再生陶瓷增強(qiáng)混凝土材料抗壓強(qiáng)度和彈性模量的實(shí)驗(yàn)分析

宿曉如，謝 悅，王和興，羅冬梅

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 土木系， 廣東 佛山 528000)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土的各項(xiàng)性能進(jìn)行了較多的研究，取得了豐碩的研究成果。但國(guó)內(nèi)絕大部分研究限于廢棄的混凝土，對(duì)其它廢棄材料如：陶瓷、木材、玻璃、瓦片、油棕殼、橡膠纖維等研究甚少。粗骨料是水泥混凝土的主要組成成分之一，不同的粗骨料按不同級(jí)配組合，構(gòu)成混凝土的基本骨架，其質(zhì)量約占總質(zhì)量的60%～70%。廢陶瓷來(lái)源廣泛，用來(lái)替代天然粗骨料，既可解決天然粗骨料不足的問(wèn)題，又有利于對(duì)廢陶瓷進(jìn)行環(huán)保處理。程云虹等[1]發(fā)現(xiàn)廢棄陶瓷骨料部分或全部取代天然骨料后，其強(qiáng)度仍能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求。而郭賓[2]、邵蓮芬等[3]則認(rèn)為陶瓷粗骨料的取代率增加時(shí)，雖然陶瓷混凝土的流動(dòng)性和抗折強(qiáng)度逐漸降低，但抗壓強(qiáng)度有所增加。李澤峰[4]對(duì)陶瓷混凝土的力學(xué)性能做了較為詳細(xì)的研究，最終認(rèn)為陶瓷混凝土的強(qiáng)度特性與常規(guī)混凝土相近，是極具潛力的綠色混凝土。許開(kāi)成等[5]將陶瓷骨料用硅烷偶聯(lián)劑溶液處理后再制備陶瓷再生混凝土，測(cè)試了立方體抗壓強(qiáng)度和彈性模量，結(jié)果表明：彈性模量提高，抗壓強(qiáng)度也能滿足要求。吳本英等[6]認(rèn)為普通混凝土的配合比計(jì)算方法不適用于陶瓷粗骨料混凝土，推導(dǎo)出了陶瓷粗骨料混凝土配合比的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，試驗(yàn)測(cè)得的陶瓷粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量均略低于普通混凝土。曾志興等[7]詳細(xì)分析了再生陶瓷混凝土的力學(xué)性能，認(rèn)為基于統(tǒng)計(jì)回歸分析的配合比設(shè)計(jì)列線圖法預(yù)測(cè)材料的力學(xué)特性較為可靠，迄今為止，關(guān)于陶瓷混凝土材料研究得到的力學(xué)性能差異性較大，配合比設(shè)計(jì)方法也不統(tǒng)一。

本文將廢棄陶瓷破碎成不同粒徑的陶瓷顆粒和陶瓷粉，部分或全部替代天然粗骨料和細(xì)沙石，研究3 d、7 d、14 d、28 d情況下，骨料替代率與骨料尺寸變化對(duì)陶瓷混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，利用Eviews多元非線性回歸得到抗壓強(qiáng)度與彈性模量的變化規(guī)律與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，為廢棄陶瓷混凝土的有效利用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：海螺牌P·O42.5R水泥；砂：中砂，級(jí)配良好，密度2 600 kg/m3；石子：天然碎石，密度2 800 kg/m3，級(jí)配良好；水：普通自來(lái)水；陶瓷粗骨料：粒徑大小為5～30 mm，級(jí)配良好，密度為2 250 kg/m3，陶瓷細(xì)骨料：粒徑大小為0.5～1 mm，級(jí)配良好，密度為1 850 kg/m3。本試驗(yàn)中用陶瓷顆粒等體積替代天然石子，用陶瓷粉等質(zhì)量替代細(xì)砂。

本試驗(yàn)中用陶瓷顆粒等體積替代天然石子，用陶瓷粉等質(zhì)量替代細(xì)砂，若陶瓷顆粒等質(zhì)量替代天然碎石，由于陶瓷的密度小于碎石，所需陶瓷骨料的體積增大，導(dǎo)致拌和后的混凝土過(guò)多，與普通混凝土相比，粗骨料周圍的水泥砂漿會(huì)減小，所以采取的替代方式為陶瓷顆粒等體積替代碎石粗骨料，兩種骨料均為人工破碎。

