全再生混凝土大跨梁的变形性能与低碳评价

肖建庄 ,  潘玉珀 ,  王春晖 ,  房海波 ,  梁汝鸣 ,  葛序尧 ,  王璞瑾 ,  关湘烁 ,  徐浩林 ,  宁甲乾 ,  何尧 ,  丁陶 ,  肖绪文

中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (3) : 129 -141.

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中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (3) : 129 -141. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2025.04.013
面向美丽中国的资源循环利用与生态环境治理研究

全再生混凝土大跨梁的变形性能与低碳评价

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Deformation Behavior and Low-Carbon Assessment of Large-Span Beam with Fully Recycled Concrete

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摘要

在建筑固体废物（固废）激增、“双碳”目标推进的双重驱动下，全再生粗骨料混凝土（FRCAC，取代率为100%，简称全再生混凝土）在结构工程中的应用成为破解资源环境约束、重塑低碳结构体系的突破口。然而，现行规范体系因缺乏实际工况下的长期实证数据，制约了FRCAC相关的技术更新和规模化应用进程。本文着眼“突破技术瓶颈、驱动规范升级、推动低碳应用”，率先以30 m跨度的FRCAC简支梁为工程原型开展前瞻性探索，旨在全面研究FRCAC结构的服役性能。FRCAC受压区边缘的最大压应力约为混凝土轴心抗压强度的50%，能够模拟FRCAC构件在实际荷载作用下的受力状态，支持量化FRCAC结构在长期荷载 ‒ 环境耦合作用下的性能演化规律与低碳效益。设计并浇筑等配筋、等水胶比的FRCAC梁和普通混凝土（NAC）对照梁，构建覆盖“材料制备 ‒ 构件行为 ‒ 碳效益量化”全链条，追踪4年服役期内变形、裂缝、碳化深度等的演变过程，应用生命周期评价模型获得量化的碳吸收效应。研究结果表明，同条件养护下FRCAC的弹性模量较NAC降低7.8%~14%，可通过预起拱方式补偿变形差异并满足结构变形要求；FRCAC梁表面的受弯裂缝数量较NAC梁增长8%，裂缝长度增长15%，但平均宽度基本一致；考虑服役期的碳吸收后，FRCAC梁的净碳排放降低7.69%。首次以工程原型实证了FRCAC在实际荷载 ‒ 环境耦合工况下的应用可行性，将促进结构工程低碳化的理论与工程发展，推动建筑固废从粗放化填埋转向高值化利用。

Abstract

As global construction solid wastes surged and to achieve the carbon peak and carbon neutrality goals, the application of fully recycled coarse aggregate concrete (FRCAC, 100% replacement rate) in structural engineering has emerged as a breakthrough solution to addressing resource-environmental constraints and reshaping low-carbon structural systems. However, current codes and standards lack long-term empirical data under actual service conditions, constraining technological updates and large-scale application. This study aims to break technological bottlenecks, drive code upgrades, and promote low-carbon application. It explores the service performance of FRCAC structures using a 30-meter-span simply supported beam as the engineering prototype. Under self-weight loading, the maximum compressive stress at the edge of the compression zone of FRCAC is approximately 50% of its axial compressive strength, simulating the stress state under actual loading conditions, thus enabling quantitative analysis of performance evolution mechanisms and low-carbon benefits under long-term coupled effects of mechanical loading and environmental exposure. Through designing comparative beams with equivalent reinforcement and water-to-binder ratios between FRCAC and conventional concrete, we established a comprehensive framework covering material preparation, component behaviors, and carbon benefit quantification. We tracked deformations, crack patterns, and carbonation depth evolution over 4-year service periods, and quantified carbon absorption effects using life cycle assessment models. Results demonstrate that although FRCAC exhibits 7.8%~14% reduced elastic modulus under the same-condition curing, pre-cambering completely compensates deformation discrepancies, satisfying structural requirements. While bending cracks increased by 8% and the crack length increased by 15%, the average width remained comparable to conventional concrete. Considering service-period carbon absorption, FRCAC beams achieved 7.69% reduction in net carbon emissions. This study pioneers engineering prototype validation of FRCAC's feasibility under actual load-environment coupling conditions. The findings are expected to advance the transformation of construction wastes from extensive landfilling to high-value utilization, providing a forward-looking solution for low-carbon structural engineering.

