再生陶瓷骨料透水混凝土抗壓強度及透水性研究

姜洪坤，李瑤，魏東岳，趙洪瑞，王之川

再生陶瓷骨料透水混凝土抗壓強度及透水性研究

姜洪坤，李瑤，魏東岳，趙洪瑞，王之川

（沈陽理工大學 材料科學與工程學院， 遼寧 沈陽 110168）

為節省天然優質骨料的消耗，同時提高廢棄陶瓷利用率，本試驗使用再生陶瓷骨料等取代天然骨料，研究再生骨料取代率、水灰比及目標孔隙率對再生陶瓷骨料透水混凝土的抗壓強度和透水系數的影響。并使用改性劑對再生陶瓷骨料預處理。結果表明：隨著取代率的提升，抗壓強度不斷降低，透水系數相差不大。隨著水灰比的增加，抗壓強度呈先增加后減小的趨勢，透水系數相差不大，但水灰比大于0.4時數值較低。隨著目標孔隙的提升，抗壓強度不斷減小，透水系數不斷變大。試驗最優方案為：取代率為40%，水灰比為0.35，孔隙率為15%，此時試件性能較好。

廢棄陶瓷； 取代率； 骨料表面改性； 抗壓強度； 透水系數

我國經濟的快速發展，導致城鎮化進程不斷加快，使大面積自然透水的地表變成不透水的硬化地面，各種廣場，道路面積不斷增大。但其表層大多都用透水性較差的材料，缺少滲透雨水的能力，一定程度上影響了生態環境。透水混凝土是指用于地面鋪裝，能滿足路面施工性能的多孔混凝土。是一種有利于保護地下水資源，改進城市小生態的環保友好型混凝土。與普通混凝土相比，其具有透水性好，透氣性好等優點[1-3]。但因具有多孔結構，其抗壓強度等力學性能相比于其他普通混凝土相差較大，并且裸露的空隙容易被各種物質堵塞[4-6]，造成其使用期限不長。同時我國未實現工業化生產和大型機械的高效，全機械化施工，目前仍以現場制備為主，這都使透水混凝土并未得到廣泛應用。

我國陶瓷工藝具有悠久歷史，且產量多年穩定位于世界第一，生產和消耗陶瓷數量更是接近全球用量的五成[7-8]，而大量陶瓷次級品需粉碎后重新燒制，這不僅消耗了過多能源，也增加了制作的成本。同時，大量陶瓷廢棄物大多采用掩埋和堆積的方式處理。但陶瓷制品化學性質穩定，不降解，這加劇了環境污染，也占據了大量土地資源。因此很多學者著重研究廢棄陶瓷的再次利用，目前為止，其可作為再生骨料循環利用[9-11]，也可用于制備礦物摻合料[12-14]。

近幾年，再生陶瓷骨料透水混凝土的研究主要集中于其制備工藝、力學及物理性能。本試驗采用體積法設計配合比，制備了多組不同廢棄陶瓷取代率，水灰比，目標孔隙率的透水混凝土，并測試各組抗壓強度和透水系數。

1 實驗部分

1.1 試驗原料

1.1.1 水泥

水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥。性能如表1。

表1 水泥性能指標

1.1.2 骨料

粗骨料為碎石經破碎后，再挑選出符合試驗要求的粒徑，用水清洗后烘干。為保證能形成有效空隙，本次試驗粒徑定為10~20 mm。并且一部分骨料由相同粒徑的陶瓷碎片來代替，取代率分別為20%、30%、40%、50%和60%。碎片來源于日用或廢棄瓷器，經破碎后篩分。混合骨料性能指標如表2。

表2 不同取代率骨料技術參數

1.1.3 水

水取自沈陽市用自來水。

1.2 配合比設計

使用正交試驗分析的方法，通過大量預先準備試驗，并結合實際經濟情況，確定本試驗最佳水灰比為0.35，廢棄陶瓷最佳取代率為40%，最佳目標孔隙率P定為15%。配合比設計采用體積法，即各組分原料與各自密度的比值和目標孔隙率相加值后為1。為探究不同取代率，不同水灰比以及不同目標孔隙率對透水混凝土的性能影響，結合混合骨料技術參數，計算出配合比如表3。需要指出，由于不同取代率再生骨料空隙率不同，當水灰比、目標孔隙率相同時，每配制1 m3透水混凝土所使用的再生骨料質量稍有不同，如表3組A。

