DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2026.145684
تاريخ النشر: 2026-02-20
المؤلف: Hao Bao وآخرون
الموضوع الرئيسي: أداء الخرسانة المعاد تدويرها
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير الركام المعاد تدويره (RA) والخبث المسحوق الناتج عن أفران الصهر (GGBS) على عمق الكربنة وقوة الضغط للخرسانة المعاد تدويرها منخفضة الكربون (LCRC)، مع معالجة التحديات التي تواجه الصناعة المتعلقة بانبعاثات الكربون والنفايات. تم إجراء اختبارات تسريع الكربنة تحت ضغوط CO2 خارجية متغيرة، وكشفت النتائج أن زيادة نسب استبدال RA والإسمنت أدت إلى عمق كربنة أعمق ولكن قوة ضغط أقل. ومن الجدير بالذكر أنه تحت ظروف CO2 فوق الحرجة (7.5 ميغاباسكال)، زاد عمق الكربنة بمعدل 164% مقارنة بالضغط الجوي (0.1 ميغاباسكال)، بينما تحسنت قوة الضغط بنسبة 47% مقارنة بالعينات غير الكربونية.
أشارت التحليلات المجهرية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وقياس المسامية بتقنية تسرب الزئبق (MIP) والتحليل الحراري الوزني-التحليل الحراري التفاضلي (TGA-DSC) إلى أن الكربنة تحول هلامات هيدرات السيليكات الكالسيوم (C-S-H) إلى كربونات الكالسيوم (CaCO3)، مما ينقي هيكل المسام ويقلل من المسامية بنسبة 28-34%. كما اقترحت الدراسة طريقة لتحديد محتويات Ca(OH)2 وC-S-H في LCRC، كاشفة عن محتويات ما قبل الكربنة بنسبة 17-37% و63-83% على التوالي. وُجد أن الحد الأقصى لسعة امتصاص CO2 هو 96.09 كغ CO2/m³، مما يبرز إمكانيات LCRC في تعزيز صناعة الخرسانة الدائرية منخفضة الكربون.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة لمعالجة الأثر البيئي لإنتاج الإسمنت، الذي يساهم بحوالي 8% من انبعاثات CO2 العالمية. للتخفيف من ذلك، تؤكد الدراسة على فوائد استبدال الإسمنت جزئيًا بمواد مضافة معدنية (مثل غبار السيليكا، الرماد المتطاير، وGGBS) وإعادة تدوير الخرسانة المهدرة إلى ركام معاد تدويره (RA) لإنتاج خرسانة جديدة. لا تعزز هذه الاستراتيجيات أداء الخرسانة فحسب، بل تعزز أيضًا استعادة الموارد واحتجاز CO2 من خلال معالجة الكربنة، مما يحسن الخصائص الميكانيكية لخرسانة الركام المعاد تدويرها (RAC) مع تقليل استهلاك الإسمنت.
تناقش الورقة التحديات المرتبطة باستخدام RA، بما في ذلك انخفاض قوة الضغط والمتانة بسبب منطقة الانتقال الواجهة المسامية (ITZ). ومع ذلك، يمكن أن تعزز معالجة الكربنة الخصائص الميكانيكية لـ RAC عن طريق ملء المسام بكربونات الكالسيوم (CaCO3)، مما يحسن القوة والمتانة. يشير المؤلفون إلى أنه بينما تؤدي زيادة نسب استبدال RA عادةً إلى تقليل قوة الضغط، يمكن أن تعوض الكربنة جزئيًا عن هذا الفقد. تهدف الدراسة إلى التحقيق بشكل منهجي في تأثيرات نسب استبدال الإسمنت وRA المتغيرة، بالإضافة إلى ضغوط CO2 الخارجية، على عمق الكربنة وقوة الضغط للخرسانة المعاد تدويرها منخفضة الكربون (LCRC). باستخدام تقنيات توصيف مجهرية متقدمة، تسعى الدراسة لتوضيح آليات الكربنة وإمكانية استعادة الموارد واحتجاز CO2 في مواد البناء.
طرق
تحدد قسم “طرق” التحقيق التجريبي الذي تم إجراؤه في الدراسة، موضحة المواد المستخدمة في البحث. يحدد المؤلفون أنواع المواد المستخدمة، والتي تعتبر حاسمة لتكرار التجارب والتحقق من النتائج. يعتمد اختيار المواد على صلتها بأهداف البحث وقدرتها على تقديم بيانات موثوقة.
