廢棄陶瓷骨料混凝土的力學性能和三維預測模型研究

宗景美，張雪蘭，韓 猛

(1.商丘工學院土木工程學院，商丘 476000;2.大連理工大學土木工程學院，大連 116024)

0 引 言

隨著國家建筑行業的快速發展，工程材料如砂、石的消耗逐漸增大，砂石的過渡開采造成了資源的負擔和生態的破壞[1-3]。而廢棄陶瓷目前多作為填埋垃圾處理，既污染環境又浪費資源[4-5]。針對該問題，將廢棄陶瓷作為骨料代替天然砂、石來制備混凝土，既節約資源又滿足國家環保材料的發展戰略[6-7]。另外，廢棄陶瓷骨料混凝土符合國家十四五規劃中再生資源利用的發展戰略，是一種綠色環保型混凝土[8-9]。

國內外學者針對陶瓷骨料混凝土的性能進行了廣泛的研究。針對混凝土力學性能，Senthamarai等[10]研究了陶瓷工業廢棄物作為常規粗骨料的適用性，得到了陶瓷粗骨料混凝土和易性良好，強度特性與常規混凝土相當；Pacheco-Torgal等[11]進一步得到了陶瓷骨料混凝土的抗壓強度、毛細管吸水率的性能優于常規混凝土；程云虹等[12]研究了不同陶瓷骨料替代方式對混凝土抗壓強度的影響，得到了不同替代方式的最優摻量；沈陽等[13]基于室內試驗研究了陶瓷骨料混凝土的力學性能，得到了陶瓷骨料混凝土抗壓強度與彈性模量的關系；譚波等[14]系統研究了不同陶瓷骨料摻量對混凝土力學性能的影響，得到了50%～70%陶瓷骨料摻量的混凝土力學性能優于普通混凝土；萬超[15]研究了再生陶瓷粗骨料混凝土的基本力學性能，建立了抗折強度和彈性模量的二維預測模型。但是，在前人的研究中，陶瓷細骨料混凝土力學性能方面研究不足，缺乏對廢棄陶瓷骨料混凝土力學性能與國內外規范異同點的比較分析，廢棄陶瓷骨料混凝土力學性能三維預測模型的研究鮮有人涉及。

因此，本文研究了不同陶瓷骨料類型對混凝土力學性能的影響，建立了考慮廢棄陶瓷骨料摻量和類型的混凝土力學性能三維預測模型。研究結果為廢棄陶瓷骨料混凝土力學性能的預測提供了一定的借鑒作用。

1 實 驗

1.1 原材料

本試驗選用南通某公司P·O 42.5的普通硅酸鹽水泥，主要的性能指標見表1。廢棄陶瓷取自常州某陶瓷制造公司，其經過破碎、篩分及重新級配等加工處理程序作為混凝土骨料重新利用。天然細集料采用河砂，含泥量為1.03%，細度模數為2.9。粗骨料采用5～20 mm粒徑的碎石，含泥量為0.23%。廢棄陶瓷細骨料多為針片狀，與細集料河砂形狀有一定的差異。廢棄陶瓷粗骨料多呈碎石狀，部分表面有釉，其他端面粗糙且棱角多，而天然粗骨料碎石為不規則的帶有尖銳邊角的石塊。具體的廢棄陶瓷骨料及天然骨料性能指標見表2。

表1 水泥主要性能指標Table 1 Main performance indexes of cement

表2 廢棄陶瓷骨料及天然骨料性能指標Table 2 Performance indexes of waste ceramic aggregates and natural aggregates

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗目的

為探討廢棄陶瓷骨料對水泥混凝土力學參數的影響，主要從陶瓷骨料摻量和類型的角度來研究廢棄陶瓷骨料混凝土的力學性能，從而為廢棄陶瓷骨料混凝土的設計提供一定的試驗和理論基礎。

1.2.2 配合比設計

試驗分別采用陶瓷粗骨料和細骨料作為原料，陶瓷骨料的摻量分別為天然粗骨料和細骨料的25%、50%、75%和100%。本試驗混凝土強度等級為C30，試驗共設計9組配合比，A0為對照組，A1和A2分別表示陶瓷粗骨料和細骨料的替代方案，平行試驗設計3組，混凝土配合比設計具體見表3。

