廢棄陶瓷作為再生混凝土細(xì)骨料性能研究

趙軍華，原征宇，袁興龍，鎖春暉

（1.鄭州工商學(xué)院，鄭州451400;2.河南神力混凝土有限公司，鄭州450018）

1 前言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也逐漸推進(jìn)，對混凝土的需求量也日益增多。砂作為細(xì)骨料，是混凝土的主要組成之一。其作為不可再生資源，過度的開采，不僅會造成資源枯竭，還會造成環(huán)境污染。因此，尋找一種能夠取代砂作為混凝土細(xì)骨料的材料成為一個亟待解決的問題。

中國是陶瓷的故鄉(xiāng)，年產(chǎn)陶瓷居世界首位，因為陶瓷本身的脆性，在其生產(chǎn)、儲存、運輸和使用過程中，容易產(chǎn)生碰撞、破碎導(dǎo)致陶瓷廢料增多。據(jù)報道全國年產(chǎn)陶瓷廢料約為1000 萬噸[1]。目前對于陶瓷廢料的處理主要為掩埋，但是陶瓷是不能降解的，因此將陶瓷廢料簡單的掩埋處理會造成土地的浪費，導(dǎo)致二次污染，嚴(yán)重影響陶瓷行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。因此，如何將日益增多的陶瓷廢料合理回收利用引起了人們的高度重視。

陶瓷主要是由黏土或含有黏土的混合物經(jīng)混合提煉、成型、煅燒而成的各種制品。其中瓷磚主要是由石英、長石瓷土等按不同比例煅燒而成，并且結(jié)構(gòu)致密，成分與天然砂石相近[3]，并且產(chǎn)量巨大，如果將廢棄的瓷磚經(jīng)清洗、破碎、篩分制成人工砂應(yīng)用到混凝土中代替天然砂，不僅可以解決天然砂消耗過度的問題，還能夠充分利用工業(yè)產(chǎn)生的廢棄瓷磚，為廢棄瓷磚的處理提供行之有效的解決方法。

目前已有學(xué)者對廢棄陶瓷作為混凝土骨料進(jìn)行了研究。王東旭等人[4]將廢棄陶瓷制成再生粗骨料，等質(zhì)量替代天然碎石，研究其對混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著陶瓷粗骨料的增加，混凝土抗壓強度先降低后增加。邵蓮芬及其團(tuán)隊[5]將廢棄陶瓷制備成粗骨料，等量取代天然石子，配制成陶瓷粗骨料混凝土，研究了陶瓷取代量對混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明隨著陶瓷取代量的增加，混凝土的流動性逐漸降低，抗壓強度有所提高。程及其合作者[6]將廢棄陶瓷制成混凝土骨料，部分或全部取代天然砂、石配制成廢棄陶瓷骨料混凝土。進(jìn)行混凝土抗壓強度及抗折強度試驗。結(jié)果表明，廢棄陶瓷骨料部分或全部取代天然骨料，對混凝土3天及28 天抗壓強度和抗折強度均無顯著影響，混凝土強度均達(dá)到設(shè)計強度等級C30 的要求陸盛武等人[7]將建筑廢棄陶瓷制成細(xì)集料以不同的取代率等質(zhì)量取代天然河砂生產(chǎn)混凝土，對其強度進(jìn)行測試，得出陶瓷細(xì)骨料混凝土的抗壓強度與普通混凝土沒有明顯區(qū)別。

基于以上陶瓷作為混凝土骨料的研究，可知廢棄陶瓷作為混凝土骨料的研究多集中于粗骨料，將其作為混凝土細(xì)骨料的研究相對較少，且不同學(xué)者的研究結(jié)論有所差異。這可能是因為地區(qū)的不同、生產(chǎn)工藝的差別以及環(huán)境因素會對陶瓷的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，造成實驗結(jié)果的差異。本公司屬于生產(chǎn)型企業(yè)，對于砂的需求量巨大，遠(yuǎn)距運輸廢棄陶瓷不僅會增加成本，而且不利于對本地區(qū)廢棄陶瓷的消耗。因此本課題選取公司附近陶瓷城產(chǎn)生的廢棄瓷磚作為研究對象，將其作為混凝土細(xì)骨料，這對于本地區(qū)的廢棄瓷磚的處理工作及當(dāng)?shù)鼗炷辽a(chǎn)企業(yè)的節(jié)能環(huán)保都有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

