陶瓷廢料在水泥混凝土路面中的應用可行性分析

譚 波， 楊 濤， 韓 濤

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院， 桂林 541004； 2.廣西建筑新能源與節能重點實驗室， 桂林 541004；3.廣西交投科技有限公司， 南寧 530009)

陶瓷產品在中國被廣泛應用于日常生活、航空航天、軍工和醫療等領域[1]。陶瓷屬于易碎品，因此中國也成為一個陶瓷廢料生產大國。隨著社會經濟發展，陶瓷等固體廢棄物產生量日漸增多，2015年已經達到了19 141萬t[2],其中陶瓷廢料高達1 800萬t[3]。當前中國大力提倡保護環境，大量天然石料開采廠被關停。此前，已有學者對固體廢棄物替代天然石料應用于道路基層進行了研究，結果證明可行[4]。將陶瓷廢棄物替代天然石料應用于工程中，不僅能緩解環境污染問題還能減少天然石料的開采，因此有必要研究陶瓷廢料應用在工程中的各項性能。

近些年，中外很多學者已對陶瓷應用于混凝土進行了研究。程云虹等[5-6]對陶瓷再生混凝土的可行性進行研究，廢棄陶瓷骨料部分或全部替代天然骨料，混凝土強度均達到設計強度等級C30的要求。吳本英等[7]用廢棄陶瓷代替混凝土粗骨料，得出結論，陶瓷和瓷質混凝土均達到了C30普通混凝土的強度設計要求。許開成等[8]用硅烷偶聯劑KH-550浸泡處理陶瓷粗骨料后再將其應用于混凝土，發現經處理后的陶瓷粗骨料混凝土較原碎石混凝土抗壓強度提高了38.4%左右。沈陽等[9]對廢陶瓷水泥混凝土進行研究，發現將廢陶瓷粉摻量控制在10%左右能提高混凝土抗壓強度和彈性模量。邵蓮芬等[10]對陶瓷再生粗骨料混凝土進行研究，得出結論，隨著陶瓷摻量的增加，混凝土抗壓強度先升高后降低，摻量在75%時，抗壓強度達到最大。陶瓷廢料應用在水泥混凝土已經被很多學者驗證其是可行的，但是陶瓷廢料應用在道路路面水泥混凝土的研究還比較缺乏，因此為需進一步深入研究陶瓷廢料應用于路面水泥混凝土的可行性。

以梧州市陶瓷產業園的陶瓷為研究對象，將陶瓷廢料經過加工以后，用于替代混凝土中的粗骨料，根據混凝土配合比的設計制備試件，進行力學性能測試、工作性能測試、干縮性能測試、耐磨性能測試、抗滲性能測試及界面性能測試。最后分析陶瓷廢料替代天然石料應用于水泥混凝土道路路面時的可行性。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

(1)細骨料：取自漓江河砂，細度模數為2.82，屬于2區中砂。

(2)粗骨料：取自桂林碎石廠的天然碎石，表觀密度為2 771 kg/m3，級配為5～20 mm的連續級配，其主要性能指標見表1。

(3)水泥：選用桂林海螺水泥有限公司生產的海螺42.5級普通硅酸鹽水泥。

(4)陶瓷廢料：取自梧州市藤縣陶瓷廠的廢棄瓷磚，利用破碎機將其破碎成5～20 mm的陶瓷粗骨料，表觀密度為2 271 kg/m3，無堿集料反應，各項性能指標均滿足《公路水泥混凝土路面施工技術規范》(JTG F30—2003)的要求，主要性能指標如表1所示，級配曲線如圖1所示。

(5)水：日常引用水。

圖1 陶瓷再生粗骨料級配曲線Fig.1 Gradation curve of ceramic recycled coarse aggregate

1.2 混凝土配合比設計

陶瓷水泥混凝土配合比設計是以普通混凝土配合比設計方法為基礎，再按骨料的不同特性，進行適當的調整和優化。試驗采用的水灰比分3組，分別為0.38、0.40、0.42。因為陶瓷粗骨料與天然碎石的吸水率相差不大，所以試驗在設計配合比時忽略了骨料吸水帶來的影響。但陶瓷粗骨料的表觀密度較小，因此在替代碎石原料時，試驗以材料的表觀密度來進行線性代換[11-13]。以抗滲性試驗為例，試驗采用的廢棄陶瓷粗骨料摻量分別為0、20%、30%、50%、70%、100%。