表3 混凝土配合比設計Table 3 Design of concrete mix ratio

1.2.3 試驗方法

參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行混凝土抗壓強度、抗折強度和彈性模量的力學性能試驗。在抗壓強度試驗中，立方體試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，在標準溫度和濕度條件下養護，并測得1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 的陶瓷骨料混凝土抗壓強度。應用150 mm×150 mm×300 mm的長方體試塊，在標準溫度和濕度條件下養護，測得1 d、3 d、7 d、14 d、28 d的陶瓷骨料混凝土的抗折強度和彈性模量。主要試驗過程如圖1所示。

圖1 主要試驗過程Fig.1 Main test process

2 結果與討論

2.1 廢棄陶瓷骨料混凝土抗壓強度研究

圖2為不同齡期下廢棄陶瓷骨料混凝土的抗壓強度曲線。從圖2(a)可知，養護齡期為1 d的陶瓷粗骨料混凝土的抗壓強度小于原有對照組。隨著齡期的增長，陶瓷粗骨料混凝土抗壓強度逐漸增大。當齡期為14 d時，100%陶瓷粗骨料混凝土的抗壓強度提高幅度最大，最大提高了18.27%。這是因為隨著齡期的增長，廢棄陶瓷粗骨料混凝土發生了“內養護”過程，從而導致后期的抗壓強度大于對照組。另外，廢棄陶瓷粗骨料的摻加比例與混凝土抗壓強度呈正相關，且陶瓷粗骨料的內養護作用使混凝土抗壓強度平均提高了10.42%。從圖2(b)可知，陶瓷細骨料混凝土抗壓強度小于原有對照組，且陶瓷細骨料的摻加比例與混凝土抗壓強度呈負相關，這是因為陶瓷細骨料針片狀的形狀不能較好的填充混凝土骨料間的縫隙[13,16-17]。當齡期為28 d時，100%陶瓷細骨料的混凝土抗壓強度相比普通混凝土減少了7.84%,陶瓷細骨料的摻加使混凝土抗壓強度平均降低了13.88%。

圖2 不同齡期的廢棄陶瓷骨料混凝土抗壓強度Fig.2 Compressive strength of waste ceramic aggregate concrete at different ages

2.2 廢棄陶瓷骨料混凝土抗折強度及預測模型研究

圖3為不同陶瓷骨料摻量對混凝土抗折強度的影響。由圖3(a)可知，陶瓷粗骨料對混凝土的抗折強度呈不利影響。當陶瓷粗骨料摻量為100%時，混凝土抗折強度降低幅度最大，28 d降低了6.21%。另外，混凝土前期的抗折強度增長幅度偏大，而齡期較大時其增長幅度偏小。由圖3(b)可知，陶瓷細骨料混凝土的抗折強度比普通混凝土的值偏小，當陶瓷細骨料摻量為100%時，混凝土抗折強度降低幅度最大，28 d降低了7.84%。總體來說，陶瓷粗、細骨料的摻加使混凝土抗折強度平均降低了7.24%～10.52%。

在不同國家規范中，普通混凝土抗折強度的計算公式如式(1)～(3)所示。

法國規范(CEB-FIP 1990)：

(1)

美國規范(ACI 318—2002)：

(2)

印度規范(IS 456—1978)：

(3)

式中：ff為混凝土抗折強度，MPa；fcu為混凝土抗壓強度，MPa。

圖3 廢棄陶瓷骨料混凝土的抗折強度比較Fig.3 Comparison of flexural strength of waste ceramic aggregate concrete

圖4為不同國家規范抗折強度與抗壓強度對比關系圖。由圖4可知，陶瓷骨料混凝土的抗折強度要大于美國規范的抗折強度。當齡期小于14 d時，陶瓷粗骨料混凝土抗折強度多數位于法國CEB-FIP 1990和印度IS 456—1978規范的抗折強度值之間。當齡期小于7 d時，陶瓷細骨料混凝土抗折強度介于法國CEB-FIP 1990和印度IS 456—1978規范的抗折強度值之間。另外，三個國家規范中普通混凝土抗折強度僅與抗壓強度相關，沒有考慮陶瓷骨料摻量和混凝土齡期的影響，不適用于陶瓷骨料混凝土抗折強度的計算。因此，建立考慮廢棄陶瓷骨料摻量和類型的混凝土抗折強度的三維預測模型是十分必要的。

