取代率對再生陶瓷粗骨料混凝土抗壓強度的影響

黃 宏，曾建濤，王 伊

（1.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013；2. 華東交通大學土木工程國家實驗教學示范中心，江西 南昌 330013）

混凝土是由粗骨料、細骨料、水、水泥拌制而成， 由于天然骨料的開采對環境造成了巨大的負擔，研究者們開始尋找其他材料替代天然骨料[1]。 與此同時，陶瓷制備時產生大量的廢料，用陶瓷廢料替代天然骨料，制備再生陶瓷骨料混凝土，不僅可以減少陶瓷廢料填埋所占用的土地資源，還可以解決天然資源緊張的問題。

陶瓷廢料加工成粒徑不同的顆粒，分別可作為再生陶瓷粗骨料、細骨料[2-3]和摻合料[4-5]。 針對再生陶瓷作為粗骨料制備成再生陶瓷粗骨料混凝土，國內外學者開展了大量的研究。 為了解決陶瓷吸水率高的問題，Brito 等[6]指出可以采取預加濕的方法。吳本英等[7]通過研究陶瓷的吸水率、表觀密度、堆積密度以及陶瓷粗骨料混凝土的工作性能等，推導出陶瓷粗骨料混凝土配合比的計算方法。 許開成等[8]將陶瓷放在不同濃度的硅烷偶聯劑KH-550 溶液中浸泡不同時間，提出了較優的浸泡方案。 然而，不同學者研究陶瓷取代率對混凝土抗壓強度的影響，得出了不同結論。沈陽等[9]和Pacheco-Torgal 等[10]研究發現，隨著陶瓷粗骨料取代率的增加，混凝土的抗壓強度有所提高，在取代率為100%時，抗壓強度分別提高了7.2%和8%。 然而，宿曉如等[11]、Rajprasad等[12]和Nepomuceno 等[13]研究表明，陶瓷粗骨料混凝土較普通混凝土的抗壓強度有所降低。Anderson 等[14]和蘇有文等[15]研究了不同種類廢陶瓷粗骨料的不同取代率對混凝土抗壓強度的影響，發現隨著取代率的增加，混凝土抗壓強度先升高后降低。 由以上研究可知，陶瓷粗骨料取代率是影響混凝土抗壓強度非常重要的因素。 而隨著取代率的增加，混凝土抗壓強度呈現不同的變化規律，可能是由于陶瓷的來源和混凝土配合比的設計不同。

本文針對瓷板加工的顆粒，將其等質量替換天然碎石，采用基于自由水灰比的混凝土配合比設計[7]， 制作了11 組不同取代率的混凝土立方體試塊，分別養護7 d 和28 d 后開展試塊的單軸抗壓試驗。 通過對比不同取代率試塊的破壞過程與現象，研究陶瓷粗骨料取代率對混凝土試塊抗壓強度和峰值應變的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

本試驗中所使用的水泥為海螺牌P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥；細骨料采用細度模數2.84 的贛江江砂，其表觀密度為2 647 kg/m3，堆積密度為1 513 kg/m3； 粗骨料包括天然碎石和陶瓷粗骨料，天然碎石取自江西高安的花崗巖碎石，如圖1（a），陶瓷粗骨料取自高安市某廢棄陶瓷加工廠利用瓷板加工的顆粒，如圖1（b），粗骨料粒徑分布如圖2所示，粗骨料主要性能指標見表1 和表2；拌和水為實驗室自來水。

表1 粗骨料性能指標Tab.1 Performance index of coarse aggregate

表2 不同陶瓷取代率粗骨料的壓碎指標Tab.2 Crushing indicators of coarse aggregates with different ceramic replacement ratios

圖1 粗骨料Fig.1 Coarse aggregate

圖2 粗骨料粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of coarse aggregate

1.2 配合比設計

混凝土設計強度等級為C40。 再生陶瓷粗骨料取代率r，定義為陶瓷在水中浸泡10 min 后的質量與粗骨料總質量的比值。 本試驗設計了11 種取代率， 即r 為0，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%。

