碎陶瓷廢料對混凝土路面性能影響研究

摘 要：陶瓷在建筑業中的使用廣泛，導致建筑物壽命結束和拆除過程中會產生大量陶瓷廢料，對環境造成負面影響。文章采用廢舊陶瓷被粉碎和顆粒化替代路面混凝土混合料中骨料，測試路面混凝土拌合物抗壓和抗折強度。結果表明：（1）15%的碎陶瓷摻量可提高碾壓混凝土路面的耐磨性，而30%的摻量會降低不同齡期碾壓混凝土的抗壓和抗折強度。（2）使用二階非線性回歸法得出了碎陶瓷抗壓強度和耐磨性之間的關系，用碎石陶瓷替代 18.95% 的骨料重量，抗壓強度和耐磨率分別為 29.36 MPa和2.10%。

關鍵詞：陶瓷廢料；抗彎強度；路面；碾壓混凝土路面；斷裂能；耐磨性

1 前言

全球工業廢料的增加引發了許多環境問題，同時也需要生產新材料，這促使人們采用回收工廠廢料的方式。碾壓混凝土路面是一種接縫素混凝土路面，因其施工簡便，不需要使用鋼材，在全球許多國家得到廣泛應用[1]。與傳統混凝土路面和鋼筋混凝土路面相比，碾壓混凝土路面的表面由于養護類型和低坍落度的原因，損壞的可能性更大[2]。

近年來，研究人員和建筑行業對在混凝土中利用廢棄物替代水泥骨料的做法產生了關注[3]。研究已經使用陶瓷廢料和纖維在生產混凝土時作為混合料，以及使用粉末和碎瓷磚在生產預拌混凝土時作為混合料。本文通過實驗分析碾壓混凝土混合料中使用碎陶瓷對混凝土的力學性能，包括抗壓和抗折強度。此外，評估了使用陶瓷廢料生產的混凝土的孔隙結構。

2 試驗

測試包括立方體樣本在 3、7 和 14 天齡期的抗壓強度，以及混凝土樣本的抗折強度。同時進行了吸水率（干拌和新拌混凝土）和使用超聲波法的彈性模塊測試。替代碎陶瓷的建議含量為 15%和 30%，有三種不同的顆粒級配。混凝土路面中使用的粒度是根據 ASTM 混合設計規范確定的。表 1 列出了根據國家規定和以往規范制定的石料配比。用于制作樣品的水灰比和水泥骨料比分別為35%和 25%。樣品編碼在字母 "C "之后，是廢陶瓷含量的質量百分比。

15 cm的立方體樣品和 10cm×10cm×35 cm的抗彎梁樣品分別用于抗壓強度和抗彎試驗。直徑為 5 cm、長度為 15 cm的圓柱形樣品按照 E-2045 標準的旋轉磨損試驗進行磨損試驗。樣品固化 14 天后進行強度測試。在本研究中，為了調查含有回收碎陶瓷的混凝土的耐磨性，制作并測試了 18 個混凝土樣本。這些樣品用于測量抗壓、抗彎、耐磨和耐摩擦性能，如表 1 所示。

由于骨料約占混凝土體積的 75%-85%，因此在碾壓混凝土中選擇骨料至關重要。碾壓混凝土對骨料的規定與傳統混凝土相同。碾壓混凝土中骨料的最大粒徑對薄層的密實度有很大影響，但對較厚層的影響可以忽略不計。在路面碾壓混凝土中，不建議使用粒徑超過25.4mm的骨料，因為使用粗骨料很難為路面鋪設出相對光滑的表面。

替代碎陶瓷材料由工廠的碎陶瓷制備而成。大塊陶瓷在實驗室里用壓實錘完全壓碎。首先，用篩子對粉碎的陶瓷進行分離和分級，使其規格和尺寸保持一致。表2列出了樣品的化學成分。