1.3 抗壓強度測試

透水混凝土抗壓強度的測定采用普通混凝土的測定方法，但透水混凝土的承壓面積與普通混凝土不同。普通混凝土的承壓面積即其外形尺寸，但透水混凝土表面存在很多孔隙，并且這些孔隙并不承受壓力，使實驗數據低于實際值。因此，其承壓面積用試件外形面積乘密實度獲得。其公式為：

其中:f—透水混凝土立方體試件的抗壓強度，MPa；

—透水混凝土破壞荷載，N；

—透水混凝土承壓面積，mm2；

—透水混凝土表面密實度，%。

測量B首先對試件表面拍照，之后對圖片進行黑白二值化處理，計算出非空隙部分面積，分析出其占總表面積的百分比，此數值即為試件表面密實度。此過程對設備要求較高，步驟較為繁瑣，因此透水混凝土抗壓強度的測量普遍采用一般混凝土的測量方法。

表3 不同條件下透水混凝土配合比

1.4 透水系數測量

國內透水混凝土的標準中要求的測量方法為常水頭法和落水頭法。試驗采用常水頭法，即保持水壓固定不變，通過一定時間內透過試件的水量來計算出透水系數。

試驗使用北京耐爾儀器設備有限公司NELD- PC370型透水系數測試儀來測量，其原理與常水頭法相同。

1.5 骨料改性處理

由于試驗部分骨料由廢棄陶瓷碎片代替，陶瓷脆性大，受壓易碎易裂[15]，因此骨料壓碎指標較高，其性能指標低于天然優質骨料。針對此現狀，為提升透水混凝土性能，決定使用10%濃度的KH-570型硅烷偶聯劑對再生骨料浸泡6 h，對其進行改性處理[16]。

2 試驗結果及分析

2.1 取代率對再生骨料透水混凝土性能的影響

隨著廢棄陶瓷取代率的提升，再生骨料技術參數有所不同。此外，由于廢棄陶瓷表面存在一層釉，其表面與陶瓷斷面和石子相比更為光滑，光滑的表面與漿體接觸面積較小，裹漿不充分，膠結能力較差，因此試件力學性能較差。此外，與天然骨料相比，廢棄陶瓷內部并沒有連通或半連通孔隙，對透水性能也有輕微的影響。

2.1.1 取代率對再生骨料透水混凝土抗壓強度的影響

當水灰比為0.35，目標孔隙率為15%，不同取代率下的抗壓強度分布如圖1。

圖1 取代率與抗壓強度關系圖

如圖1，隨著取代率的提升，抗壓強度呈不斷下降趨勢。取代率為20%時，強度最高達到17.8 MPa，當取代率超過40%時，抗壓強度下降較明顯，并在60%時降到最低點9.2 MPa，難以達到工程要求，沒有實用價值。取代率為40%時抗壓強度達到了15.4 MPa，相比于取代率為30%的試件下降0.8 MPa，下降幅度不大，而相比于取代率50%的試件則提升了4.7 MPa，有較大幅度的提升，因此結合試驗數據綜合考慮，試驗最佳取代率仍為初定的40%，其可應用于人行路面面層透水混凝土，且具有較大的經濟效應。

通過對破壞樣品的觀察，發現部分各骨料膠結之處已經裂開，并且部分陶瓷骨料已被壓碎，這與廢棄陶瓷自身力學性能有關，而隨著取代率不斷提升，陶瓷含量提升，再生骨料壓碎指標上升。此外，廢棄陶瓷表面比較光滑，比表面積也較小，與水泥漿體接觸面積也較小，膠凝材料黏結能力也因此下降，故抗壓強度較低。