Graphical abstract

关键词

全再生粗骨料混凝土 / 30 m跨度工程原型梁 / 动态监测 / 生命周期评价 / 碳排放

Key words

fully recycled coarse aggregate concrete (FRCAC) / 30-meter-span engineering prototype beam / dynamic monitoring / life cycle assessment / carbon emissions

引用本文

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肖建庄,潘玉珀,王春晖,房海波,梁汝鸣,葛序尧,王璞瑾,关湘烁,徐浩林,宁甲乾,何尧,丁陶,肖绪文. 全再生混凝土大跨梁的变形性能与低碳评价[J]. 中国工程科学, 2025, 27(3): 129-141 DOI:10.15302/J-SSCAE-2025.04.013

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一、 前言

全球城市化进程加速、“双碳”战略目标深度推进，建筑固体废物（固废）资源化与结构工程低碳化成为重塑土木工程的核心命题。我国改革开放初期建设的数十亿平方米建筑逐步进入服役寿命末期，每年产生逾2×109 t的建筑固废，与持续攀升的（新增建筑）砂石资源需求形成了尖锐矛盾[1]。同时，新型城镇化对“好房子”的迫切需求与既有建筑功能升级浪潮，推动工程材料体系朝着“资源循环 ‒ 性能提升 ‒ 低碳增益”协同发展方向革新。在此背景下，应用全再生粗骨料混凝土（FRCAC，取代率为100%，简称全再生混凝土）在建筑固废消纳、天然石子替代方面具有独特优势，被视为破解资源环境约束的关键技术路径[1]。当前，国内外工程实践多关注低取代率（≤30%）再生混凝土的局部构件应用[2~4]，实质上是渐进式改良的应用策略，尽管可以确保结构的安全性，但明显制约再生混凝土环境效益的充分释放。为此，FRCAC在承重结构中应用能否满足结构强度、刚度、耐久性要求，如何最大化FRCAC的低碳优势并实现规模化应用，成为土木工程领域亟待攻克的全球性、前瞻性课题。

诸多实验室研究已证实FRCAC的可行性[2]，但相关工程应用一直停滞在“规范 ‒ 实践”环节，根本症结在于：有限的工程案例局限在低风险场景（如非承重墙体、路基填充），而FRCAC承载构件的应力比、环境耦合作用下的综合性能等实证数据极为匮乏。这种关键数据“真空”现象引发业内对相关材料的时变特性、损伤演化规律存在深度疑虑[5~7]，进而催生规范体系的过度性能冗余偏向。例如，国家行业标准《再生混凝土结构技术标准》（JGJ/T 443—2018）规定，在再生粗骨料取代率方面，多层和高层再生混凝土房屋宜为30%~50%；山东省工程建设标准《再生骨料混凝土结构应用技术规程》（DB37/T 5208—2021）将Ⅱ类再生混凝土的跨度限定为7 m。更为严峻的是，规范限制进一步压缩FRCAC的工程应用探索空间，导致“无应用案例 ‒ 无经验积累 ‒ 无规范更新”的负向闭环。为打破这一僵局，亟需开展模拟构件实际承载工况下的原型试验，揭示FRCAC构件的长期承载与变形性能规律，为设计理论革新和规范迭代提供“第一手”实证基础。

本研究着力探索FRCAC在实际荷载 ‒ 环境耦合作用下的服役性能边界，以前所未有的工程研究尺度，突破传统的“规范先行 ‒ 工程跟进”技术路径，在无既有设计标准指导的条件下，自主设计并浇筑30 m跨度FRCAC简支梁：FRCAC受压区边缘的最大压应力约为混凝土轴心抗压强度的50%（达到或超过常规结构构件的应力水平），结合实际工作环境类别（寒冷地区露天环境），能够模拟长期荷载 ‒ 环境耦合的实际工况。以30 m跨度FRCAC简支梁为工程原型开展前瞻性研究，验证FRCAC在主要承载结构中使用的可行性，揭示FRCAC结构在真实工程环境中的普适规律，评价FRCAC的低碳优势。构建覆盖“材料制备 ‒ 构件行为 ‒ 碳效益量化”的全链条证据体系，首次实证FRCAC在实际荷载 ‒ 环境耦合工况下的性能边界，贯通“研究突破 ‒ 工程验证 ‒ 标准迭代”的正向循环，助力实现覆盖“材料 ‒ 结构 ‒ 系统”的土木工程全场景碳中和目标。