圖4 抗折強度與抗壓強度關系Fig.4 Relationship between flexural strength and compressive strength

為了得到不同齡期下陶瓷骨料混凝土抗折強度與陶瓷摻量和抗壓強度的關系，對數據進行了統計回歸分析。首先將1 d、3 d、7 d、14 d、28 d不同齡期的混凝土抗壓強度、抗折強度、廢棄陶瓷粗、細骨料摻量數據放在三維坐標系，然后根據試驗數據，結合美國、法國、印度規范中抗折強度與抗壓強度之間的關系，利用Matlab軟件找出廢棄陶瓷骨料混凝土抗折強度的最優預測模型，所得到的預測模型函數形式為式(4):

z1=(kx+b)×yn

(4)

式中：z1為混凝土抗折強度，MPa；y為混凝土抗壓強度，MPa；x為陶瓷骨料摻量；k、b、n分別為待定系數。

圖5為陶瓷骨料混凝土抗折強度三維預測模型圖。表4為陶瓷粗、細骨料混凝土抗折強度預測公式及相關系數。由圖5和表4可知，考慮陶瓷骨料摻量的三維預測模型能較好地預測陶瓷骨料混凝土的抗折強度。陶瓷骨料混凝土抗折強度預測模型中n的值大于美國、印度和法國規范的0.5，系數k的正負值反映陶瓷粗、細骨料對混凝土抗折強度的積極和抑制影響，n反映了廢棄陶瓷骨料混凝土抗壓強度對抗折強度的影響程度，b為待定擬合系數，kx+b的值反映陶瓷骨料摻量對混凝土抗折強度的影響。另外，不同陶瓷骨料混凝土抗折強度的預測函數相關系數R2都大于0.94，反映了該三維預測模型的合理性和準確性。

圖5 不同齡期陶瓷骨料混凝土抗折強度三維預測模型Fig.5 Three-dimensional prediction model for flexural strength of ceramic aggregate concrete at different ages

表4 陶瓷骨料混凝土抗折強度預測公式Table 4 Prediction formula for flexural strength of ceramic aggregate concrete

2.3 廢棄陶瓷骨料混凝土彈性模量及預測模型研究

圖6為陶瓷粗、細骨料混凝土彈性模量比較圖。由圖6(a)可知，在齡期為1 d時，陶瓷骨料混凝土的彈性模量較對照組低。而當齡期為14 d和28 d時，100%陶瓷粗骨料的混凝土彈性模量比對照組分別增大了22.9%和18.53%。這是因為隨著齡期的增長，陶瓷粗骨料吸收的水分對混凝土進行了內養護，從而導致陶瓷粗骨料混凝土彈性模量的增大，陶瓷粗骨料的內養護作用使混凝土彈性模量平均提高了12.28%。由圖6(b)可知，陶瓷細骨料對混凝土的彈性模量起到負面影響，這是因為陶瓷細骨料針片狀的形狀影響了混凝土骨料縫隙的填充，從而導致陶瓷細骨料混凝土的彈性模量較對照組低。當齡期為14 d、28 d時，75%陶瓷細骨料混凝土的彈性模量分別減小8.36%和10.29%，陶瓷細骨料的摻加使混凝土彈性模量平均降低了7.57%。

圖6 陶瓷骨料混凝土彈性模量比較Fig.6 Comparison of elastic modulus of ceramic aggregate concrete

在不同國家規范中，普通混凝土抗壓強度與彈性模量的建議計算公式如式(5)、(6)所示。

美國規范(ACI 318—2002)：

(5)

式中：f′c為混凝土抗壓強度的設計值，MPa；Ec為混凝土彈性模量，MPa。

中國GB 50010—2010《混凝土結構設計規范(2015年版)》：

(6)

