，密度比周围硬化的水泥浆还要大，这表明 RLCA 很好地嵌入了 RILC 水泥基质中。这种致密性可归因于吸附效应以及 RLCA 和水泥浆之间新水合物相的形成，从而改善了界面粘结性并降低了该区域的孔隙率。

4.2.1.RILC - 优化混合设计、密度控制和导热性能

图 7 概述了混合设计方法。正如 Thienel 等人[15]所报告的那样，在低密实度混凝土中，体积混合设计的声明往往滞后于有关气隙含量的信息。与普通自重混凝土不同，验证低密度混凝土中计算出的空气体积具有挑战性，因为常用的压力法空气控制技术[94]并不适用，因为它无法区分浆体和多孔 LWA 中的空气空隙[15]。此外，RLCA 密度和吸水率的变化，以及引气剂在新粘结剂浆料中形成细小分散孔隙的效率，再加上所使用的混合和压实技术，使得实现可靠的混合设计具有挑战性。因此，评估新拌密度的测量值和计算值以及控制产量（由预定比例的成分混合而成的混凝土体积[84]）至关重要。图 7（左）显示了 RILC 试验系列中九个混凝土批次的实测新密度和收浆率。计算的空气含量为每立方米

18.5 %

（见表 4），因此计算的新鲜密度为

1088 kg / m^{3}

。结果显示，九批混凝土的实测平均新鲜密度为

1078 kg / m^{3}

，单个样本与计算值的最大偏差为

77 kg / m^{3}

。这在同类混凝土（例如 EN 1520 [20]的 LAC）的规范范围内，强调了混合设计的稳健性。

在 RILC 测试系列中，测得的屈服度为计算体积的 92 % 到 102 %，其变化可能是由于 RLCA 的密度和含水量变化造成的。定期检查测量和计算的密度和屈服度对于避免混凝土出现误差非常重要。

图 6.扫描电子显微镜下新形成的水泥浆中 RILC 的微观结构。左图：RILC 的阶段扫描图，黄色圆圈表示具有致密 ITZ 的 RLCA。右图：(1) RLCA 内部的孔隙。(2) 新水泥浆内部的孔隙。(

3 & 4

) RLCA 和水泥浆之间的 ITZ 孔隙形成了 RLCA 内部 (3) 和 RLCA 外部 (4) 之间的桥梁。

图 7.以再现 ILC

_{Origin}

为目标的 RILC 生产的混合设计优化结果。左图：参考计算密度和所有混凝土批次的平均密度得出的新拌混凝土密度，第二个 y 轴给出了每批混凝土的 RILC 产量。右图RILC 混凝土 28 天后立方体（100 毫米）的干密度和抗压强度之间的关系（蓝色），参考初步试验（红色），以达到目标密度和抗压强度，重现 ILC

_{origin}

。

并调整成分特性的变化。图 7（右）展示了混合料设计的迭代过程，其目的是再现 ILC

_{Origin}

，最大目标密度为

800 kg / m^{3}

，最小目标强度为

5.6 N / {mm}^{2}

。在 RILC 试验系列中，在

750 kg / m^{3}

处测量了 16 个圆柱体的平均干密度，变异系数为 0.02。导热系数是在烘干材料上测量的，根据对四个立方体的测量，得出的平均值为

0.159 W / (m ∙ K)

，变化系数为 0.06。这表明导热系数仅增加了

3.3 %

，考虑到与 ILC 起源相比干密度增加了

31.6 %

，导热系数明显低于预期值。.根据规范估算（EN 1520 [20]），预计导热系数为

0.205 W / (m ∙ K)

。因此，RILC 的热性能几乎与 ILC

_{Origin}

相同。导热系数增加相对较小的原因尚无法确切解释。不过，有两个潜在的假设值得研究，以更好地了解它们对热性能的影响。首先，与 ILC Origin 相比，RILC 中的水泥浆基质更加多孔；其次，部分碳化的 RLCA 的影响。此外，正如在强度均匀性能力测试系列中已经观察到的（见图 5），结果表明使用 RLCA 的再生混凝土的抗压强度并不局限于 ILC