二、 30 m跨度全再生混凝土简支梁的研究背景与构件设计

为验证FRCAC在结构承载构件中的应用可行性、探索突破既有规范限制，于山东省济南市商河县浇筑了跨度30 m，截面高1.5 m、宽0.4 m的FRCAC简支梁（高跨比为1/20，小于规范推荐的1/18~1/10）（见图1（a）），研究长期荷载、环境耦合作用下FRCAC大跨梁的变形性能。同时浇筑相同跨度、截面、水胶比、配筋的普通混凝土（NAC）梁作为对照组（见图1（b）），开展FRCAC大跨梁的长期变形性能对比研究。

FRCAC和NAC的设计强度等级均为C35（见表1）。取混凝土强度标准值进行截面分析，结果表明，两种梁的屈服荷载均约为22 kN/m，自重荷载均约为14 kN/m，可以模拟梁在长期荷载、环境耦合作用下的力学和变形性能。FRCAC中的再生粗骨料取代率为100%。再生粗骨料吸水率为3.7%、表观密度为2580 kg/m3、压碎指标为13%、微粉含量为1.5%、针片状颗粒含量为0.5%，满足国家规范中Ⅱ类混凝土用再生粗骨料的要求。FRCAC、NAC采用相同的水胶比（0.41），使用饱和面干再生粗骨料制备FRCAC，在搅拌混凝土时不增加附加水。FRCAC、NAC梁采用相同配筋（见图2）。

参照《再生混凝土结构技术标准》（JGJ/T 443—2018），强度等级为C35的FRCAC弹性模量可取25.2 GPa，在考虑早龄期拆模影响后取为20.16 GPa，基于材料弹性假定，计算梁在自重作用下跨中最大挠度为65.1 mm。考虑材料弹性模量降低、混凝土长期徐变对变形的影响，参照《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204—2019），施工时两种梁的模板跨中均预起拱90 mm（L 0/330）。FRCAC梁、NAC梁均于2021年12月7日19~20时浇筑完成，浇筑时现场温度为-5 ℃~-3 ℃，属于冬季施工。浇筑后经洒水养护，7 d后拆除侧模，28 d后拆除底模。

三、 全再生混凝土的材料性能

（一） 立方体试块的抗压强度和弹性模量

采用尺寸为（100×100×100）mm3立方体试块，考虑标准养护（温度为20 ℃、相对湿度为95%）和同条件养护两种方式，按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）中的标准试验方法加载。标准养护的立方体试块强度结果表明，FRCAC、NAC强度均达到C35设计目标；随着龄期增长，试块强度逐渐提高，到60 d后趋于稳定。随着龄期的增长，FRCAC、NAC立方体试块的抗压强度差异增大，各龄期下的FRCAC强度相当于NAC的75.3%~80.8%（见图3（a））。

混凝土弹性模量测试的试件尺寸为（150×150×300）mm3，同样考虑标准养护、同条件养护两种方式，测试结果（见图3（b））表明，冬季施工、现场养护条件对混凝土的强度存在影响，对早期强度的影响尤其显著：相比标准养护条件，7 d同条件养护的FRCAC、NAC抗压强度分别降低至88.3%、70%；至90 d，相应比例分别回升至90.2%、84%。这也表明，随着龄期的增长，冬季施工对混凝土弹性模量的不利影响逐渐减小。标准养护和同条件养护下FRCAC的弹性模量低于NAC。龄期为28~90 d，标准养护的FRCAC弹性模量较NAC降低7.3%~23%，同条件养护的FRCAC弹性模量较NAC降低7.8%~14%。此外，对于FRCAC、NAC，同条件养护下的抗压强度同样低于标准养护强度，这与施工时温度较低、难以做好养护有关。