圖1 陶瓷顆粒與陶瓷粉粒

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)是在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，采取不同替代率的陶瓷顆粒和陶瓷粉替代粗骨料和細(xì)骨料來(lái)研究陶瓷混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，水灰比為0.5，為避免在拌合過(guò)程中陶瓷吸水造成水灰比的變化，在試驗(yàn)前用水充分浸泡陶瓷顆粒24 h，在試驗(yàn)攪拌前10 min取出，待表面水分蒸發(fā)后再進(jìn)行拌合。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程分析

通過(guò)觀察可知，從裂縫出現(xiàn)到試件破壞，陶瓷混凝土的裂縫發(fā)展規(guī)律和最終破壞形式與普通混凝土類似。開(kāi)始加載時(shí)，試件表面無(wú)肉眼可見(jiàn)的裂縫，隨著荷載的增加，試件側(cè)面角部的混凝土開(kāi)始剝落，出現(xiàn)可見(jiàn)的裂紋，荷載繼續(xù)增加，裂紋進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)接近極限荷載時(shí)，裂紋迅速發(fā)展并貫穿試件，最終試件完全破壞。觀察破壞面后發(fā)現(xiàn)，陶瓷混凝土試件的破壞大多發(fā)生在陶瓷粗骨料與水泥、細(xì)骨料間的粘結(jié)界面，大部分陶瓷粗骨料保持完好。圖2(c)為彈性模量測(cè)定過(guò)程，試驗(yàn)前調(diào)整測(cè)定儀位置，使其中心與試件軸心、上下承壓板的中心對(duì)準(zhǔn)，測(cè)定過(guò)程中及時(shí)讀取千分表上的數(shù)據(jù)并記錄。測(cè)定結(jié)束后，試件表面出現(xiàn)裂縫，但并沒(méi)有完全破壞，如圖2(d)所示。

表1 陶瓷混凝土配合比

注：A表示用陶瓷顆粒替代粗骨料(石子)，B表示用陶瓷粉替代細(xì)骨料(砂)

圖2 試驗(yàn)過(guò)程分析

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

針對(duì)混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多不同的曲線方程，本文試驗(yàn)得到不同齡期的混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，采用混凝土規(guī)范附錄[10]中的混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程：

y=a0+a1x+a2x2+a3x3(x≤1)

(1)

顯然a1與齡期、替代率、抗壓強(qiáng)度有關(guān)，而《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄[10]規(guī)定C60以下不同強(qiáng)度混凝土單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的參數(shù)值的計(jì)算公式：

αa=2.4-0.012 5fcu

(2)

方程滿足下列條件：

代入方程(1)可得到

y=a1x+(3-2a1)x2+(a1-2)x3(x≤1)(a1>0)

(3)

式中，fcu為普通混凝土的抗壓強(qiáng)度。

利用Eviews通過(guò)多元非線性回歸得到a1與應(yīng)力-應(yīng)變曲線參數(shù)、齡期、替代率的表達(dá)式a1為：

(4)

式中，p為替代率，d為齡期，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入方程(4)得到結(jié)果如表2所示。

表2 式(4)中的參數(shù)a1

a1/%3 d7d14 d28 d01.525 4081.609 4781.873 7032.156 431301.095 9451.245 1501.525 4082.010 657500.830 004 40.926 756 61.387 7381.916 325701.290 2751.450 0411.660 5532.317 4541001.711 5291.829 2011.966 0932.692 377

根據(jù)試驗(yàn)得到的混凝土強(qiáng)度，進(jìn)行多元非線性回歸，得出陶瓷混凝土的抗壓強(qiáng)度與普通混凝土抗壓強(qiáng)度、體積分?jǐn)?shù)和齡期回歸方程為

F=-0.063 163fcu+fcu×e0.002 112p+

0.006 299d2-0.348 930p+0.003 30p2

(5)

式中，F(xiàn)為陶瓷混凝土的抗壓強(qiáng)度； 陶瓷混凝土峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(6)

該回歸方程的決定系數(shù)為R2=0.934 121，該值通過(guò)了t-檢驗(yàn)和F-檢驗(yàn)。基于上述方程得到本文的陶瓷混凝土本構(gòu)方程為：

σ=F[a1ε+(3-2a1)ε2+(a1-2)ε3]