2 陶瓷水泥混凝土力學強度試驗

2.1 抗壓強度測試

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002) 抗壓強度試驗制備立方體試塊測試陶瓷水泥混凝土的抗壓強度測試，試驗結果如表2所示。

從表2可知，水灰比為0.38時，陶瓷水泥混凝土試件抗壓強度最高；陶瓷水泥混凝土隨著陶瓷摻量的增加，抗壓強度逐漸升高；且陶瓷摻量在50%～70%時抗壓強度高于普通水泥混凝土；陶瓷水泥混凝土7 d抗壓強度達到28 d抗壓強度的80%。

表2 混凝土配合比設計Table 2 Concrete mix design

2.2 抗折強度測試

參照《普通混凝土力學性能試驗方法(GB/T 50081—2002)》抗折強度試驗制備試塊，尺寸為150 mm×150 mm×550 mm標準尺寸。試驗過程中采用應力控制的加載方法，加載速度為0.06 MPa/s。試驗結果如表3所示。

由表3可知，陶瓷水泥混凝土水灰比為0.38時抗折強度最高；陶瓷水泥混凝土隨著陶瓷摻量的增加，其抗折強度先增高后降低，陶瓷摻量在70%左右時抗折強度達到最高；當陶瓷摻量在50%～70%時其抗折強度比普通水泥混凝土高；陶瓷水泥混凝土7 d抗折強度基本上已經達到28 d的90%，這說明后期陶瓷水泥混凝土抗折強度增長不是很高。

表3 抗折強度試驗結果

3 陶瓷再生混凝土性能測試

3.1 坍落度測試

參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GBT 50080—2016)中的坍落度與坍落擴展度法測試陶瓷水泥混凝土的坍落度。測試結果見表4。

由表4數據可知，陶瓷水泥混凝土的坍落度隨著陶瓷摻量的增加而降低。原因是陶瓷粗骨料的表觀密度小于天然碎石的表觀密度，在砂率保持不變的條件下，混凝土中陶瓷的體積增加，且陶瓷粗骨料是經破碎機破碎而來，表面較為粗糙，棱角較多，由此導致陶瓷再生混凝土的和易性降低[14-18]。結合《公路水泥混凝土路面施工技術規范》(JTG F30—2003)來看，只有當陶瓷完全取代天然碎石時，陶瓷再生混凝土的坍落度才不符合規范要求，當陶瓷摻量在0～70%時，陶瓷水泥混凝土的坍落度均符合規范要求。

表4 陶瓷摻量對坍落度的影響

因此在陶瓷混凝土實際使用中，將陶瓷水泥混凝土中的陶瓷摻量控制在70%及以下，陶瓷水泥混凝土坍落度就能滿足規范要求。根據試驗結果，陶瓷再生混凝土中的陶瓷最佳摻量為50%～70%。

3.2 干縮性能測試

參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30—2005)水泥混凝土干縮性試驗方法制備陶瓷水泥混凝土試塊，試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。從移入干縮箱日起，在1、3、7、14、28、60、90、120、150、180 d讀取參數，最后按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30—2005)相關試驗方法測定水泥混凝土的干縮率。干縮率計算公式為

(1)

式(1)中：Sd為養護齡期為d天混凝土的干縮率，%；X01為混凝土試件的初始長度，mm；Xt1為養護齡期為d天發生干縮后長度的測值，mm；L0為試件的標距，mm。

使用式(1)計算陶瓷水泥混凝土1、3、7、14、28、60、90、120、150、180 d的干縮率，計算結果如表5及圖2所示。

從表5可知，陶瓷水泥混凝土在前14 d干縮率很大，與普通水泥混凝土相同，陶瓷水泥混凝土前14 d干縮約占180 d干縮的68%，與普通水泥混凝土一致。但隨著陶瓷摻量的增加，陶瓷水泥混凝土相較于普通水泥混凝土的干縮在減小。原因是水泥水化和環境干燥都將引發水泥石毛細孔自由水含量減少，內部相對濕度下降，進而在毛細孔內形成彎月面而引發毛細負壓力，從而導致混凝土收縮。因此，當陶瓷摻入到混凝土時，骨料通過其內部較粗大的毛細孔在拌合前預吸水，并在混凝土硬化過程中優先失水干燥而向水泥石毛細孔中補水，以此延長水泥石毛細孔濕度飽和期的長度。根據毛細原理可知，溶液總是從孔徑大的毛細孔向孔徑小的毛細孔轉移，陶瓷相對于天然粗骨料來說是一種孔隙更大，表觀密度更小的輕質材料。所以，陶瓷水泥混凝土粗骨料中的溶液通過毛細壓力被轉移至水泥石中，并通過擴散作用，擴散至四周，從而使得混凝土內部再一次發生水化，達到養護效果。