由于碾壓混凝土含水量較少，流動性較之傳統路基混凝土較差，因此在制作碾壓混凝土樣品時采用的方法與傳統方法不同。在試樣壓實法中，根據ASTM標準，碾壓混凝土試樣被放置在模具中，并在高架和層重的作用下在振動臺上進行壓實。樣品通過壓實錘分五層進行壓實和制備。使用壓實錘進行壓實更接近真實密度，因此本研究選擇了這種方法。15cm×15cm×15cm的樣品和 10cm×10cm×35cm的抗彎梁樣品用于評估抗壓和抗彎強度。根據 ASTM-C78標準，壓縮試驗在3000kN液壓試驗機中進行。然后，將樣品從模具中取出，在水中放置 3、7 和 14 天。

立方體樣品的尺寸為 150 mm，分三層填充，每層用木棍壓實 25 次。此外，作為一種替代方法，這些混凝土立方體也可以用振動器壓實。不過，由于混凝土試樣是碾壓混凝土類型，含水量比其他樣本少，因此混凝土模每層要壓實25次，以防止混凝土中產生氣穴和蜂窩。

由于在該試驗中，骨料的最大標稱尺寸為 19 mm，因此使用尺寸為15cm的立方體樣品。由于強度取決于加載速率，對于液壓千斤頂，樣品必須以 0.15 -0.35MPa/s之間的可控速率承受加載；另一方面，對于機械千斤頂，位移加載速率必須限制在1mm/min。加載一直持續到試件破壞，并記錄最大承載力。

無裂紋對混凝土結構的維護和耐久性至關重要，可起到維護鋼筋和防止鋼筋銹蝕的作用。由于對混凝土試樣施加軸向拉伸比較困難，因此混凝土抗拉強度是通過彎曲試驗和巴西試驗間接測定的。這些方法預測的強度高于軸向拉伸荷載下的實際強度。在抗彎強度試驗中，研究梁下部軸線產生的最大理論拉伸稱為斷裂模量，用于設計公路和機場路面。該測試由ASTM C78標準推薦。

英國擺數（BPN）是表示摩擦阻力的路面表面抗滑指數。采用ASTM E404標準用于計算這種阻力。本次測試使用了6.35cm×6.35cm×25.4cm的樣本，滑塊的移動路徑長度為12.5cm，樣本表面經過清潔和潤濕。

骨料磨損值測試（Dorry試驗）用于測量骨料表面耐磨損的能力。該機器有一個直徑為60cm的圓盤。磨料以7-900g/min的速度插入三個樣本中，測試根據EN1097-8標準進行。總磨耗值是材料表面重量和測試后重量在材料磨耗極限內的初始重量之差。

3 實驗結果

混凝土樣品抗壓強度的變化可以歸因于混凝土中集料的形狀和強度。由于陶瓷廢料骨料的斷裂率較高，因此吸水率較低、剛度較高。觀察發現，隨著碎陶瓷含量的減少，抗壓強度逐漸增加。當廢料含量達到15%時，由于廢骨料含量增加以及瓷磚吸水導致缺乏足夠的水進行水化反應，樣品的合格率開始降低。圖1展示了強度變化的一個例子。單軸拉伸模式下，漿體內部裂縫的產生和發展所需的能量較低。混凝土斷裂的主要因素是快速增長和裂縫系統之間的關系，包括傳輸區域的裂縫和漿體內部的新裂縫。相比之下，在壓縮模式下，樣品的斷裂脆性略低于彎曲模式，因為漿體內部產生和擴展裂縫所需的能量更多。基本上，對于中低強度的混凝土，普遍認為在單軸壓力試驗中，應力小于斷裂應力的50%時，不會出現新的裂縫。

粗集料周圍會形成穩定的裂縫系統，被稱為剪切連續性裂縫。當受到較大的應力時，漿料中會產生新的裂縫，隨著應力的增加，裂縫也會迅速增加。裂縫存在于漿料中，并最終連接成與荷載方向成20至30度角的斷裂。由于一些碎陶瓷中釉料的存在，這一側碎陶瓷的滲透性很低，因此過渡區變得脆弱，大多數裂縫都是從這一區域開始形成的。因此，使用更高比例的碎陶瓷會導致剪切連續性裂紋的數量增加，從而對試樣的斷裂產生更大的影響。