采用回弹法、取芯法测试混凝土的抗压强度，通过钻孔取芯、酚酞试剂测试碳化深度（见图4），其中FRCAC的回弹值按照上海市工程建设规范《再生骨料混凝土应用技术标准》（DG/TJ 08—2018—2020）调整。回弹法、取芯法测得的抗压强度结果相近，表明针对FRCAC的回弹值调整方法可准确评价FRCAC的抗压强度。回弹法、取芯法测得的抗压强度结果表现出与标准试验相似的发展规律：随龄期增长呈增加趋势，且增速先快后慢；FRCAC的抗压强度低于NAC。至1187 d，回弹法测得的FRCAC的抗压强度约为34.6 MPa，而NAC抗压强度约为38.8 MPa。碳化深度测试结果表明，FRCAC、NAC均在90 d时开始碳化；至1197 d，FRCAC、NAC的碳化深度分别约为10.8 mm、11.7 mm。碳化深度随龄期呈现非线性增长趋势，90~180 d碳化较快，180 d后碳化速度明显减缓。FRCAC的碳化深度低于NAC，这与部分文献[2]数据不同，原因是FRCAC配合比中水泥的量大于NAC，使其表面更加致密进而阻碍了碳化进程。

（二） 干缩特性

在恒温、恒湿条件下，测量FRCAC、NAC试件因失水引起的轴向长度变形（见图5）。选取试件尺寸为（100×100×515）mm3，在温度为20 ℃、相对湿度为50%的恒温、恒湿室内开展试验。FRCAC的干缩应变大于NAC，90 d的FRCAC干缩应变较NAC高59.3%，可见FRCAC构件需加强养护措施以防止干缩开裂。

四、 全再生混凝土梁的受力变形性能

（一） 早期挠度

在拆模后立即测量FRCAC、NAC梁的初始竖向变形。选取梁的1/6跨、1/3跨、1/2跨处共5个测点（测量梁的挠度），在梁两端基础短柱顶各设置1个沉降检测点（测量梁的基础沉降），以便精确计算梁的变形。以梁的一端为原点，绘制拆模后各测点的早期挠度（见图6）。拆模时FRCAC、NAC梁在自重作用下的跨中瞬时竖向变形分别为75.73 mm、79.7 mm。FRCAC梁的跨中竖向变形大于NAC梁（约7.3%），与FRCAC的弹性模量减小幅度相近。考虑90 mm预反拱后，FRCAC、NAC梁的跨中挠度均满足规范要求（L 0/300）。

建立有限元（FEM）模型，模拟FRCAC、NAC梁在自重作用下的早期变形。使用混凝土塑性损伤模型表征FRCAC、NAC的非线性行为，其中NAC的本构模型参考《混凝土结构设计标准》（GB/T 50010—2010），FRCAC的本构模型参考《再生骨料混凝土应用技术标准》（DG/TJ 08—2018—2020）。假定钢筋与混凝土之间为完好黏结，梁端部与支座之间的接触采用通用接触的方式设定（见图7）。钢筋采用双折线模型表征，屈服强度为400 MPa，弹性模量为206 GPa。混凝土本构模型中的弹性模量、抗压强度、峰值应变等参数均采用实测值（见表2），受压本构曲线如图8所示。

在FEM模型中全局施加自重荷载，利用静态求解器计算早期挠度（见图6）。需要指出，FEM模型中未考虑预起拱的影响，但为确保一致性，图6中模拟结果挠度已减去预起拱数值。FRCAC、NAC梁跨中挠度的模拟误差分别为1.88%、0.06%。1/6测点、1/3测点早期挠度的模拟误差较跨中测点偏大，平均误差为5.18%，最大误差为14.95%（位于NAC梁的左端1/6测点）。对比结果证实了FEM模型及分析过程的有效性。