表5 混凝土干縮率隨時間變化

圖2 不同陶瓷摻量水泥混凝土干縮率隨時間變化Fig.2 Variation of dry shrinkage of ceramic cement concrete with different ceramic parameters varies with time

因此，在陶瓷水泥混凝土中，由于陶瓷粗骨料的表觀密度相較于天然碎石要小很多，在相同質量條件下，陶瓷粗骨料較多，同樣也能起到抑制收縮的作用。由此可知，從干縮性能分析，陶瓷水泥混凝土是可行的。

3.3 耐磨性能分析

參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30—2005)水泥混凝土耐磨性試驗方法制備陶瓷水泥混凝土試塊測試其干縮性能，陶瓷替代粗骨料的摻量分別為0、20%、30%、50%、70%，試塊尺寸為100 mm×100 mm×150 mm。磨耗量的計算公式為

(2)

式(2)中：Gc為水泥混凝土單位面積的磨耗量，kg/m2；m1為水泥混凝土的初始質量，kg；m2為磨耗后水泥混凝土的質量，kg；0.012 5為試件的磨損面積。

使用式(2)計算18個試塊的磨耗量，結果如表6所示。從試驗結果可知，陶瓷水泥混凝土的磨耗量隨著陶瓷摻量的增加而降低，但是當陶瓷完全替代天然碎石的時候，磨耗量變得最大。影響混凝土耐磨性的主要因素為混凝土的水灰比、混凝土所用膠凝材料、混凝土的密實性、混凝土的強度[19]。因此導致陶瓷水泥混凝土耐磨性先降低后升高的主要原因是廢棄陶瓷的壓碎值小于天然碎石，表明廢棄陶瓷作為骨料時的強度要優于天然碎石；且廢棄陶瓷的表面較天然碎石更為粗糙，因此廢棄陶瓷與水泥砂漿的粘接力要優于天然碎石；又因為陶瓷骨料的針片狀含量要高于天然碎石，導致陶瓷水泥混凝土的密實性差于普通碎石水泥混凝土。

表6 混凝土耐磨性試驗結果

因此，雖然陶瓷骨料的壓碎值以及與水泥砂漿的黏結力要高于天然碎石，但是由于陶瓷骨料的針片狀含量高于原生混凝土，導致廢棄陶瓷混凝土的質量磨耗雖然低于原生混凝土，但也相差不多。根據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》(JTG/T F30—2014)中對于混凝土耐磨性能的要求來看，陶瓷水泥混凝土的耐磨性能均滿足高速公路及一級公路對于耐磨性能的要求。因此，從耐磨性能的角度出發，廢棄陶瓷骨料可以應用于路面混凝土中。

3.4 抗滲性能分析

參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30—2005)水泥混凝土制備陶瓷水泥混凝土試塊測試其干縮性能，陶瓷替代粗骨料的摻量分別為0、20%、30%、50%、70%、100%，試塊尺寸上部直徑為175 mm，下部直徑為185 mm，如圖3所示，抗滲試驗儀器如圖4所示。抗滲等級的計算公式為

S=10H-1

(3)

式(3)中：S為混凝土的抗滲等級；H為第3個試件表面出現滲水時的壓力。

按照規范要求，試塊做完抗滲試驗后，需將其劈開觀察試塊內部滲水高度進一步判斷其抗滲性能優劣。根據上述試驗過程，最后得到陶瓷水泥混凝土試塊抗滲性能試驗結果，如表7所示。從試驗結果可發現，混凝土試塊的抗滲等級均為12，但隨著陶瓷摻量的增加，陶瓷水泥混凝土的滲水高度也逐步增加，陶瓷摻量為100%時，滲水高度達到最大。造成這一現象的原因是陶瓷骨料針片狀含量高于天然碎石材料，因此陶瓷水泥混凝土相較于普通水泥混凝土密實性更低，所以混凝土滲水高度隨著陶瓷摻量的增加而增長。但陶瓷水泥混凝土試塊的抗滲等級還是能達到12。因此，從抗滲性的角度出發，將廢棄陶瓷應用到路面水泥混凝土中是可行的。