根據試驗結果，樣品抗壓強度的變化可歸因于混凝土中骨料的形狀和強度。由于陶瓷廢料骨料有一些斷裂，因此吸水性小，剛度高。據觀察，隨著碎陶瓷比例的增加，抗壓強度最多可增加 15%。隨著廢骨料含量的進一步增加，由于瓷磚吸水導致缺乏足夠的水進行水化反應，樣品的合格率降低。

混凝土斷裂的主要因素是裂縫系統的快速增長和裂縫系統之間的關系，其中包括傳輸區域內的裂縫和漿體內部的新裂縫。在壓縮模式下，樣品斷裂的脆性低于彎曲模式，因為在漿體內部產生和擴展裂縫需要更多的能量。樣品在施加荷載時的斷裂情況顯示，對于中低等強度的混凝土，在單軸壓力試驗中，當應力小于斷裂應力的 50%時，不會出現新的裂縫。在這一階段，粗集料附近存在一個穩定的裂縫系統，稱為剪切連續性裂縫。當應力較大時，漿料中會產生新的裂縫，隨著應力的增加，裂縫也會迅速增加。漿料中存在的裂縫和過渡區域（剪切連續裂縫）最終連接在一起，形成與荷載方向成 20 至 30 度角的斷裂。由于一些碎陶瓷中存在釉料，而這一側碎陶瓷的滲透性非常低，因此過渡區過于薄弱，大多數裂縫都是從這一區域開始的。因此，使用的碎陶瓷比例越高，剪切連續性裂紋的數量就越多，對樣品斷裂的影響也就越大。

樣本的抗彎強度是路面設計中使用的參數之一。抗彎強度越高，混凝土路面的疲勞壽命越長，開裂時間也越晚。這一指標用于設計混凝土路面。圖2顯示了不同混合物在三個不同時期的抗折強度。從圖中可以看出，含有碎陶瓷廢料的混合料具有更高的抗折強度。此外，圖中還顯示了樣品在施加荷載時的斷裂情況。

英國擺錘試驗（BPN）是表示摩擦阻力的路面表面抗滑指數。為了測量這一阻力，對樣品采用了與前述試驗相同的測試條件。圖3展示了不同比例陶瓷廢料的磨損結果。

采用Dorry試驗來評估耐磨性。當使用碎陶瓷時，摩擦磨損降低了。在樣品中添加 15%的陶瓷后，表面摩擦率降低了，這是因為添加了表面光滑的骨料（碎陶瓷）。與含有 15% 碎陶瓷的樣品相比，含有 30% 碎陶瓷的樣品具有更好的耐磨性。這可能是由于水泥與碎陶瓷基質的粘結力較強，碎陶瓷的抗磨剛度較高；在瓷磚和陶瓷生產行業中，產品必須具有較高的耐磨性。Dorry 測試結果見圖4。

抗壓強度和耐磨性這兩項指標用于確定碎陶瓷的最佳比例。這些指標是碾壓混凝土樣品的主要規格。由于前面提到的兩個指標有不同的測量單位，因此使用了坐標軸上的標準化值。標準化公式如下：

其中Xn代表歸一化標準值，Xi為抗壓強度或耐磨性指標，其單位為MPa，Xmax和Xmin分別為對應指標中最大值及最小值。

4 結論

在當今世界，管理工業廢物是保護環境的一種方式。本文根據對陶瓷廢料進行的測試，確定了碾壓混凝土的強度和耐磨性，結果如下：

（1）隨著碎陶瓷廢料含量的增加，強度先增加，然而，隨著碎陶瓷的進一步添加（超過 15%），碾壓混凝土樣品的抗壓強度會降低。

（2）考慮到降低成本、保護環境、廢物管理以及增強 碾壓混凝土 樣品的機械性能和耐磨性能，在不同條件下使用碎陶瓷廢料是一項可持續發展的行動。

參考文獻

[1]廖曉飛.不同石粉摻量對碾壓混凝土性能的影響分析[J].黑龍江水利科技，2023，51（03）：45-48.

[2]晏一龍.碾壓混凝土用道路再生骨料的使用[J].建筑機械，2021（10）：13-15.

[3]孫劍.基于寧化道路實例的廢舊水泥混凝土再生應用研究[J].建材與裝飾，2019（08）：272-273.