2.1.2 取代率對再生骨料透水混凝土透水系數的影響

如圖2為當水灰比為0.35，目標孔隙率為15%，不同取代率下的透水系數分布。

圖2可知，不同取代率下透水系數相差不大。透水系數和孔隙率之間的相關性很強，孔隙率越高透水系數越大，目標孔隙率均為15%,所以各組結果變化范圍不大，最大差值僅有0.15。透水混凝土的透水性能主要來源于骨料之間的連通和半連通孔隙，與骨料自身性能指標關聯性并不大。

圖2 取代率與透水系數關系圖

2.2 水灰比對再生骨料透水混凝土性能的影響

水灰比的高低會直接影響試件性能[17-18]。水灰比較低時，由于含水量較少，水泥水化反應不充分，膠結能力較差，宏觀上表現為力學性能較差[19-20]。水灰比較高時，水泥漿體含量較高，流動性大，可能會堵塞小部分連通和半連通孔隙，會增強其力學性能，降低其透水性能。但水灰比過大，流動性過大，試件內部并不均勻，出現離析現象，性能反而下降。

2.2.1 水灰比對再生骨料透水混凝土抗壓強度的影響

取代率為40%，孔隙率為15%，更改水灰比后，再用相同原料工藝制備試樣，測試其抗壓強度，數據如圖3。

圖3 水灰比與抗壓強度關系圖

由圖3知，水灰比的高低對試件力學性能有重要意義，若水灰比過低，則水泥漿體含量較低，很難完全均勻包裹所有骨料，造成骨料之間的膠結能力大幅下降，本試驗水灰比小于0.35時，抗壓強度較低，難以達到工程要求，0.25時僅為10.7 MPa。而水灰比過高，則會使水泥漿體過剩，多余漿體在制備或養護過程中容易沉積在試件底部，發生沉漿現象，使透水混凝土內部并不均勻穩定，在受壓時骨料相互咬合處容易分離。當水灰比大于0.35時，抗壓強度較低，在0.45時達到試驗最低值9.5 MPa。

結合數據分析，當水灰比為0.35時，水泥漿體含量適中，包裹骨料效果較好，且沒有離析，沉漿的現象，同時，考慮到試驗骨料粒徑為10~20 mm，比表面積較小，因此與水泥漿接觸面積也較小，骨料相互咬合不足，水泥漿需要較好的流動性，因此本試驗水灰比數值也應偏高。

2.2.2 水灰比對再生骨料透水混凝土透水系數的影響

不同水灰比時透水系數的試驗結果如圖4。

圖4 水灰比與透水系數關系圖

由于目標孔隙率均為15%，結果差距不大，但由于水灰比不同，骨料之間的膠結情況略有不同，這影響了試件內部連通和半封閉孔隙的形成，水灰比越大，試件內部孔隙發生堵塞的可能性越大，這會降低其透水性能。當水灰比大于0.35時，透水系數均低于前幾組試驗結果，而在水灰比小于0.35時，透水系數差值很小，但總體來說數值差距并不大不超過0.3，且試件透水系數均能達到施工要求，因此，當取代率，目標孔隙率相同時，水灰比對試件透水性能影響并不顯著。

2.3 目標孔隙率對再生骨料透水混凝土性能的影響

取代率為40%，水灰比為0.35，為探究不同目標孔隙率對試件的影響，更改目標孔隙率，測試試件性能。

圖5，圖6表明，目標孔隙率的高低是影響透水混凝土性能的重要因素[21-22]，目標孔隙率越大，骨料之間連通和半封閉孔隙越多，膠結能力較弱，受壓時內部結構易損壞，抗壓強度較低，孔隙率為10%時，抗壓強度為本次試驗最大值20.7 MPa，而孔隙率為25%時，抗壓強度僅為9.7 MPa，沒有實際使用價值，抗壓強度下降明顯。此外，試件透水系數與孔隙率有很強的相關性，目標孔隙率越高透水系數越大，最高為2.17 mm/s，此時過水面積明顯變大，宏觀透水效果也越明顯，水流量和流速都較大。