水泥為河南孟電集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)的42.5 級普通硅酸鹽水泥；減水劑為河南科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的脂肪族減水劑；粗骨料選用連續(xù)級配為5-20mm的天然碎石；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為3.0 的信陽河砂；實驗用水為普通自來水。

2.2 陶瓷細(xì)骨料的制備及其基本性能

將公司附近陶瓷城產(chǎn)生的各類廢棄瓷磚混合，經(jīng)清洗、破碎、除雜、篩分，制成陶瓷細(xì)骨料，如圖1 所示；篩分析得出陶瓷細(xì)骨料的粒度分布如表1 所示。

表1 廢棄陶瓷細(xì)骨料的粒度分布

圖1（a） 廢棄陶瓷，（b） 陶瓷細(xì)骨料

根據(jù)以上篩分析結(jié)果，計算得出陶瓷細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為3.1。參照J(rèn)GJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]，測得天然砂及陶瓷細(xì)骨料的各項性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 天然砂和陶瓷細(xì)骨料的理化性能指標(biāo)

由表2 可知，制備的陶瓷細(xì)骨料的壓碎值指標(biāo)、表觀密度、堆積密度與細(xì)度模數(shù)與天然砂接近，理論上能夠代替天然砂作為混凝土細(xì)骨料。又因為廢棄瓷磚的黏土面能夠吸收大量水分，且具有多孔性，因此吸水率明顯大于天然砂[9]。

3 試驗過程

3.1 試驗方法

根據(jù)實際需求，本實驗選取常用混凝土強度等級C30、C35、C40、C50 作為研究對象。基準(zhǔn)混凝土的配合比設(shè)計參照J(rèn)GJ 55—2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[10]及公司生產(chǎn)配比進(jìn)行，初始配合比如表3 所示。將制備的陶瓷細(xì)骨料以質(zhì)量百分率取代天然細(xì)骨料，前期準(zhǔn)備工作發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陶瓷細(xì)骨料取代率大于60%時，混凝土和易性變差。因此，在本課題中每個強度等級混凝土陶瓷細(xì)骨料的取代率選取為15wt%、30wt%、45wt%和60wt%。分別對C30、C35、C40、C50 強度等級混凝土不同陶瓷細(xì)骨料取代率下的和易性及抗壓強度進(jìn)行研究。和易性和抗壓強度的檢測依據(jù)分別依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]及GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]進(jìn)行。

表3 C30、C35、C40、C50 等級混凝土初始配合比

3.2 實驗結(jié)果及分析

3.2.1 和易性檢測

因陶瓷細(xì)骨料的吸水率較高，隨著陶瓷細(xì)骨料取代量的增加，所需用水量逐漸增多。因此，在保證坍落度為220±10mm、擴(kuò)展度為650±15mm 的條件下，隨著陶瓷細(xì)骨料摻量的增加，減水劑用量逐漸增多。將陶瓷細(xì)骨料分別以15wt%、30wt%、45wt%和60wt%的取代率取代天然細(xì)骨料，C30、C35、C40、C50 強度等級、不同取代率的混凝土所需減水劑如表4 所示。新拌混凝土的初始狀態(tài)如圖2 所示。

表4 不同強度等級，不同取代率的混凝土所需減水劑摻量（%）

圖2 C30、C35、C40、C50 強度等級混凝土不同陶瓷細(xì)骨料取代條件下得到的混凝土初始狀態(tài)（注：C30-15 表示強度等級為C30 的混凝土中，陶瓷細(xì)骨料的取代率為15wt%）

從表中可以看出，隨著陶瓷細(xì)骨料摻量的增加，混凝土所需減水劑的摻量逐漸增多。當(dāng)摻量達(dá)到60wt%時，C30、C35、C40、C50 等級混凝土所需減水劑的摻量分別為2.30%、2.98%、2.25%、2.40%，考慮到減水劑摻量過高不僅會影響混凝土的凝結(jié)時間，造成混凝土開裂，還會極大地提高混凝土的生產(chǎn)成本。因此陶瓷細(xì)骨料的摻量不宜過高。從圖2 可以看出，新拌混凝土初始狀態(tài)良好。

