通过外加剂提高再生粉混凝土的抗冻性能

将建筑废料变为适应冬季的混凝土

每年，城市在拆除和翻修过程中产生大量破碎的混凝土和砖块。许多碎石被当作垃圾处理，尽管其中仍包含有价值的水泥材料。与此同时，寒冷地区的道路和建筑在反复的冻融循环下破损严重，维修费用高昂。这项研究探讨了将细磨的建筑废料（称为再生粉）安全再利用于新混凝土，同时能抵御严寒冬季的方法——为更耐久、更可持续的基础设施提供了一条可行路径。

从废墟到再生粉

工程师可以将旧混凝土和砌体破碎并研磨成细粉，用作新混凝土中部分替代的新鲜水泥。这种做法节约自然资源、降低水泥生产的碳排放，并有助于处理大量废弃物，尤其是在像中国这样每年建筑垃圾超过二十亿吨的国家。然而问题在于：再生粉常使混凝土需水量增加，进而通常导致抗冻性能下降。本研究的关键问题是：是否可以通过恰当的化学外加剂克服这一弱点，使再生粉混凝土在寒冷气候中发挥出全部潜力。

微调化学工具箱

研究人员首先确定了一种高性能的减水剂——聚羧酸盐类超塑化剂，它与再生粉配合效果特别好。这种外加剂有助于水泥颗粒均匀分散，减少再生粉使用时本来需要的额外用水。以此为基础，团队测试了三类旨在直接改善抗冻性的额外外加剂：一种组合型减水兼抗冻添加剂（AR）、一种通过有意产生微小气泡来改善抗冻性的引气剂（AE），以及一种无机盐类的防冻剂（AF）。将含30%再生粉的混凝土按不同胶凝材料水比配制、养护，然后在高达200次的严酷冻融循环下测试其强度、表面损伤和内部刚度变化。

混凝土在低温下的表现

这三种改良策略均使再生粉混凝土在抗冻损伤方面优于未加这些外加剂的对照配合比，但它们发挥作用的机理与程度各不相同。引气剂通过产生许多小而均匀分布的气泡作为缓冲室，为冰冻时体积膨胀的水提供空间，从而减缓表面剥落和内部裂缝的产生。抗冻兼减水添加剂降低需水量并优化孔隙体系，减少质量损失并在循环中保持混凝土刚度。而表现最好的则是1%掺量的防冻剂（AF）：它不仅通过加速结合凝胶的形成提高早期强度，而且在200次循环后尤其在较低水胶比时维持了最高的相对刚度和最低的表面损伤。

深入混凝土内部观察

为了解防冻剂为何效果显著，团队使用显微镜和孔隙测量技术观察了混凝土内部。影像显示未加特殊外加剂的混凝土含有许多大且不均匀的孔隙以及骨料与砂浆界面处的宽裂缝——这些都是水和冰造成破坏的理想通道。加入AR、AE或AF后，这一薄弱的过渡区变得更致密，大孔隙减少，晶体更紧密地连接结构。详细的孔隙测量证实，尤其是防冻剂使混凝土内部孔径向更小、更不易致损的尺寸迁移，将大于200纳米的易损孔隙比例降低了8.73%。尽管总体孔隙率略有增加，但孔隙的形状和尺寸变化使混凝土在冻融作用下更加耐久。

这对更绿色城市的意义

对非专业读者来说，结论很清楚：研究表明，若配以合适的化学体系，含有大量再生粉的混凝土仍可在寒冷气候中保持足够的耐久性。约1%胶凝材料质量的防冻剂就能将一种易受损的废料基混凝土转变为在反复冬季冻融中开裂和表面剥落大幅减少的耐用材料。这意味着城市可以更自信地把拆除废料转化为用于道路、桥梁和建筑的耐久建材，在不牺牲性能的情况下推进可持续性和耐久性建设。

引用: Yang, C., Zhou, W., Zhao, H. et al. Frost resistance improvement of recycled powder concrete by chemical admixtures. Sci Rep 16, 6087 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35840-8

关键词: 再生混凝土, 建筑废料, 冻融耐久性, 化学外加剂, 可持续基础设施