_{Origin}

的强度。

4.2.2.塑料收缩

早龄收缩应变对 RILC 尤为重要

因为 RLCA 和水泥浆之间的水分迁移预计会对变形行为产生重大影响。图 8 比较了 RILC（右）和基准 ILC

_{Origin}

（左）在 72 小时内从新鲜状态测量的初始塑性收缩变形。

ILC 和 RILC 的平均收缩率结果相似，72 小时时的数值分别为

- 0.96 mm / m

和

- 0.87 mm / m

。大部分变形发生在加水后的最初 8 小时内，之后保持不变。RILC 的收缩应变变化较大，这主要是由于与 ILC 起源中使用的工业生产的 LWA 相比，RLCA 的吸水率变化较大。

^{.}

收缩是指混凝土失去水分并在干燥、自生过程和碳化等各种机制作用下发生体积变化时产生的与时间相关且与荷载无关的变形[95]。特别是在受限条件下，这些变形会导致裂缝的产生和扩展，从而为水和有害物质提供通道，导致预埋钢筋腐蚀、混凝土老化以及结构和热性能受损 [95,96]。一般来说，轻质混凝土的收缩值高于普通混凝土 [95]。收缩行为在很大程度上受到轻质混凝土特性的影响，如弹性模量、孔隙率和水饱和阶段 [95-97]。这些特性会极大地影响 LWA 与水泥之间的水缓和作用。

图 8.RILC （右图）和参考 ILC

_{Origin}

（左图）在 72 小时内的塑性收缩应变。

以及 LWA 抑制周围水泥基质收缩的能力。

有鉴于此，我们可以得出结论：只要按照

> 3.4 .1

部分所述的类似于 LWA 测量的方式考虑额外的吸水率，就可以预计由 RLCA 制成的再生混凝土具有类似的收缩特性。

4.2.3.RILC 的机械性能

RILC 的机械性能在决定其是否适合结构应用方面起着至关重要的作用。在 LC 设计中，密度和强度都是最重要的参数，这一点同样适用于 RILC。在降低密度的同时保持足够的强度，实现两者之间的平衡至关重要。此外，对于热性能相关的元素，还必须考虑密度和导热性之间的关系。

下文将比较 RILC

s mechanical properties to those of other established lightweight concretes, including the reference material ILC Origin. . The correlation between dry density and compressive strength for RILC is plotted in Fig. 9 (top left). Similar to what is observed for LAC [98] and other LC's [99], RILC's compressive strength tends to increase with higher density, as a denser structure generally indicates reduced porosity and better load-bearing capacity. However, several factors must be taken into account when considering the fluctuations in RILC strength. Variations in RLCA density and water absorption impact the resulting density of the hardened RILC and affect the balance between RLCA, cement paste and water. Typically, RLCA with higher particle density and lower porosity will yield higher strength in the hardened concrete. These factors, along with the normal variations in concrete production, compaction and testing, contribute to the observed variability in compressive strength. Fig. 9 (top right) illustrates the variation in compressive strength, based on tests from nine cylinders across different batches. The mean compressive strength after 28 days is \(7.1 \mathrm{~N} / \mathrm{mm}^{2}\), with a standard deviation of \(0.9 \mathrm{~N} / \mathrm{mm}^{2}\), which is consistent with LAC's of similar strength. The characteristic compressive strength, calculated according to EN 1520 [20], is \(5 \mathrm{~N} / \mathrm{mm}^{2}\), matching the characteristic compressive strength of ILC Origin (see Table 8). Therefore, the study

实现与

{ILC}_{Origin}

相同强度的目标的情况。

了解混凝土的应力-应变关系对于评估承载能力和变形至关重要，而承载能力和变形对于确保结构完整性、优化设计和有效的加固策略都至关重要。图 9（右上角）显示了 RILC 在压缩状态下的应力-应变曲线，它最初表现出线性弹性行为。与正常重量的混凝土不同，RILC 几乎不会产生塑性变形，因此会导致更突然的破坏。图 9（左下）显示了随着干密度的降低，极限应变值也在降低。这一趋势也反映在极限应变（