攪拌混凝土前測得天然碎石的吸水率為0.40%，陶瓷粗骨料的吸水率為9.77%。 與天然碎石相比， 陶瓷具有較高的孔隙率和較強的吸水性，以普通混凝土配合比設計方法設計配制的再生陶瓷粗骨料混凝土，其坍落度不符合施工要求。 所以，本試驗采用了基于自由水灰比的混凝土配合比設計方法[8]，即攪拌混凝土的水由兩部分組成：其中一部分為自由水，調整混凝土的流動性，并與水泥發生水化反應；另一部分為附加水，在攪拌混凝土過程中，被陶瓷完全吸收，對混凝土的工作性能無影響。將自由水與水泥用量之比稱之為自由水灰比。 經試配，附加水用量采用陶瓷粗骨料10 min 的吸水量。

再生陶瓷粗骨料混凝土附加水用量計算公式為

式中：△W 為附加水用量，kg；ω 為再生陶瓷粗骨料10 min 的吸水率 （其中陶瓷粗骨料10 min 的吸水率為6.61%，約為飽和吸水率的68%）；mRCCA為再生陶瓷粗骨料的質量，kg；r 為再生陶瓷粗骨料的取代率；m 為粗骨料的總質量，kg。

按照 《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2011）[16]， 計算出每立方米強度等級為C40 的普通混凝土各材料的用量。 再根據式（1）和式（2），計算出不同取代率再生陶瓷粗骨料混凝土的附加水用量以及天然碎石和陶瓷粗骨料的用量，計算結果見表3。

表3 再生陶瓷粗骨料混凝土配合比Tab.3 Mix ratio of recycled ceramic coarse aggregate concrete

1.3 試驗方法

本試驗的攪拌方法為二次攪拌工藝中的全骨料造殼法，即按照表3 的配合比，將骨料（天然碎石、再生陶瓷粗骨料和砂）全部投入30 L 的單臥軸混凝土攪拌機中攪拌60 s，再將所需水量的一半倒入攪拌機中攪拌60 s，使骨料充分吸水，再加水泥攪拌30 s，最后將剩下的另一半水倒入攪拌機中攪拌120 s。 混凝土攪拌均勻后，裝入邊長為150 mm的立方體模具中（每組澆筑6 個試塊），放在振搗臺上振搗1 min，用抹刀抹平后蓋上保鮮膜，將其放在標準養護室帶模養護48 h 后拆模并編號。將試塊繼續放在養護室中養護至7 d 和28 d，再分別對其進行強度測試。

試塊強度測試的儀器為華東交通大學材料實驗室的微機控制壓力試驗機， 其型號為WHY-2000。 試塊從養護室取出后，選擇試塊相對光滑的表面與試驗機的上、下壓板接觸，將試塊緩慢的移動至壓力試驗機中心。 參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）[17]相關規定，以0.6 MPa/s 的速度持續均勻的加載， 直到試塊被壓壞，試驗結束。

2 實驗結果與分析

2.1 試塊破壞的過程及現象

壓力加載初期，試塊表面無明顯變化。 當快到峰值荷載時，試塊出現從角往上延展的斜裂縫或從底邊向上延展的軸向裂縫。 軸向位移增大的同時，裂縫逐漸變寬，裂縫附近區域快速出現大量的微裂縫，達到峰值荷載后，裂縫迅速貫通試塊表面，形成45°角左右正倒相連的四角錐， 試塊表面外鼓并剝落，試塊內部伴有劈裂聲響，荷載繼續增加，試塊突然破壞且喪失承載力。 從破壞的過程看出，再生陶瓷粗骨料混凝土與普通混凝土相比較無明顯差異。但取代率越大，試塊破壞時的劈裂聲越劇烈，試塊表面混凝土脫落面積越大。