RC-0表示陶瓷摻量為0圖3 密封的混凝土試塊Fig.3 Sealed concrete block

圖4 抗滲試驗儀器Fig.4 Impermeability test meter

表7 抗滲試驗結果

3.5 界面性能分析

將成型混凝土試塊通過人工破碎，制成為米粒狀大小的試驗樣本，如圖5所示。制作樣本時，盡量挑選表面附有混凝土的骨料顆粒，保證在掃描時能掃描到骨料與水泥石的過渡界面。

陶瓷材料是非導電性物質，在利用掃描電鏡進行直接觀察時，會產生嚴重的荷電現象，影響對樣品的觀察，因此需要在樣品表面蒸鍍導電性能好的導電膜層，這樣可以更好地對樣品進行觀察。

圖5 樣本Fig.5 Sample

圖6 天然碎石骨料-水泥石界面Fig.6 Natural crushed stone aggregate-cement stone interface

圖7 陶瓷骨料-水泥石界面Fig.7 Ceramic aggregate-cement interface

將制作好的樣本放入電子掃描顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)電鏡掃描試驗機進行試驗，掃描結果如圖6、圖7所示。觀察兩圖看出，陶瓷骨料-水泥石界面與天然碎石骨料-水泥石界面相似，但陶瓷骨料-水泥石界面生成的絮狀膠凝產物多于天然碎石水泥石界面。原因是混凝土成型后，內部自由水逐漸減少，水化逐漸停止。但陶瓷粗骨料的孔隙率高于天然碎石，因此在陶瓷孔隙中吸附的水被轉移至水泥石中再次發生水化作用。得出結論，陶瓷骨料與水泥石具有良好的黏接性能，且性能稍優于天然碎石。

為驗證上述試驗結論，對陶瓷骨料和水泥砂漿的界面強度進行測定。將碎石與廢棄陶瓷依次經過切割，打磨加工成尺寸為40 mm×40 mm×15 mm的片狀骨料。然后將打磨好的片狀骨料放入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm試模的中央如圖8所示。再將水灰比為0.50的水泥凈漿倒入兩側，接著振動成型，振動成型過程中讓片狀骨料保持豎直，成型圖如圖9所示。

將成型后的試樣放入溫度為(20±1) ℃，濕度大于90%的條件下養護24 h后拆模，并在相同條件下分別繼續養護7 d和28 d后測定其抗折強度，用抗折強度來表示陶瓷骨料與水泥石界面的黏結強度。試驗結果如表8所示。

從表8試驗結果可以發現7 d以及28 d界面強度均是陶瓷與水泥砂漿的界面強度大于天然碎石與水泥砂漿的界面強度，且無骨料的水泥砂漿遠遠大于陶瓷與天然碎石與水泥砂漿的界面強度。所得結果與上述陶瓷與水泥砂漿的黏結性能優于原生碎石相一致。因此，從界面黏接性角度來說，陶瓷混凝土的應用是可行的。

4 結論

(1)陶瓷廢料混凝土在水灰比為0.38時抗折強度和抗壓強度最高，其抗折強度和抗壓強度隨著陶瓷摻量的增加先增高后降低，最高值在陶瓷摻量70%左右，且陶瓷摻量在50%～70%時，陶瓷水泥混凝土抗壓、抗折強度高于普通水泥混凝土。綜合數據分析，陶瓷廢料水泥混凝土陶瓷最佳摻量為50%～70%。

圖8 片狀骨料擺放位置圖Fig.8 Location of sheet aggregate

圖9 試件成型圖Fig.9 Specimen shape drawing

表8 水泥砂漿-骨料界面強度

(2)陶瓷水泥混凝土的坍落度隨著陶瓷摻量的增加而降低，當陶瓷摻量為100%時陶瓷廢料水泥混凝土坍落度不能滿足規范要求。因此陶瓷廢料水泥混凝土陶瓷摻量不宜超過70%。

(3)陶瓷與水泥砂漿的界面強度大于天然碎石與水泥砂漿的界面強度。陶瓷廢料水泥混凝土隨著陶瓷摻量的增加，干縮性和耐磨性越高，抗滲性越低。陶瓷廢料水泥混凝土界面性能、耐磨性能、干縮性能和抗滲性能均滿足規范要求。

(4)綜合以上分析再結合道路工程中各項規范要求，陶瓷廢料應用在道路路面是可行的，但陶瓷摻量不宜超過70%，最佳陶瓷摻量應控制在50%～70%。