ε_{cu}

）的规范估算中，根据 EN 1520 [20]，可以使用系数

(η_{1})

作为干密度

(ρ)

的函数，用以下公式计算出极限应变：

ε_{c u} = 0.0035 ∙ η_{1} \geq 0.002

，与

η_{1} = 0.4 + 0.6 ∙ (\frac{ρ}{2200})

Hückler 等人[16]在 ILC 中也观察到了较低的塑性变形和较低的极限应变。因此，这些特性更多是轻质混凝土固有的，而不是回收工艺或使用 RLCA 的直接结果。尽管如此，与 ILC 一样，RILC 的较低极限应变要求在设计时仔细考虑以下几点

弹性模量与抗压强度的关系

注意防止过度变形和脆性破坏。

弹性模量反映了混凝土的刚度及其受力变形的能力。图 9（右下角）显示了 RILC 的弹性模量及其与抗压强度的关系，表明抗压强度的增加伴随着弹性模量的增加。根据 EN 1520 [20]，干密度为

1400 kg / m^{3}

或更小的 LAC 的平均弹性模量 (

E_{cm}

) 可根据平均干密度 (

ρ

) 和特征抗压强度 (

f_{ck}

) 用以下公式估算：

E_{c m} = 10000 ∙ f_{c k} \frac{1}{3} ∙ 0.64 ∙ (\frac{ρ}{2200})

对于本研究中的 RILC，根据给定公式计算得出的弹性模量估计值为

3730 N / {mm}^{2}

。这与实验测定的平均值

3750 N / {mm}^{2}

非常接近，该值是根据五次独立测量得出的，标准偏差为

385 N / {mm}^{2}

。值得注意的是，弹性模量的规范和经验测定适用于本标准批准的所有 LWA，代表的是一种平均关系，并不考虑单个 LWA 的独特性。这些结果表明，在 RILC 中使用 RLCA 可以获得与使用普通 LWA 的 LAC 相似的弹性模量。

图 10 显示了通过实验确定的 RILC 和 ILC 的持续加载阈值。对于 RILC，在较低应力水平下，持续加载下的纵向应变与施加应力之间呈线性关系，但随着压缩应力的增加，会表现出轻微的塑性，最终导致一个扩展的塑性变形高原。系数

α

考虑了对抗压强度的长期影响，结果发现 RILC 为 0.80，

{ILC}_{Origin}

为 0.84。根据《欧洲规范》国家附录[87]，这些值属于

0.75 - 0.85

的建议范围；根据 DIN EN 1520 [20]，这些值属于

0.75 - 0.85

的建议范围。因此，通用规范缩减系数

α

有效地描述了 RILC 在压缩条件下的长期行为。不过，在某些情况下，该值可能偏低，有可能高估了承载能力。这与 Schlaich 等人[18]的研究结果一致，他们对 ILC 进行了类似的实验项目，通过实验确定

α

值为 0.78，随后建议对 ILC 使用

α

= 0.75

的通用折减系数。

总体而言，RILC 在持续压缩条件下表现出均匀的载荷传递，符合规范行为。不过，为了确保可靠的长期性能，建议采用 Schlaich 等人针对 ILC [18] 提出的更为保守的折减系数