圖3 為不同取代率再生陶瓷粗骨料混凝土試塊28 d 的破壞形態，從圖3（a）凹凸不平的斷面形態可以看出， 普通混凝土的破壞主要是在于碎石-水泥石界面破壞和砂漿基體內部開裂，碎石斷裂占少部分。 從圖3 中可以看出，隨著陶瓷取代率的增加，混凝土斷面凹凸不平逐漸變得平整，說明再生陶瓷粗骨料混凝土的裂縫主要出現在陶瓷粗骨料內部及砂漿基體內部，少部分在陶瓷粗骨料與水泥基材料界面。 出現這現象的原因一方面是陶瓷粗骨料大致呈不規則多面體形狀，棱角分明且表面粗糙多孔（除釉面外），與漿體具有更好的黏結性；另一方面在再生陶瓷粗骨料破碎的過程中，其內部會產生細小的微裂縫，由此會在混凝土里面形成比較脆弱的連接面，這會使得再生陶瓷粗骨料混凝土的裂縫主要出現在陶瓷粗骨料的內部。

圖3 不同取代率再生陶瓷粗骨料混凝土試塊28 d 的破壞形態Fig.3 The 28 d failure morphology of recycled ceramic coarse aggregate concrete specimens with different replacement ratios

2.2 再生陶瓷粗骨料混凝土應力-應變全曲線

依據試驗機采集系統自動采集的荷載和縱向位移數據，將其轉化為應力σ 和應變ε 并繪制成應力-應變全曲線。 每組有3 個試塊對應的應力-應變全曲線，由于混凝土具有一定的離散性，同組3 個試塊應力-應變全曲線具有差異， 不宜通過平均值作比較， 故取3 個試塊應力-應變全曲線中應力中間值所對應的曲線作比較，如圖4 所示。 為了便于比較，將11 組再生陶瓷粗骨料混凝土的應力-應變全曲線分3 個圖展示。 由圖4 可以看出，再生陶瓷粗骨料混凝土應力-應變全曲線的變化趨勢與普通混凝土基本相同。 陶瓷取代率為0～40%時，隨著取代率的增加， 混凝土應力-應變全曲線彈性階段斜率逐漸增大，峰值應力逐漸降低，峰值應變逐漸減小；陶瓷取代率為40%～100%時，混凝土應力-應變全曲線彈性階段斜率逐漸減小， 峰值應力逐漸降低，峰值應變逐漸變大。 說明隨著陶瓷粗骨料取代率的增大，混凝土抗壓強度逐漸降低，峰值應變先減小后增大，取代率為40%時，混凝土的峰值應變最小。

圖4 不同取代率再生陶瓷粗骨料混凝土28 d 的應力-應變全曲線Fig.4 28 d stress-strain curves of recycled ceramic coarse aggregate concrete with different replacement ratios

2.3 抗壓強度和峰值應變與取代率的關系

依據試驗機采集系統自動采集的荷載和縱向位移數據轉化的應力-應變全曲線， 可得到每組取代率再生陶瓷粗骨料混凝土試塊28 d 的抗壓強度與峰值應變。 試驗結果采用每組3 個試塊的平均值（3 個值中的最大值或最小值與中間值的差值超過中間值的15%時，取中間值作為該組試件的抗壓強度值），以降低離散性對混凝土力學性能結果的影響。

為更清楚了解不同取代率r 的再生陶瓷粗骨料混凝土抗壓強度與普通混凝土之間的關系。 根據再生陶瓷粗骨料混凝土7 d 和28 d 試驗數據，回歸得到不同取代率再生陶瓷粗骨料混凝土7 d 和28 d抗壓強度的計算方法，分別為式（3）和式（4）。

通過實驗數據回歸得到普通混凝土與再生陶瓷混凝土的關系式，如式（3）和式（4）所示。 由式（3）和式（4）得到的計算值與試驗值的比值如表4所示。 此計算方法分別是基于普通混凝土7 d 和28 d 抗壓強度提出的， 針對本研究所用的再生陶瓷和配合比設計方法制備的再生陶瓷混凝土可參考此式。