式中：fcu,k為混凝土立方體抗壓強度標準值，N/mm2；Ec為混凝土彈性模量，104N/mm2。

圖7為不同國家規范中混凝土彈性模量與抗壓強度之間的關系。由圖7可知，陶瓷粗骨料混凝土的彈性模量多數大于中國規范建議的彈性模量，而陶瓷細骨料混凝土的彈性模量基本介于中國和美國規范建議的彈性模量值之間。這說明普通混凝土彈性模量預測模型不適用于廢棄陶瓷骨料混凝土，但有一定的借鑒作用。

與廢棄陶瓷骨料混凝土抗折強度三維預測模型的建立過程類似，需要研究不同齡期下廢棄陶瓷骨料混凝土彈性模量與陶瓷骨料摻量和抗壓強度的關系，陶瓷骨料混凝土彈性模量z2的三維預測函數模型為式(7)：

z2=(kx+b)×yn

(7)

式中：z2為彈性模量，104N/mm2；y為抗壓強度，MPa；x為陶瓷摻量；k、b、n分別為待定系數。

圖8為廢棄陶瓷骨料混凝土彈性模量的三維預測模型圖。表5為陶瓷粗、細骨料混凝土彈性模量的預測函數。由圖8和表5可知，建立的三維預測模型進一步考慮了廢棄陶瓷骨料摻量的影響，改善了廢棄陶瓷骨料混凝土彈性模量的二維預測模型的精度。陶瓷骨料混凝土彈性模量預測公式中n的值小于美國規范的0.5，k的正負值反映陶瓷粗、細骨料對混凝土彈性模量的積極和抑制影響，n反映了廢棄陶瓷骨料混凝土抗壓強度對彈性模量的影響程度，b為待定擬合系數，kx+b的值反映了陶瓷骨料摻量對混凝土彈性模量的影響。另外，陶瓷粗、細骨料混凝土彈性模量的預測模型相關系數R2大于0.93，反映了該預測模型的合理性。

圖7 彈性模量與抗壓強度的關系Fig.7 Relationship between elastic modulus and compressive strength

圖8 不同齡期陶瓷骨料混凝土彈性模量三維預測模型Fig.8 Three-dimensional prediction model for elastic modulus of ceramic aggregate concrete at different ages

表5 陶瓷骨料混凝土彈性模量預測公式Table 5 Prediction formula for elastic modulus of ceramic aggregate concrete

2.4 廢棄陶瓷骨料混凝土力學性能預測值與實測值比較

為了驗證建立的三維預測模型的合理性，不同齡期的廢棄陶瓷骨料混凝土抗壓強度和陶瓷骨料摻量試驗數據代入三維預測模型中，將混凝土抗折強度和彈性模量預測數據與實測數據做比值，結果如圖9所示。從圖9可知，廢棄陶瓷骨料混凝土抗折強度的預測值平均為實測值的88.34%～95.24%，且廢棄陶瓷骨料混凝土彈性模量的預測值平均為實測值的90.56%～95.18%，說明了廢棄陶瓷骨料混凝土三維預測模型的合理性和準確性。

圖9 廢棄陶瓷骨料混凝土力學性能預測值與實測值比較Fig.9 Comparison between predicted and measured mechanical properties of waste ceramic aggregate concrete

3 結 論

(1)基于室內試驗，得到了不同陶瓷骨料類型和摻量對混凝土力學性能的影響規律。廢棄陶瓷粗、細骨料分別平均提高和降低了混凝土10.42%～12.28%的彈性模量和7.57%～13.88%的抗壓強度，且廢棄陶瓷粗、細骨料的摻量與混凝土的抗壓強度和彈性模量分別呈正相關和負相關。

(2)廢棄陶瓷粗、細骨料對混凝土抗折強度都呈不利影響，且廢棄陶瓷骨料摻量與混凝土抗折強度呈負相關。當陶瓷粗、細骨料摻量為100%時，28 d齡期的混凝土抗折強度降低幅度分別為6.21%和7.84%。

(3)通過對比陶瓷骨料混凝土室內試驗數據和國內外規范，得到了陶瓷骨料混凝土力學參數與其規范值的異同點，建立了考慮廢棄陶瓷骨料摻量和類型的混凝土力學性能三維預測模型，其主要適用于類似廢棄陶瓷骨料混凝土力學參數的預測。