α

。

4.3. ${CO}_{2}$ RLCA的吸收潜力

研究了 RLCA 的碳化情况，以了解其在 ILC 元素寿命终止时的

{CO}_{2}

吸收潜力。图 11 显示了三种不同 RLCA 粒度组在调节（0 天）和受控

{CO}_{2}

暴露 3、7 和 10 天后的

{CO}_{2}

吸收情况。右侧的条形图是四个不同暴露时间的

{CO}_{2}

吸收量的总和，白色条形图表示剩余的碳酸化能力，随着碳酸化的进行，剩余的碳酸化能力从左到右逐渐减小。计算得出的碳酸化能力（见第

> 3.6

节和附录 C 表 9 - 潜在二氧化碳吸收量）在 RLCA 之间仅略有不同，RLCA

_{fine}

的

203 kg / t

值最高，而 RLCA

_{2 - 4}

的

194 kg / t

值最低，RLCA

_{8 - 16}

的

193 kg / t

值最高。这表明较细粒径组中的粘结剂略有富集，这可能是由于 LWA 和硬化水泥浆在回收过程中随机破碎所致。

0 天的结果显示，在自然条件下，

{ILC}_{Origin}

在粉碎成 RLCA 之前的吸收量为

{CO}_{2}

，所有粒径组的吸收量约为

30 kg / t_{RLCA}

。这支持了对 ILC 碳化行为的初步观察，对于这种仍然年轻的建筑材料来说，碳化行为尚未得到最终澄清，但正如 Lösch 等人[100]所报告的那样，可以假定其碳化速度快于正常重量的混凝土。鉴于 RLCA 由约 46% 的 LWA 和

54 %

附着水泥浆（按重量计）组成（见表 9，附录 C.潜在二氧化碳吸收量），可以估计水泥浆已通过自然碳化吸收了约 55 kg 的

{CO}_{2}

。在此背景下，水泥和混凝土行业碳中和路线图

[5, 49]

中提出的每吨水泥浆51千克二氧化碳的目标值似乎是可以实现的。此外，所采用的方法还能有效评估 RLCA 的自然碳化状态，正如 Lagerblad [101] 所报告的那样，自然碳化状态高度依赖于暴露混凝土表面的微环境，因此很难进行一般估算。

在第一个碳酸化区间（

0 - 3 d

），较小的颗粒（

{RLCA}_{fine}

）由于表面积较大，因此吸收

{CO}_{2}

的速度较快。然而，这一趋势在第二个碳化区间（3-7 d）发生了逆转，RLCA

_{2 - 4}

和

{RLCA}_{8 - 16}

达到了更高的值。随后，在第三个碳化区间（

7 - 10 d

），碳化速度明显放缓，RLCA

_{8 - 16}

仅略有增加。总体而言，这些发现与 Fang 等人[51]的研究结果一致，他们观察到较小粒径的 RCA 具有更高的水泥浆含量和更快的

{CO}_{2}

吸收速度。然而，对于 ILC 而言，较小粒径的硬化水泥浆的富集不如普通混凝土明显。

{RLCA}_{fine}

的总

{CO}_{2}

吸收量为138，

{RLCA}_{2 - 4} 128

和

{RLCA}_{8 - 16}

的

123 kg / t_{RCLA}

的相对

{CO}_{2}

吸收量分别为其计算碳化能力的68、66和

64 %

。这表明

图 10.参照

lLC C_{origin}

（左）和 RILC（右）在持续加载条件下抗压强度的相对承载能力（

σ_{sustained} / σ_{28 days}

）。

图 11.调制后（0 天，自然碳酸化状态）和暴露于

{CO}_{2}

3、7 和 10 天后，三种不同 RLCA 的

{CO}_{2}

吸收情况。右侧的条形图表示四个不同时间点的总和。

虽然较小颗粒的初始碳化速度更快，但不同颗粒大小的 RLCA 的总

{CO}_{2}

吸收潜能是相似的。这些观察结果让我们对 ILC 在拆除、加工和再利用过程中可能发生的碳化现象有了更深入的了解。

由于碳化条件的不同以及普通重量混凝土和轻质混凝土的不同特性，将这些结果与现有文献进行比较具有挑战性。然而，Richter [102]针对ILC（水泥和LWA的典型体积分数）提出的参考值表明，每立方米的全球升温潜能值介于255和

295 kg {CO}_{2}

当量之间。对于 ILCOrigin，可以假定通过循环利用可从一立方米

{ILC}_{Origin}

中回收约 680 千克 RLCA，相当于每立方米

{CO}_{2}

回收约 83 千克，或

30 %

ILC 温室气体排放总量的起源

^{.}

30 %

^{.}

。

这项研究对 RLCA 是否适合在 ILC 元素的生命周期末期进行定向碳化进行了总体估算。定向碳化的实际应用需要考虑吸收的

{CO}_{2}

可以在生命周期的哪个阶段入账。根据 Lagerblad [101] 的说法，这可能是在混凝土的使用寿命期间、拆除和二次使用之后，也可能是在使用寿命结束时。另一个重要的考虑因素是如何对 RLCA 进行特殊碳化。虽然本研究使用的