表4 不同取代率再生陶瓷粗骨料混凝土抗壓強度和峰值應變Tab.4 Compressive strength and peak strain of recycled ceramic coarse aggregate concrete with different replacement ratios

圖5 顯示了再生陶瓷粗骨料混凝土7 d 和28 d的抗壓強度隨陶瓷取代率的變化情況。 隨著取代率的增加，混凝土7 d 和28 d 的抗壓強度均降低。普通混凝土7 d 和28 d 的抗壓強度分別為40.79 MPa 和46.9 MPa，陶瓷取代率為100%時，再生陶瓷粗骨料混凝土7 d 和28 d 的抗壓強度分別為34.52 MPa和36.5 MPa， 較普通混凝土分別降低了15.4%和22.2%。 導致此結果有3 方面原因：一是為了保證再生陶瓷粗骨料混凝土的工作性能，在再生陶瓷粗骨料混凝土的配合比中添加了附加水，攪拌時附加水被陶瓷所吸附，但陶瓷吸附的附加水會隨混凝土內部水泥水化消耗水分而向陶瓷外遷移，向外遷移的水就殘留在混凝土中， 形成水泡或蒸發后形成氣孔，導致混凝土不密實，從而使得混凝土的強度降低；二是由于陶瓷的表觀密度比天然碎石小，即相同質量陶瓷的體積大于碎石，這就使得每個試塊中骨料的量變多且漿體的量變少。 漿體在混凝土中起到包裹骨料和填充骨料間的作用，由于在一定范圍內， 漿體的減少導致混凝土骨料間的粘聚力降低，從而導致混凝土的強度降低；三是因為陶瓷粗骨料級配比天然碎石差，由于陶瓷粗骨料的粒徑主要分布在4.75～16 mm，粒徑分布不均勻，其空隙率比碎石大，故混凝土強度降低。 從圖5 混凝土7 d 和28 d抗壓強度曲線下降的斜率可以看出，隨著取代率的增加， 混凝土7 d 抗壓強度的降低速度比28 d 慢。普通混凝土7 d 抗壓強度達到28 d 的86.97%，而取代率為100%時，混凝土7 d 抗壓強度達到28 d 的94.58%。 說明取代率越大，混凝土的早期強度越高。

圖5 再生陶瓷粗骨料混凝土的抗壓強度Fig.5 Compressive strength of recycled ceramic coarse aggregate concrete

圖6 為再生陶瓷粗骨料混凝土28 d 同組3 個試塊峰值應變的平均值，從圖6 可以看出，隨取代率的增加，再生陶瓷粗骨料混凝土的峰值應變呈先減小后增大的趨勢。 取代率為40%時，混凝土的峰值應變最小，其值為18.05×10-3，普通混凝土的平均峰值應變為19.16×10-3，取代率為100%時，混凝土的平均峰值應變為21.6×10-3。

圖6 再生陶瓷粗骨料混凝土28 d 的峰值應變Fig.6 28 d peak strain of recycled ceramic coarse aggregate concrete

3 結論

1） 普通混凝土的破壞主要是在于碎石-水泥石界面破壞和砂漿基體內部開裂， 碎石斷裂占少部分，隨著取代率的增加，試塊的裂縫更多的出現在陶瓷粗骨料的斷裂和砂漿基體內部，少部分出現在陶瓷粗骨料-水泥石界面處。

2） 使用瓷板加工的顆粒等質量替換天然碎石，并采用自由水灰比配制的再生陶瓷粗骨料混凝土，其7 d 和28 d 的抗壓強度隨著取代率的增加呈現不同程度降低。 峰值應變隨取代率的增加先減小后增大，取代率為40%時，混凝土的峰值應變最小。

3） 通過實驗數據，提出了普通混凝土與不同取代率的再生陶瓷混凝土7 d 和28 d 抗壓強度的關系式。 此計算方法分別是基于普通混凝土7 d 和28 d 抗壓強度提出的，針對本研究所用的再生陶瓷和配合比設計方法制備的再生陶瓷混凝土可參考此公式計算。