(7)

式中ε=x×εF

圖3 不同陶瓷粗骨料替代率下混凝土材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖4 試驗(yàn)值與回歸值的關(guān)系(40%替代率)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 質(zhì)量

圖5和圖6分別表示了陶瓷粗骨料混凝土和陶瓷細(xì)骨料混凝土的質(zhì)量與骨料替代率的關(guān)系。試件的質(zhì)量均隨著骨料替代率的增加而減小，說(shuō)明陶瓷骨料在減小建構(gòu)筑物的質(zhì)量方面是有利的。

圖5 陶瓷混凝土質(zhì)量與替代率的關(guān)系(粗骨料)

圖6 陶瓷混凝土質(zhì)量與替代率的關(guān)系(細(xì)骨料)

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

圖7為不同齡期的試件的抗壓強(qiáng)度隨骨料替代率的變化，圖8為不同替代率的試件的抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化。

圖7 抗壓強(qiáng)度隨齡期和替代率的變化關(guān)系(粗骨料)

圖8 抗壓強(qiáng)度隨齡期和替代率的變化關(guān)系(粗骨料)

由圖7可知，隨著替代率的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先減小后增大，在100%替代時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大，齡期越短，強(qiáng)度變化差值越大，這是因?yàn)樵囼?yàn)前陶瓷骨料充分吸收水分達(dá)到飽和狀態(tài)，將水分儲(chǔ)存在骨料內(nèi)部，起到蓄水作用，為后續(xù)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中水泥水化和凝結(jié)硬化提供足夠的水分，這有利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，當(dāng)周圍環(huán)境或混凝土表面水分蒸發(fā)后，骨料內(nèi)部可以釋放出一部分水讓混凝土可以在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持濕度，使混凝土的強(qiáng)度得到發(fā)展，這叫做混凝土的“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”，比外養(yǎng)護(hù)更經(jīng)濟(jì)[9]。圖8顯示粗骨料替代率為50%時(shí)，不論齡期長(zhǎng)短，試件的抗壓強(qiáng)度始終最低，替代率為100%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。

由圖9可知，不同齡期的試件，隨著陶瓷細(xì)骨料替代率的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸減小，齡期越小，減小得越顯著。由于陶瓷細(xì)骨料與水泥的粘聚力小于砂與水泥的粘聚力，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度急劇減小，此外，由于陶瓷細(xì)骨料的密度遠(yuǎn)小于砂的密度，引起陶瓷混凝土密實(shí)度的下降，因此陶瓷細(xì)骨料替代天然砂并無(wú)意義。

2.3 彈性模量分析

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定混凝土彈性模量計(jì)算公式如下[10]：

Ec=105/(2.2+34.7/fcu,k)

(8)

fck=0.88×αc1×αc2×fcu,k

(9)

其中：fcu,k為立方體抗壓強(qiáng)度，fck為軸心抗壓強(qiáng)度。

αc1為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比：對(duì)C50及以下普通混凝土取αc1=0.76；對(duì)高強(qiáng)混凝土C80取αc1=0.82，中間按線性規(guī)律變化插值。

C40以上的混凝土考慮脆性折減系數(shù)αc2： 對(duì)C40取1.0；對(duì)高強(qiáng)混凝土C80取0.87，中間按線性規(guī)律變化插值。

本文混凝土強(qiáng)度為C30，故

Ec=105/(2.2+23.207/fck)

(10)

各試件不同替代率下測(cè)得的彈性模量試驗(yàn)值與利用式(10)的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖9 陶瓷混凝土抗壓強(qiáng)度與替代率的關(guān)系(細(xì)骨料)

圖10 替代粗骨料彈性模量公式計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果

由圖10可知，彈性模量與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律一致。齡期較短時(shí)，公式計(jì)算結(jié)果大于試驗(yàn)結(jié)果，隨著齡期的增加，彈性模量逐漸穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果從14d開(kāi)始大于公式計(jì)算。隨著替代率的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先減小后增大，替代率大約50%時(shí)，彈性模量最低，隨后繼續(xù)隨替代率的增大而增大，在100%替代時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大。由此可見(jiàn)，用粒徑較大的陶瓷粗骨料替代天然骨料時(shí)，替代率越高越有利于提高材料的力學(xué)性能。