进一步模拟将FRCAC、NAC梁在三点受弯条件下加载至破坏的承载性能，得到梁的荷载 ‒ 位移曲线（见图9）。鉴于试验中FRCAC、NAC为等水胶比设计，FRCAC强度略低于NAC，为了合理排除混凝土抗压强度的影响，图9也展示了采用等强度设计、沿用FRCAC本构关系的简支梁模拟结果。依据屈服点的计算结果，FRCAC、NAC梁的受弯承载力分别为1827.6 kN·m、2371.8 kN·m，钢筋屈服时FRCAC、NAC均未被压碎，属于适筋破坏。

由图9结果可见，在加载至屈服前，FRCAC梁的跨中位移 ‒ 荷载曲线斜率小于NAC梁，这是FRCAC弹性模量较低、FRCAC梁抗弯刚度较小导致的。在加载至屈服后，FRCAC梁、NAC梁相同跨中位移对应的承载力差异变大，这是因为在该阶段混凝土已达塑性软化阶段，FRCAC本构下降段较陡致使FRCAC梁的延性相比NAC梁较低。

对于等强度设计的FRCAC梁，受弯承载力明显提升，由1827.6 kN·m增长至2364.98 kN·m，幅度为29.4%。在屈服前，等强度设计的FRCAC梁刚度接近NAC梁；在屈服后，等强度设计的FRCAC梁极限承载力仍低于NAC梁。究其原因，虽然等强度设计的FRCAC梁峰值强度与NAC梁相当，但在受压本构的下降段仍表现出脆性。优化FRCAC的配合比、减小FRCAC与NAC强度的差异，可使FRCAC构件满足结构使用要求。

（二） 长期性能

从FRCAC梁、NAC梁的实测结果（见图10）来看，随着龄期的发展，两种梁的跨中挠度都表现出逐渐增大的趋势，在龄期超过300 d后均进入缓慢发展阶段，1000 d后进入稳定阶段且不再增长。自重荷载长期作用下两种梁的竖向变形分别为130 mm、140 mm，在计入预起拱后实际挠度分别为40 mm、50 mm，均满足《混凝土结构设计标准》（GB/T 50010—2010）要求的长期挠度限值（L 0/300=100 mm）。这表明，选取的预起拱数值合理，可抵消30 m跨度简支梁在长期荷载、环境作用下的挠度。FRCAC梁的竖向变形略大于NAC梁（约7.69%），这与FRCAC梁刚度较小有关。分别选取FRCAC梁、NAC梁的两个点位，开展裂缝宽度的长期监测（见图11）。监测的裂缝宽度随时间呈现总体增大的趋势，也存在着一定程度的波动。波动的原因可能是梁的变形随着季节的温度波动而变化，具体机理有待进一步研究。

持续采集FRCAC梁、NAC梁构件的裂缝图像，利用基于图像配准、深度学习图像分割的裂缝发展过程识别方法，追踪裂缝的发展过程（见图12）。① 人工拍照采集，由配准算法将图像进行对齐。② 提取图像角点特征，计算角点主方向。利用Canny边缘检测算法开展图像边缘检测，由CSS变体算法提取边缘的轮廓集合、轮廓上的曲率极大与极小值，据此判定极大值点是否为真角点。将角点与其左右侧的极小值点区间内的轮廓点坐标进行高斯加权平均，同特征点构成两个向量，两个向量组成的角平分线方向即为主方向。③ 双边匹配并保留一致匹配点，比较两个图像中的特征点描述符，通过匹配寻找最相似的点对并保留。④ 根据匹配结果，对目标进行定位，分析匹配结果的可靠性，输出识别结果，实现配准效果确认。⑤ 针对配准后的两张图像，提取相同位置的图像，作为后续裂缝分析的输入。⑥ 应用专门训练的深度学习视觉模型，识别裂缝的图像信息及其掩码，得到裂缝分割图像并获取裂缝信息。

