学术研究报告：利用冷粘结技术开发固体废弃物基低碳高强度核壳骨料

一、主要作者及机构
本研究由香港理工大学（The Hong Kong Polytechnic University）土木与环境工程系的Shuai Zou、Chi Sun Poon团队主导，合作单位包括香港科技园纳米及先进材料研究院（Nano and Advanced Materials Institute）、同济大学（Tongji University）结构工程学院。研究成果发表于期刊《Construction and Building Materials》第416卷（2024年），文章标题为《Developing low-carbon high-strength core-shell aggregates using solid waste by cold-bonding techniques》。

二、学术背景与研究目标
全球建筑行业面临天然骨料资源短缺与碳中和的双重挑战。据统计，人类每年消耗500亿吨砂石骨料（Sand & Gravel, S&G），远超其自然再生速度。同时，建筑行业贡献了全球39%的碳排放。传统人工轻骨料（Artificial Lightweight Aggregates, ALAs）虽可替代天然骨料，但其烧结生产工艺能耗高、碳排放量大。

本研究提出一种新型核壳结构骨料（Core-Shell Aggregate, CSA），通过冷粘结技术（Cold-Bonding）将固体废弃物（如粉煤灰Fly Ash, FA、粒化高炉矿渣Granulated Blast Furnace Slag, GGBS）与大型硅藻土（Large Size Cenosphere, LSC）结合，旨在实现以下目标：
1. 低碳：利用工业废料（GGBS、FA）替代水泥，降低碳排放；
2. 高强度与轻质化：通过核壳结构设计（多孔LSC内核+致密水泥基外壳）提升力学性能；
3. 工艺革新：冷粘结技术无需高温烧结，能耗仅为传统工艺的4.2%~11.9%。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 核心材料：LSC（粒径1.18–4.75 mm，松散密度218 kg/m³，吸水率38.4%）；
- 外壳材料：普通波特兰水泥（OPC）、GGBS、FA，化学组成与粒径分布通过X射线荧光光谱（XRF）和激光粒度分析仪测定。

1. 配合比设计

   • 固定水胶比（Water/Binder, W/B）为0.21，壳核质量比8.0；
     
   • GGBS/FA替代水泥比例：0%、20%、40%、60%、80%。
     

2. 冷粘结成型

   • 步骤：预混合→喷水造粒（15分钟）→压实（3分钟）→室温养护（28天）；
     
   • 关键设备：旋转造粒机（功率4.1 kW，单次产量40 kg）。
     

3. 性能测试

   • 物理性能：松散密度（LBD）、抗压强度（CS）、24小时吸水率（WA），依据BS EN 1097-3/6/13055-1标准；
     
   • 微观分析：X射线计算机断层扫描（X-CT）观察孔隙结构，分辨率3.64 µm；
     
   • 水化热分析：等温量热仪（Calmetrix I-Cal HPC）监测720小时水化放热。
     

4. 碳足迹评估

   • 基于GB/T 51336-2019和ICE v3.0数据库，计算材料生产、运输、造粒过程的CO₂排放（CO₂ Emission, COE）。
     

四、主要结果
1. 水化行为
- 低水胶比（0.21）限制水泥后期水化，为GGBS/FA替代提供空间；
- GGBS的二次火山灰反应（Secondary Volcanic Ash Reaction, SVAR）显著促进长期水化，80%替代时720小时累积放热为纯水泥的79%，而FA仅44.9%。

1. 孔隙结构与力学性能

   • X-CT显示CSA具有致密外壳（孔隙率5.37%）与多孔内核（孔隙率66.75%）；
     
   • 60% GGBS替代时外壳孔隙率最低（4.77%），抗压强度提升25.5%；
     
   • 80% GGBS替代CSA的最终性能：LBD 843 kg/m³、CS 7.68 MPa、WA 17.8%。
     

2. 碳足迹

   • 80% GGBS替代使COE降至188.1 kg CO₂ eq/t，较传统烧结骨料（393–520 kg CO₂ eq/t）降低52%~64%；
     
   • 造粒过程COE仅占总排放的4.2%~11.9%，验证冷粘结技术的绿色优势。
     

五、结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了GGBS在低水胶比条件下的微集料效应与SVAR协同机制；
- 提出核壳结构设计理论，为轻质高强骨料开发提供新思路。

1. 应用价值
   
   • 80% GGBS-CSA的强度效率（9110 Pa·m³/kg）远超膨胀珍珠岩（1677 Pa·m³/kg）和烧结粘土（3582 Pa·m³/kg）；
     
   • 可应用于结构轻骨料混凝土，助力建筑行业减碳。
     

六、研究亮点
1. 创新工艺：首次将冷粘结技术用于核壳骨料规模化生产；
2. 废料高值化：GGBS替代率达80%，COE降低67.5%；
3. 性能突破：兼顾轻质（LBD <850 kg/m³）与高强（CS >7 MPa）。

七、其他发现
- FA因密度低（2200 kg/m³）和活性弱，导致骨料吸水率升高（24.2%），适用性不及GGBS；
- X-CT技术为核壳结构定量分析提供了高精度手段。

本研究为建筑行业提供了一种兼具环境友好性与工程实用性的新型骨料解决方案，对推动碳中和目标具有重要意义。