{CO}_{2}

浓度相对较低（

0.5 %

（体积）），但其他研究表明，

{CO}_{2}

的吸收量会随着浓度的增加而增加，最高可达

10 %

（体积）[51,62]。根据 Sereng 等人[62]的报告，在水泥、混凝土或预制件工厂附近进行有针对性的碳化，废气中约含有

15 % {CO}_{2}

（体积比），可显著提高碳化效率。

总之，RLCA 具有巨大的

{CO}_{2}

吸收潜力，有助于轻质混凝土的可持续性。未来的研究应侧重于 RLCA 碳化的实际应用，调查不同类型的轻质混凝土，并将其纳入生命周期评估，以最大限度地提高环境效益。

5.结论

这项研究解决了液态有机物回收策略有限的重大问题，尤其是像 ILC 这样的极轻液态有机物，它们被排除在规范的回收实践之外。研究方法包括对从 ILC 加工而来的 RLCAs 进行表征，然后生产 RILC，目的是复制原始 ILC 的特性（ILC Origin）。这种方法促进了材料的循环利用，减少了

{CO}_{2}

排放，并验证了回收材料的结构性能，从而为更可持续的建筑实践做出了贡献。主要研究结果可归纳如下：

RLCA 表现出团聚结构，因为 LC 的破碎也会破坏最初的 LWA，这是与正常重量混凝土回收的主要区别。
RLCA 的密度和吸水性是成功融入再生混凝土混合设计的关键参数。RLCA 的颗粒密度在 730 到 $1590 kg / m^{3}$ 之间，比相同粒径组的初始 LWA 颗粒密度高出约三倍。按质量计算，吸水率介于 $27 %$ 和 $60 %$ 之间，与实验室条件相比，在烘箱干燥条件下观察到的吸水率值更高。这些因素对于成功融入再生混凝土混合设计至关重要。
一种简单且可重复的方法证实，在不同批次的回收材料中，RLCA 的质量和强度潜力都是一致的。值得注意的是，用 RLCA 生产的再生混凝土的强度并不局限于原始 ILC 的强度，这表明无需根据类型进行重复使用。
由 RLCA 制成的 RILC 具有与 ${ILC}_{Origin}$ 相似的强度、弹性模量和导热性。具体来说，RILC 达到了相同的强度等级，并且在压缩条件下的长期行为预计将遵循 ILC 起源的原则。尽管干密度显著增加（31.6%），但 RILC 的导热系数增加极少（3.3%），这表明 RILC 几乎保持了与 ILC Origin 相同的性能特性。事实上，仅使用 RILC 就能建造出具有相同性能参数的整体墙体构件。
RLCA 的加速碳化导致了大量的 ${CO}_{2}$ 吸收，粒度较小的初始碳化速度更快。在按体积计算含有 $0.5 %$ ${CO}_{2}$ 的受控环境中调节 10 天后，RLCA 的最大 ${CO}_{2}$ 摄取量介于 123 和 $138 kg / t$ 之间。这相当于 ${CO}_{2}$ 相对于计算得出的 ${CO}_{2}$ 总吸收潜能 $64 - 68 %$ 的吸收量，以及近似 $30 %$ 的 ILC 温室气体排放量回收 $C_{Origin.}$ 考虑到 RLCA 中粘附水泥浆的比例，在经过约 32 个月的自然碳化后，确定每吨水泥浆的 ${CO}_{2}$ 吸收量约为 55 千克。