FRCAC梁、NAC梁的裂缝分布无明显区别：除了从梁底开始至梁中部、由梁自重产生的受弯裂缝，还有存在于梁中部的表面收缩裂缝。受弯裂缝一般为垂直裂缝，收缩裂缝走向较为随机，多呈网状分布（见图13）。识别并统计梁西侧表面的裂缝，算得裂缝总数（受弯和收缩裂缝）、受弯裂缝数、裂缝总长度（受弯和收缩裂缝的总长度）、受弯裂缝长度（见表3），发现：① NAC梁的裂缝总数、受弯裂缝数、裂缝总长度、受弯裂缝长度均小于FRCAC梁；② FRCAC的平均裂缝长度（0.17 m）略大于NAC梁（0.16 m），原因在于再生混凝土表面更易形成细小的收缩裂缝；③ 裂缝分布于1/6~5/6跨度范围内，裂缝间距呈均匀分布，与《混凝土结构设计标准》（GB/T 50010—2010）计算的平均裂缝间距结果（189 mm）接近；④ FRCAC梁表面的受弯裂缝数量较NAC梁增长8%，受弯裂缝长度增长15%。

（三） 模态固有频率

开展梁的模态识别试验，获得梁的刚度信息。拾取梁受环境源的扰动（如车辆运行、机器运转等）激励产生的振动加速度响应，识别梁的自振模态信息。根据梁的测点加速度功率密度谱（见图14），识别出梁的前3阶竖向振型和模态固有频率。采用实测的材料弹性模量并假定混凝土和钢为弹性体，完成FRCAC梁的模态分析（见表4）。模态分析中假设材料为线弹性，因而相关结果代表了未损伤梁的模态参数。相较FEM分析结果，现场实测的前3阶固有频率分别偏离-2.92%、7.14%、6.17%。根据模态固有频率的定义推断，FRCAC的抗弯刚度降低至未损伤时的94.1%，起因是梁受拉区混凝土的开裂。此时，FRCAC梁的实际抗弯刚度约为NAC梁的81.3%。

（四） 加载试验

为进一步研究梁在外荷载作用下的变形性能，对FRCAC梁、NAC梁施加外荷载，分别采用百分表、裂缝宽度仪记录梁的挠度增量和裂缝宽度变化。其中，挠度测量的测点分布见图2，裂缝宽度测量位置为梁西侧表面。使用红砖在梁简支段的上表面施加1.44 kN/m的均布线荷载，约为梁自重线荷载的10%；分4级加载，每级为0.36 kN/m。加外载荷后，梁所受均布荷载约为15.84 kN/m；加载时气温为16~25 ℃、相对湿度为12%~16%、西北风最大7级。

对比FRCAC梁、NAC梁的挠度变化（见图15），发现两种梁在外荷载作用下的挠度增幅走势相近，梁跨中挠度增量分别为5.37 mm、4.67 mm，即NAC梁的挠度增量约为FRCAC梁的87%。由抗弯刚度和线载荷、跨中挠度增量的关系推断，FRCAC梁的等效抗弯刚度约为NAC梁的87%，这一差异小于梁模态识别试验获得的FRCAC与NAC等效刚度差异结果（81.3%）。在施加外荷载约为梁自重荷载10%的前提下，挠度增量小于梁拆模时产生竖向变形的10%（FRCAC梁、NAC梁分别为7.97 mm、7.57 mm），原因是拆模时受到冬季施工的影响，混凝土的弹性模量较低（如FRCAC的弹性模量不足20 GPa），经超过4年的水化后弹性模量有所增长，进而增大了梁的抗弯刚度。若假设FRCAC、NAC的弹性模量分别为28.35 GPa、31.5 GPa以及梁保持线弹性，计算的跨中挠度分别为4.79 mm、4.31 mm，略小于实测结果，但与混凝土开裂后刚度下降的趋势相似。实际上，施加外载荷后梁的挠度仍满足现行规范要求。

统计施加外载荷过程中梁底受弯裂缝的变化趋势（见图16），可见裂缝宽度服从正态分布。加载前的FRCAC梁、NAC梁的裂缝宽度均值都为0.27 mm，而加载后的两种梁的裂缝宽度均值分别为0.34 mm、0.32 mm。两种梁的裂缝宽度均超过现行规范中环境类别为二b的裂缝宽度限值（0.2 mm），这源自试件设计参数的特殊性：未配置预应力筋导致截面抗裂储备不足，梁截面高度与跨度之比（1/20）小于规范建议的最小值（1/18）。相较NAC梁，FRCAC梁的裂缝宽度发展无明显差异，表明再生粗骨料未明显改变梁的开裂和裂缝发展行为。