3.2.2 抗壓強度檢測

隨著陶瓷細(xì)骨料取代率的增加，得到的C30、C35、C40、C50 強度等級的混凝土3 天、7 天、28 天強度分別如圖3(a、b、c)所示。

圖3 C30、C35、C40、C50 強度等級混凝土強度隨陶瓷細(xì)骨料摻量變化的曲線

從圖3(a,b)可以看出，隨著陶瓷細(xì)骨料摻量的增加，C30 和C35 等級混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)出不規(guī)則的波浪形趨勢，而C40 和C50 等級的混凝土的抗壓強度整體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，說明陶瓷細(xì)骨料的摻量對于混凝土的早期強度影響不穩(wěn)定，但是整體相比較同等級的天然細(xì)骨料混凝土早期強度表現(xiàn)出增加的趨勢。值得注意的是，當(dāng)陶瓷細(xì)骨料摻量為15wt%時，混凝土的3 天、7 天強度相比同等級天然細(xì)骨料混凝土均有明顯提高。這可能是因為混凝土的受力破壞多以界面破壞為主，骨料與水泥界面是混凝土中最為薄弱的環(huán)節(jié)，陶瓷細(xì)骨料表面較為粗糙、多棱角，與水泥在水化過程中生成的水泥石表面的粘結(jié)度較高，所以摻加少量的陶瓷細(xì)骨料可以顯著的提高混凝土的抗壓強度[5,13]。摻加15wt%陶瓷細(xì)骨料的C30、C35、C40、C50 等級混凝土相比與同等級天然細(xì)骨料混凝土的3 天、7 天、28 天強度提高率見表5。

表5 陶瓷細(xì)骨料摻量為15wt%時，C30、C35、C40、C50 等級混凝土3、7、28 天抗壓強度相比較同等級混凝土增長率（%）

從圖3(c)可以看出，隨著陶瓷細(xì)骨料摻量的增多，C30、C35、C40、C50 等級混凝土的抗壓強度均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。相比較早期強度變化較為穩(wěn)定，這可能是因為在養(yǎng)護(hù)的中后期，陶瓷細(xì)骨料多孔結(jié)構(gòu)吸收的水分對混凝土進(jìn)行二次養(yǎng)護(hù)，即內(nèi)養(yǎng)護(hù)[14,15]。且在摻量達(dá)到60wt%時，混凝土的抗壓強度仍然高于同等級天然細(xì)骨料混凝土，均能夠達(dá)到設(shè)計強度要求。

4 結(jié)論

本課題將廢棄陶瓷加工處理成細(xì)度模數(shù)為3.1 的陶瓷細(xì)骨料，等質(zhì)量取代天然砂，研究其對混凝土的和易性及抗壓強度的影響，得出如下結(jié)論：

（1）制備的陶瓷細(xì)骨料的理化性能與天然砂接近，但吸水率較高，因此在后期實驗過程中若想保證良好的和易性，需適量增加減水劑摻量。

（2）隨著陶瓷細(xì)骨料摻量的增加，混凝土早期強度變化不穩(wěn)定，隨著齡期增加，混凝土抗壓強度隨陶瓷細(xì)骨料摻量的增加，整體呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。是因為在后期強度發(fā)展過程中水泥水化較為完全，陶瓷細(xì)骨料與水泥石之間的粘結(jié)力較大及混凝土的二次養(yǎng)護(hù)作用。

（3）考慮到混凝土后期穩(wěn)定性及生產(chǎn)成本，認(rèn)為陶瓷細(xì)骨料摻量15wt%為最佳摻量。在最佳摻量15wt%時，C30、C35、C40、C50 等級的陶瓷細(xì)骨料混凝土的抗壓強度相比同等級天然細(xì)骨料混凝土分別提高10.8%、15.1%、9.9%、11.8%。

（4）我國作為陶瓷的故鄉(xiāng)及混凝土工業(yè)大國，用陶瓷細(xì)骨料代替天然砂制備混凝土是可行的，這對于本地區(qū)的廢棄瓷磚的處理工作及當(dāng)?shù)鼗炷辽a(chǎn)企業(yè)的節(jié)能環(huán)保都有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。