未来的研究应侧重于整合不同类型的轻质混凝土，优化 RLCA 的碳化工艺，以及在生命周期评估中评估有针对性的 RLCA 碳化的实际应用，以实现环境效益的最大化。

CRediT 作者贡献声明

谢尔布-塞巴斯蒂安写作--审阅和编辑、方法论、调查、数据整理。哈勒-蒂莫写作--原稿、方法论、调查、数据整理、概念化。蒂内尔

卡尔-克里斯蒂安写作--审阅和编辑、监督、方法论、概念化。Beuntner Nancy：写作--审阅和编辑、监督、方法论、概念化。

人工智能和人工智能辅助技术在教育领域的应用宣言

写作过程

在编写本作品期间，作者使用了 GPT-3.5 和 DeepL，以改进语言和可读性。在使用

作者根据需要对这些服务的内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全部责任。

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何可能会影响本文所报告工作的已知经济利益或个人关系。

附录 A. - TGA

附录 B. - 傅立叶变换红外光谱

1508 cm - 1

处的傅立叶变换红外波段，对于二氧化碳，使用

2359 cm - 1

处的傅立叶变换红外波段。

附录 C. - ${CO}_{2}$ 匀支的可能性

表 9

潜在的

{CO}_{2}

摄取量

RLCA

_{fine}

RLCA

_{2 - 4}

RLCA

_{8 - 16}

根据以下标准计算的陆地观测区的陆地观测量

{Na}_{2} O

含量 [wt%] 用于

{CO}_{2}

吸收的残余 CaO (

m_{CaO - CO 2}) [kg / t]

)

的潜力 {CO}_{CO 2 。}

吸收

[kg / t]

258

247

246

数据可用性

数据将应要求提供。

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- 通讯作者：
电子邮件地址：timo.haller@unibw.de (T. Haller)、sebastian.scherb@unibw.de (S. Scherb)、nancy.beuntner@unibw.de (N. Beuntner)、christian.thienel@unibw. de (K.-C. Thienel)。
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.140339

2024 年 8 月 15 日收到；2025 年 1 月 16 日收到修订稿；2025 年 2 月 5 日接受

2025 年 2 月 8 日在线提供

0950-0618/© 2025 The Author(s).出版商：Elsevier Ltd.本文为 CC BY 许可下的开放存取文章 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

采用轻质混凝土的可再生建筑 - 具有 CO 2 CO 2 CO_(2)\mathrm{CO}_{2} 吸收功能的再生材料系统

A R T I C L E I N F O

关键词：

摘要

1.导言

术语

2.ILC 的回收和碳化概念

2.1.轻质混凝土的回收利用

2.2.RCA 的碳化

3.材料和方法

3.1.ILC

3.2.将 I L C Origin I L C Origin ILC_("Origin ")I L C_{\text {Origin }} 回收为 R L C A R L C A RLCAR L C A 的过程

3.3.RLCA 在 RILC 中的测试和应用

3.4.RLCA 实验程序

3.4.1.RLCA 的密度和吸水性

3.4.2.RLCA 机械性能的均匀性控制

3.5.RILC 的实验程序

3.5.1.混合设计优化、密度控制和导热率

3.5.2.塑料收缩

3.5.3.RILC 的机械性能

3.6.RLCA 的 CO 2 CO 2 CO_(2)\mathrm{CO}_{2} 吸收能力

4.结果与讨论

4.1.RLCA 性能参数

4.1.1.RLCA 的密度和吸水性

4.1.2.RLCA 机械性能的均匀性控制

4.2.RILC 的性能参数

4.2.1.RILC - 优化混合设计、密度控制和导热性能

4.2.2.塑料收缩

4.2.3.RILC 的机械性能

4.3. CO 2 CO 2 CO_(2)\mathrm{CO}_{2} RLCA的吸收潜力

5.结论

CRediT 作者贡献声明

人工智能和人工智能辅助技术在教育领域的应用宣言

竞争利益声明

附录 C. - CO 2 CO 2 CO_(2)\mathrm{CO}_{2} 匀支的可能性

数据可用性

参考资料

采用轻质混凝土的可再生建筑 - 具有 ${CO}_{2}$ 吸收功能的再生材料系统

3.2.将 $I L C_{Origin}$ 回收为 $R L C A$ 的过程

3.6.RLCA 的 ${CO}_{2}$ 吸收能力

4.3. ${CO}_{2}$ RLCA的吸收潜力

附录 C. - ${CO}_{2}$ 匀支的可能性