五、 全再生混凝土梁的低碳效益评价

（一） 目标与范围定义

采用生命周期评价方法（LCA）[8~10]计算并比较FRCAC梁、NAC梁的碳排放。定义功能单位为单根构件，FRCAC梁、NAC梁的体积和配筋均一致，因而LCA分析结果具有直接可比性。系统边界定义包含混凝土原材料与钢筋生产、混凝土原材料与钢筋运输、混凝土梁施工3个阶段（见图17），进一步考虑FRCAC梁的放置（服役）阶段碳吸收量，计算得到净碳排放量。

（二） 清单分析

相关的生命周期清单数据汇总如表5所示。鉴于FRCAC梁的再生粗骨料需经历废弃混凝土分拣与加工（破碎、筛分、现场处理）等额外工艺流程，在不考虑额外的环境效益时，相应生产过程约需消耗0.056 MJ柴油、0.04 MJ电能[11]。柴油的排放因子为3.164 kgCO2e/kg，热值为42.705 MJ/kg[12]。采取系统边界拓展的方式，对再生粗骨料的碳排放因子（ C R g）的组成进行重构：

C R g = C 1 - C 2 - C 3 - C 4 - C 5

式（1）中，C 1为再生粗骨料生产的碳排放量，按照柴油与电能消耗量计算为4.95 kgCO2e/t；C 2为再生粗骨料的碳吸收量，取值为12 kgCO2e/t[12~15]；C 3为废弃混凝土运输至填埋场的碳排放量，为5.37 kgCO2e/t（通常按照就近填埋原则并采用公路运输，距离较多假定为30 km[16]，碳排放因子为0.179 kgCO2e/(t·km)[17]）；C 4为垃圾填埋的碳排放量，取值为3.14 kgCO2e/t（1 t废弃混凝土处理过程中需用柴油为0.972 kg、电力为0.173 kW·h[24]）；C 5为土地占用的间接碳排放量，取值为0.44 kgCO2e/t（1 t废弃混凝土填埋的占地面积为0.067 m2 [25]，未被占用的土地恢复至林地可实现0.0657 kgCO2e/(m2·a)的碳吸收[26]）。综上，再生粗骨料的碳排放因子为-16 kgCO2e/t。

对于混凝土原材料与钢筋运输的相关信息，采用山东省的材料供应情况：钢材、砂石的平均运输距离分别为57 km、84 km，其余材料的平均运输距离为25 km[18]；再生粗骨料来源于项目附近的资源化工厂，运输距离约为5 km[19]。假定均采用轻型柴油货车（载重2 t）运输，运输碳排放因子为0.286 kgCO2e/(t·km)[17]。此外，制备1 m3混凝土约需消耗电能20.069 MJ[27,28]，采用山东省级电网的碳排放因子（0.742 kgCO2e/(kW·h)[29]）和对应热值（3.6 MJ/(kW·h)[12]）。

FRCAC梁、NAC梁的施工过程基本相同，1 m3梁的施工过程约需消耗电能17.81 kW·h、柴油0.33 L[28,30]。根据FRCAC梁、NAC梁的尺寸与配筋，计算得到每根梁配筋的体积为0.254 m3、钢筋密度为7850 kg/m3 [31]。

单位体积混凝土的放置／服役阶段碳吸收量（ C o p）为：

C o p = A ⋅ d c ⋅ m c 0

式（2）中，A为单位体积混凝土与空气的平均接触面积，取值为5.68 m2 [14]；d c为碳化深度（mm），m c0为单位体积混凝土CO2吸收质量（kgCO2/m3）[32]。在龄期1197 d，通过酚酞试剂测得FRCAC梁、NAC梁的碳化深度分别为10.8 mm、11.7 mm。