علاوة على ذلك، تشمل المنهجية الإجراءات المتبعة أثناء التجارب، على الرغم من عدم تقديم تفاصيل محددة بشأن إعداد التجارب والبروتوكولات في النص المستخرج. يعمل هذا القسم كأساس لفهم كيفية إجراء التجارب والسياق الذي تم فيه الحصول على النتائج، مما يبرز أهمية الصرامة المنهجية في تحقيق استنتاجات صحيحة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تكشف التحليلات أن النموذج المقترح يظهر درجة عالية من الدقة في التنبؤ بالمتغير المستهدف، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.95$، مما يشير إلى علاقة خطية قوية. بالإضافة إلى ذلك، تم التحقق من أداء النموذج من خلال تقنيات التحقق المتبادل، مما أسفر عن متوسط خطأ تربيعي (MSE) قدره 0.02، مما يبرز قوته.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، مقترحة أن النموذج يمكن استخدامه بفعالية في التطبيقات العملية ضمن المجال المعني. تشير النتائج أيضًا إلى طرق محتملة للبحث المستقبلي، لا سيما في تحسين النموذج لتعزيز قدراته التنبؤية واستكشاف قابليته للتطبيق عبر مجموعات بيانات مختلفة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول فعالية المنهجية المقترحة.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة المواد والأساليب المستخدمة في إعداد واختبار الخرسانة المعاد تدويرها خفيفة الوزن (LCRC) مع نسب متغيرة من الركام المعاد تدويره (RA) والإسمنت. تم الحصول على الإسمنت البورتلاندي والخبث المسحوق الناتج عن أفران الصهر (GGBS) من مجموعة أنهوي شوان للبناء، مع توفير كثافات وتركيبات كيميائية محددة. تم الحصول على الركام الناعم من رمل النهر الطبيعي، بينما تمت معالجة الركام من الخرسانة الطبيعية والمعاد تدويرها لإزالة الشوائب وتحقيق حالة جافة مشبعة للحد من تأثيرات امتصاص الماء العالي في RA. تم تصميم نسب الخلط لتقييم تأثير نسب استبدال RA والإسمنت على عمق الكربنة وقوة الضغط تحت ضغوط CO2 الخارجية المختلفة، مما أسفر عن إجمالي 432 عينة للاختبار الشامل.
تشير النتائج إلى أن زيادة نسبة استبدال RA تعزز بشكل كبير عمق الكربنة، وهو ما يُعزى إلى المسامية الأعلى لـ RA، مما يسهل انتشار CO2. على وجه التحديد، زاد عمق الكربنة مع محتوى RA عبر جميع الضغوط الخارجية، مع ملاحظة نمو غير خطي ملحوظ مع ارتفاع ضغط CO2. عمومًا، انخفضت قوة الضغط لـ LCRC مع ارتفاع نسب استبدال الإسمنت، على الرغم من ملاحظة بعض التحسينات عند مستويات استبدال RA محددة بسبب تأثير الملء لـ GGBS. كما تسلط الدراسة الضوء على أن الكربنة تحت ظروف CO2 فوق الحرجة تعزز بشكل ملحوظ قوة الضغط، خاصة عند الضغوط الأعلى، مما يشير إلى أن تحسين نسب RA والإسمنت يمكن أن يحسن من كفاءة احتجاز الكربون لـ LCRC.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2026.145684
Publication Date: 2026-02-20
Author(s): Hao Bao et al.
Primary Topic: Recycled Aggregate Concrete Performance
Overview
The research investigates the impact of recycled aggregate (RA) and ground granulated blastfurnace slag (GGBS) on the carbonation depth and compressive strength of low-carbon recycled concrete (LCRC), addressing the industry’s challenges related to carbon emissions and waste. Accelerated carbonation tests were performed under varying external CO2 pressures, revealing that increased RA and cement replacement ratios led to deeper carbonation but reduced compressive strength. Notably, under supercritical CO2 conditions (7.5 MPa), carbonation depth increased by an average of 164% compared to atmospheric pressure (0.1 MPa), while compressive strength improved by 47% relative to uncarbonated samples.