圖11為細(xì)骨料混凝土的彈性模量變化曲線。與粗骨料的情況不同， 隨著替代率的增大，彈性模量逐漸減小，齡期較短時(shí)，彈性模量較小，隨著齡期增加，彈性模量也逐漸增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與公式計(jì)算所得結(jié)果較為吻合。

圖11 替代細(xì)骨料彈性模量公式計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較

3 結(jié)論

本文將廢棄陶瓷人工破碎成粒徑不同的粗骨料和細(xì)骨料，將粗骨料部分或全部替代天然粗骨料，將細(xì)骨料部分替代細(xì)砂石，以一定的配合比制作再生陶瓷增強(qiáng)混凝土試件，利用軸心抗壓試驗(yàn)測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，利用Eviews多元非線性回歸進(jìn)行數(shù)值擬合，得到再生陶瓷混凝土的抗壓強(qiáng)度與陶瓷骨料替代率、齡期等參數(shù)的解析關(guān)系。結(jié)果表明粒徑較大的陶瓷粗骨料不會(huì)降低抗壓強(qiáng)度和彈性模量，但替代率較小時(shí)抗壓強(qiáng)度和彈性模量會(huì)降低，替代率在50%的情況達(dá)到最低，隨后則隨替代率的增大逐步增大，直至全部替換。陶瓷細(xì)骨料的粒徑太小時(shí)，陶瓷粉末與水泥的粘聚力小于砂與水泥的粘聚力，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度和彈性模量都減小，不利于改善混凝土的強(qiáng)度和剛度。

[1] 程云虹，黃菲，劉佳.廢棄陶瓷骨料混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].公路，2012(11)：75-78.

[2] 郭 賓.陶瓷再生粗骨料混凝土力學(xué)性能與耐久性研究[J].江西建材，2016(4)：14-16.

[3] 邵蓮芬，張文忠.陶瓷再生粗骨料混凝土力學(xué)性能與耐久性研究[J].新型建筑材料，2014(9)：33-35.

[4] 李澤峰.陶瓷廢料粗骨料混凝土的研究[J].山西建筑，2014，40(23)：152-153.

[5] 許開(kāi)成，方葦，陳夢(mèng)成，等.陶瓷再生粗骨料混凝土力學(xué)性能研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2014，29(4)：474-480.

[6] 吳本英，周錫武，曾鴻鈺，李思林.陶瓷粗骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)[J].公路，2015(1)：149-155.

[7] 曾志興，萬(wàn)超.再生陶瓷混凝土的力學(xué)性能與配合比設(shè)計(jì)[J].四川建筑科學(xué)研究，2009，35(3)：193-196.

[8] SENTHAMARAI R M,MANOHARAN P D,GOBINATH D.Concrete made from ceramic industry waste:Durability properties [J].Construction and Building Materials,2011,25:2413-2419.

[9] 曾志興，萬(wàn)超.再生陶瓷粗骨料混凝土的力學(xué)性能研究[C].高強(qiáng)與高性能混凝土及其應(yīng)用——第七屆全國(guó)高強(qiáng)與高性能混凝土學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2010.

[10] GB 50010—2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[11] GB/T 50081—2002.普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[12] JGJ 55—2011.普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[13] SENTHAMARAI R M.,DEVADAS P.Manoharan.Concrete with ceramic waste aggregate [J].Cement & Concrete Composites,2005,27:910-913.

[14] DE BRITO.Mechanical behavior of non-structural concrete made with recycled ceramic aggregates [J].J Cement and Concrete Composites，2005(27):429-433．

[15] LI J,CHEN X M.Modified Ba3Sm3Ti5Ta5O30dielectric ceramics [J].Journal of European Ceramic Society,2001,21:155-159.

[16] HELENE P,MONTEIRO P J M,Designing concrete mixtures for strength elastic modulus and fracture energy [J].Mater Struct,1993,26(162):443-452.

[17] 萬(wàn)超.再生陶瓷粗骨料混凝土基本力學(xué)性能與碳化試驗(yàn)研究[D].泉州:華僑大學(xué)， 2009.

[18] ZHOU H F，LIU X B，CHEN X L，et al． ZnLi2/3Ti4/3O4：A new low loss spinel microwave dielectric ceramic [J].Journal of the European Ceramic Society,2012,32:261-265．