圖6 目標孔隙率與透水系數關系圖

2.4 骨料改性處理對再生骨料透水混凝土性能影響

為進一步提升試件力學性能，試驗采用濃度為10%的KH-570型硅烷偶聯劑對再生骨料進行改性處理，浸泡6 h后，取最佳水灰比0.35，最佳目標孔隙率15%制成試件。如圖7、圖8。

本試驗選取的骨料粒徑偏大，骨料之間相互咬合力較低，而且廢棄陶瓷在運輸，破碎過程中可能產生微裂紋，這都影響了再生骨料的性能指標。而骨料強化后，不同取代率試件抗壓強度均有小幅度提升，當取代率為40%時，抗壓強度為16.1 MPa，比強化前高0.7 MPa。

圖7 強化前后抗壓強度對比圖

圖8 強化前后透水系數對比圖

再生骨料改性后，其壓碎指標會有一定程度降低，骨料本身力學性能有所改善。透水混凝土的抗壓強度主要源于骨料之間相互咬合和骨料與膠凝材料界面結合強度，對骨料改性處理能改善界面結合狀態，其表面會形成薄膜，讓骨料之間更好的黏結，提升其力學性能，但總體來說，強化效果一般。但透水系數并沒有太大的提升。骨料改性處理雖改善了界面結合狀態，但并沒有大幅度提升試件內部的連通或半連通孔隙，因此試驗結果和強化前數據比較接近。

3 結 論

本文研究了再生骨料取代率，水灰比，目標孔隙率及骨料改性對再生陶瓷骨料透水混凝土的抗壓強度及透水系數的影響，得到主要結論如下：

（1）隨著取代率的上升，再生骨料性能指標下降，透水混凝土抗壓強度不斷降低，最低降至9.2 MPa，透水系數相差不大，均能滿足施工要求。試驗最佳取代率為40%，此時抗壓強度為15.4 MPa，強度較好。

（2）隨著水灰比不斷提升，抗壓強度先提升后下降，水灰比為0.35時達到最大值15.4 MPa。水灰比為0.45時透水系數最低，但相差不大，均能滿足施工要求。

（3）隨著目標孔隙率不斷提升，抗壓強度不斷下降，最低降至9.7 MPa，透水系數不斷提升，最高為2.17 mm/s。

（4）使用KH-570型硅烷偶聯劑對再生骨料進行改性處理有一定效果，抗壓強度提升5%左右，對透水系數的提升并沒有顯著的影響。

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Study on Compressive Strength and Water Permeability of Recycled Ceramic Aggregate Permeable Concrete

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（School of Materials Science and Engineering, Shenyang Ligong University, Liaoning Shenyang 110168, China）

In order to save the consumption of natural high quality aggregate and improve the utilization rate of waste ceramics, recycled ceramic aggregate was used to replace natural aggregate in this experiment. The effect of recycled aggregate substitution rate, water-cement ratio and target porosity on the compressive strength and permeability coefficient of recycled ceramic aggregate permeable concrete was studied. The recycled ceramic aggregate was pretreated with modifier. The results showed that with the increase of substitution rate, the compressive strength decreased, and the permeability coefficient had little difference; With the increase of water-cement ratio, the compressive strength increased first and then decreased, and the permeability coefficient had little difference, but the value was lower when the water-cement ratio washigher than 0.4; With the increase of target porosity, the compressive strength decreased and the permeability coefficient increased. The optimum scheme was determined as follows: the substitution rate 40%, the water-cement ratio 0.35, and the porosity 15%. Under above conditions, the performance of the specimen was better.

waste ceramic; substitution rate; surface modification of aggregate; compressive strength; permeability coefficient

沈陽理工大學創新創業項目（201810144011）。

2019-12-16

姜洪坤（1998-），男，遼寧省大連市人，研究方向：無機非金屬材料工程專業。

李瑤（1983-），女，講師，博士，研究方向：廢棄物的資源化利用。

TQ 178

A

1004-0935（2020）03-0227-06