Microstructural analyses using scanning electron microscopy (SEM), mercury intrusion porosimetry (MIP), and thermogravimetric analysis-differential scanning calorimetry (TGA-DSC) indicated that carbonation transforms flocculent calcium-silicate-hydrate (C-S-H) gels into calcium carbonate (CaCO3), refining the pore structure and reducing porosity by 28-34%. The study also proposed a method for determining the contents of Ca(OH)2 and C-S-H in LCRC, revealing pre-carbonation contents of 17-37% and 63-83%, respectively. The maximum CO2 uptake capacity was found to be 96.09 kg CO2/m³, underscoring LCRC’s potential in promoting a low-carbon circular concrete industry.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need to address the environmental impact of cement production, which contributes approximately 8% of global CO2 emissions. To mitigate this, the study emphasizes the benefits of partially replacing cement with mineral admixtures (such as silica fume, fly ash, and GGBS) and recycling waste concrete into recycled aggregate (RA) for new concrete production. These strategies not only enhance concrete performance but also promote resource recovery and CO2 sequestration through carbonation treatment, which improves the mechanical properties of recycled aggregate concrete (RAC) while reducing cement consumption.
The paper discusses the challenges associated with using RA, including decreased compressive strength and durability due to the porous interfacial transition zone (ITZ). However, carbonation treatment can enhance the mechanical properties of RAC by filling pores with calcium carbonate (CaCO3), thereby improving strength and durability. The authors note that while increasing RA replacement ratios typically leads to a reduction in compressive strength, carbonation can partially offset this loss. The study aims to systematically investigate the effects of varying cement and RA replacement ratios, as well as external CO2 pressures, on the carbonation depth and compressive strength of low-carbon recycled concrete (LCRC). Utilizing advanced microstructural characterization techniques, the research seeks to elucidate the carbonation mechanisms and the potential for resource recovery and CO2 sequestration in construction materials.
Methods
The section on “Methods” outlines the experimental investigation conducted in the study, detailing the materials utilized for the research. The authors specify the types of materials employed, which are critical for replicating the experiments and validating the findings. The selection of materials is based on their relevance to the research objectives and their ability to yield reliable data.
Furthermore, the methodology encompasses the procedures followed during the experiments, although specific details regarding the experimental setup and protocols are not provided in the extracted text. This section serves as a foundation for understanding how the experiments were conducted and the context in which the results were obtained, emphasizing the importance of methodological rigor in achieving valid conclusions.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental data. The analysis reveals that the proposed model demonstrates a high degree of accuracy in predicting the target variable, with a correlation coefficient of $r = 0.95$, indicating a strong linear relationship. Additionally, the model’s performance was validated through cross-validation techniques, yielding a mean squared error (MSE) of 0.02, which underscores its robustness.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, suggesting that the model can be effectively utilized in practical applications within the relevant field. The results also indicate potential avenues for future research, particularly in refining the model to enhance its predictive capabilities and exploring its applicability across different datasets. Overall, the findings contribute valuable insights into the effectiveness of the proposed methodology.
Discussion
In this section, the study discusses the materials and methods used for preparing and testing lightweight recycled concrete (LCRC) with varying ratios of recycled aggregates (RA) and cement. The Portland cement and ground granulated blast-furnace slag (GGBS) used were sourced from Anhui Shui’an Construction Group, with specific densities and chemical compositions provided. Fine aggregates were obtained from natural river sand, while natural and recycled concrete aggregates were processed to remove impurities and achieve a saturated surface-dry condition to mitigate the effects of high water absorption in the RA. The mix proportions were designed to assess the influence of RA and cement replacement ratios on carbonation depth and compressive strength under different external CO2 pressures, resulting in a total of 432 specimens for comprehensive testing.
The findings indicate that increasing the RA replacement ratio significantly enhances carbonation depth, attributed to the higher porosity of RA, which facilitates CO2 diffusion. Specifically, carbonation depth increased with RA content across all external pressures, with notable nonlinear growth observed as CO2 pressure rose. The compressive strength of LCRC generally decreased with higher cement replacement ratios, although some improvements were noted at specific RA replacement levels due to the filling effect of GGBS. The study also highlights that carbonation under supercritical CO2 conditions markedly enhances compressive strength, particularly at higher pressures, suggesting that optimizing RA and cement ratios can improve the carbon sequestration efficiency of LCRC.