（三） 碳排放评价

表6给出了两种梁的碳排放计算结果与贡献度。FRCAC梁、NAC梁的总碳排放量分别为10 020.05 kgCO2e、10 095.71 kgCO2e，在考虑额外环境效益时，FRCAC梁的总碳排放量下降至9680.66 kgCO2e。贡献度排序前三位的是混凝土材料生产阶段、钢筋生产阶段、混凝土运输阶段，合计贡献度超过99%。单位FRCAC的全生命周期碳排放相比NAC降低7.69%。其中，在生产阶段，单位体积的FRCAC、NAC碳排放量分别为270.8 kgCO2e/m3（系统边界拓展后为251.94 kgCO2e/m3）、254.12 kgCO2e/m3；FRCAC梁中水泥用量有所增多，FRCAC材料生产阶段的碳排放量较NAC高出6.6%；在运输阶段，FRCAC的碳排放相较NAC降低了47%。此外，钢筋运输阶段、梁施工阶段的碳排放累计贡献度约为1%，可被梁放置／服役阶段的碳吸收近似抵消。

在上述结果的基础上，选取水泥碳排放因子、再生骨料运输距离两类关键参数进行敏感性分析。考虑数据库选取或区域生产工艺的差异性，当水泥碳排放因子以±30%的幅度波动时，单位体积FRCAC、NAC的碳排放量分别为标准值的0.71~1.29倍、0.73~1.27倍。再生粗骨料运输距离小于90 km的工况下，FRCAC相比NAC具有低碳优势。

综上，针对30 m简支梁的碳排放分析表明，FRCAC在合理布局供应链的条件下可实现7.69%的净碳减排。假设我国新建混凝土结构中有20%采用FRCAC替代且净碳减排比例的期望值为7.69%时，在碳排放量为1.22×1010 t/a的基准情境[33]下，将能实现1.88×108 t/a的碳减排，相当于约4.4×104 km2绿地（毛乌素沙漠或6.9个上海市面积）的年碳吸收量[19]。这一结论对于大跨径工程结构而言更具有延伸价值，因为跨径增大导致混凝土用量的指数级增长，FRCAC运输阶段的碳排放优势将随着材料使用总量上升而显著放大。对应地，建议在重大工程规划中科学布局再生骨料区域供应中心，确保FRCAC运输半径保持在合理范围内，以最大化发挥碳减排效益。此外，可叠加应用其他低碳策略（如推广碳化再生骨料、低碳胶凝材料），以将碳减排率进一步提升至13.4%~18.4%[34]，也将拓展FRCAC的低碳优势。

六、 结语

以30 m跨度FRCAC简支梁为工程原型开展前瞻性探索，验证了FRCAC在结构承载构件中应用的可行性，探明了FRCAC结构在实际荷载 ‒ 环境耦合作用下的变形性能与碳排放特征。相关研究表明，由FRCAC弹性模量下降导致的梁挠度增大，可通过预起拱方式进行一定程度的补偿，FRCAC梁的裂缝数量有所增加但平均宽度与NAC梁基本一致，服役4年的碳化深度（10.8 mm）略低于NAC梁（11.7 mm），考虑碳吸收效应后FRCAC梁的净碳排放降低7.69%。这些新的发现为突破现行规范中再生粗骨料掺量限制、推动FRCAC在结构工程中的应用提供了原型实证依据。

以较为全面地验证FRCAC在实际工况下的应用可行性为基础，推广实施“材料性能适配 ‒ 低碳效益量化 ‒ 规范迭代支撑”的技术路径，将为建筑固废规模化利用、结构工程低碳化提供理论基础与实践框架。鉴于FRCAC的低碳优势，在结构工程中大规模使用FRCAC替代NAC，将是支持实现“双碳”目标的一种选择。

需要指出，当前仅围绕FRCAC简支构件性能完成了前瞻性研究，后续可基于试验数据与工程需求，从以下两个维度开展深化研究，以加快实现FRCAC在结构体系中的规模化应用：全面开展不同荷载类型、环境作用耦合下FRCAC材料、结构性能的相关研究，明确FRCAC的应用范围，指导现行规范修订；基于长期变形监测数据，建立适用于FRCAC的构件承载力和变形设计方法。协同创新技术体系、标准体系，加快推动FRCAC工程应用的跨越式发展，为建筑业低碳转型提供新的技术支撑。

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