粉煤灰和矿渣对再生混凝土微观界面及其破坏演化的影响

将建筑废料变为新结构

随着城市扩张和旧建筑拆除，大量破碎混凝土以及粉煤灰和矿渣等工业废料不断堆积。同时，生产新混凝土是建筑领域碳排放的主要来源之一。本研究提出了一个简单却紧迫的问题：我们能否将这些废料安全地重新制成强度和耐久性都足够的混凝土？在此过程中材料内部会发生什么？通过深入观察旧混凝土与新料之间的微小接触区并模拟裂缝的扩展，作者展示了在不牺牲性能的情况下如何合理掺配再生成分。

为何隐蔽的边界至关重要

混凝土并非单一的整体；它更像一块岩石果饼，石子和砂被硬化的胶结浆料包裹在一起。最薄弱的部位常常是石子与浆料相接处的细薄层，称为界面区。在再生混凝土中，这些界面更为复杂，因为旧混凝土碎块自身已携带老化的薄浆层。当新浆料包围这些碎块时，会出现多重边界。本研究关注当天然骨料部分被再生碎块替代，以及粉煤灰和矿渣（燃煤与炼钢过程的残余粉末）掺入浆料时，这些边界层的行为如何变化。

测试不同配方的强度

研究者通过改变三个成分：再生碎块比例、粉煤灰掺量和矿渣掺量，配制了24种不同的混凝土配比。所有混合物使用相同的用水量和砂量，以便将性能变化归因于这些替代项。他们测量了混凝土立方体在受压破坏前能承受的最大压力，以及圆柱体拉裂时的劈裂强度。总体上，与普通混凝土相比，更多的再生碎块倾向于降低强度。粉煤灰或矿渣的掺入在许多情况下也降低了强度，尤其在用量较高时，因为它们减缓了浆料的完全硬化。然而存在合适的配比：当骨料有40%为再生碎块且矿渣掺量为10%时，强度损失仅约5%，使材料非常接近标准混凝土。

观察混凝土内部

为了解为何某些混合物表现更好，团队抛光了混凝土薄片并在显微镜下观察。图像显示，再生混凝土比普通混凝土具有更多孔隙和更粗糙的石子—浆料界面。在再生碎块周围，薄薄的界面层更松散、多孔，并存在未反应的水泥、粉煤灰和矿渣颗粒。这种开放结构削弱了将各组分粘合在一起的“胶”。使用新鲜骨料的普通混凝土则显示界面更致密、更连续、孔隙更小，从而解释了其更好的强度。研究发现，粉煤灰和矿渣都会增加这些界面区的孔隙率，但粉煤灰的影响比矿渣更显著。

观察裂缝的形成与扩展

除了静态观察，作者还想看再生混凝土实际如何破裂。他们建立了一个计算机模型，将薄弱的界面区视为在荷载下可以张开和分离的脆弱层。当模拟对混凝土试块施压时，最初的微裂缝出现在孔隙最大的外层界面区。随着荷载增加，这些裂缝向内扩展并相互连结，最终横穿试件导致失效。真实破碎样本的照片与模型结果一致：含大量再生碎块和粉煤灰的混合物出现宽而曲折的裂缝，而含适中再生量且掺矿渣的混合物则呈现较窄、更直的裂缝，暗示内部结构更为紧密。

对更绿色建筑的意义

对非专业读者而言，关键结论令人放心：通过谨慎选择配料，由拆除废料和工业副产物制成的混凝土可以非常接近传统材料的强度。研究表明，最脆弱的环节是包裹再生碎块的微小界面层，尤其是在粉煤灰或矿渣掺量过高时。通过将再生骨料控制在中等水平并采用适量矿渣，工程师可以限制这些界面区的损伤并减缓裂缝扩展。这为低碳混凝土提供了切实可行的配方，使其在“吃掉”废料的同时不致变脆，为更坚固、更可持续的建筑和道路铺出一条道路。

引用: Chen, C., Wei, Z., Zhang, J. et al. The impact of fly ash and slag on the microscopic interface of recycled concrete and its destruction evolution. Sci Rep 16, 9565 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-17035-9

关键词: 再生混凝土, 粉煤灰, 矿渣, 界面过渡区, 可持续建筑