廢棄陶瓷作為再生混凝土細骨料性能研究

趙軍華，原征宇，袁興龍，鎖春暉

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

1 前言

隨著我國城市化進程的不斷發展，各種基礎設施建設也逐漸推進，對混凝土的需求量也日益增多。砂作為細骨料，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，還會造成環境污染。因此，尋找一種能夠取代砂作為混凝土細骨料的材料成為一個亟待解決的問題。

中國是陶瓷的故鄉，年產陶瓷居世界首位，因為陶瓷本身的脆性，在其生產、儲存、運輸和使用過程中，容易產生碰撞、破碎導致陶瓷廢料增多。據報道全國年產陶瓷廢料約為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，導致二次污染，嚴重影響陶瓷行業的可持續發展[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，并且結構致密，成分與天然砂石相近[3]，并且產量巨大，如果將廢棄的瓷磚經清洗、破碎、篩分制成人工砂應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產生的廢棄瓷磚，為廢棄瓷磚的處理提供行之有效的解決方法。

目前已有學者對廢棄陶瓷作為混凝土骨料進行了研究。王東旭等人[4]將廢棄陶瓷制成再生粗骨料，等質量替代天然碎石，研究其對混凝土力學性能的影響。結果表明，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性能的影響。結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。進行混凝土抗壓強度及抗折強度試驗。結果表明，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，混凝土強度均達到設計強度等級C30 的要求陸盛武等人[7]將建筑廢棄陶瓷制成細集料以不同的取代率等質量取代天然河砂生產混凝土，對其強度進行測試，得出陶瓷細骨料混凝土的抗壓強度與普通混凝土沒有明顯區別。

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，將其作為混凝土細骨料的研究相對較少，且不同學者的研究結論有所差異。這可能是因為地區的不同、生產工藝的差別以及環境因素會對陶瓷的理化性質產生影響，造成實驗結果的差異。本公司屬于生產型企業，對于砂的需求量巨大，遠距運輸廢棄陶瓷不僅會增加成本，而且不利于對本地區廢棄陶瓷的消耗。因此本課題選取公司附近陶瓷城產生的廢棄瓷磚作為研究對象，將其作為混凝土細骨料，這對于本地區的廢棄瓷磚的處理工作及當地混凝土生產企業的節能環保都有一定的現實指導意義。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

水泥為河南孟電集團水泥有限公司生產的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的脂肪族減水劑；粗骨料選用連續級配為5-20mm的天然碎石；細骨料選用細度模數為3.0 的信陽河砂；實驗用水為普通自來水。

2.2 陶瓷細骨料的制備及其基本性能

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

表1 廢棄陶瓷細骨料的粒度分布

圖1（a） 廢棄陶瓷，（b） 陶瓷細骨料

根據以上篩分析結果，計算得出陶瓷細骨料的細度模數為3.1。參照JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》[8]，測得天然砂及陶瓷細骨料的各項性能指標如表2 所示。

表2 天然砂和陶瓷細骨料的理化性能指標

由表2 可知，制備的陶瓷細骨料的壓碎值指標、表觀密度、堆積密度與細度模數與天然砂接近，理論上能夠代替天然砂作為混凝土細骨料。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。基準混凝土的配合比設計參照JGJ 55—2000《普通混凝土配合比設計規程》[10]及公司生產配比進行，初始配合比如表3 所示。將制備的陶瓷細骨料以質量百分率取代天然細骨料，前期準備工作發現，當陶瓷細骨料取代率大于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骨料取代率下的和易性及抗壓強度進行研究。和易性和抗壓強度的檢測依據分別依據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[11]及GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[12]進行。

表3 C30、C35、C40、C50 等級混凝土初始配合比

3.2 實驗結果及分析

3.2.1 和易性檢測

因陶瓷細骨料的吸水率較高，隨著陶瓷細骨料取代量的增加，所需用水量逐漸增多。因此，在保證坍落度為220±10mm、擴展度為650±15mm 的條件下，隨著陶瓷細骨料摻量的增加，減水劑用量逐漸增多。將陶瓷細骨料分別以15wt%、30wt%、45wt%和60wt%的取代率取代天然細骨料，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骨料取代條件下得到的混凝土初始狀態（注：C30-15 表示強度等級為C30 的混凝土中，陶瓷細骨料的取代率為15wt%）

從表中可以看出，隨著陶瓷細骨料摻量的增加，混凝土所需減水劑的摻量逐漸增多。當摻量達到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時間，造成混凝土開裂，還會極大地提高混凝土的生產成本。因此陶瓷細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良好。

3.2.2 抗壓強度檢測

隨著陶瓷細骨料取代率的增加，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骨料摻量變化的曲線(a)3 天，(b)7 天，(c)28 天

從圖3(a,b)可以看出，隨著陶瓷細骨料摻量的增加，C30 和C35 等級混凝土的抗壓強度呈現出不規則的波浪形趨勢，而C40 和C50 等級的混凝土的抗壓強度整體呈現出先增加后降低的趨勢，說明陶瓷細骨料的摻量對于混凝土的早期強度影響不穩定，但是整體相比較同等級的天然細骨料混凝土早期強度表現出增加的趨勢。值得注意的是，當陶瓷細骨料摻量為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節，陶瓷細骨料表面較為粗糙、多棱角，與水泥在水化過程中生成的水泥石表面的粘結度較高，所以摻加少量的陶瓷細骨料可以顯著的提高混凝土的抗壓強度[5,13]。摻加15wt%陶瓷細骨料的C30、C35、C40、C50 等級混凝土相比與同等級天然細骨料混凝土的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，隨著陶瓷細骨料摻量的增多，C30、C35、C40、C50 等級混凝土的抗壓強度均表現出先增加后降低的趨勢。相比較早期強度變化較為穩定，這可能是因為在養護的中后期，陶瓷細骨料多孔結構吸收的水分對混凝土進行二次養護，即內養護[14,15]。且在摻量達到60wt%時，混凝土的抗壓強度仍然高于同等級天然細骨料混凝土，均能夠達到設計強度要求。

4 結論

本課題將廢棄陶瓷加工處理成細度模數為3.1 的陶瓷細骨料，等質量取代天然砂，研究其對混凝土的和易性及抗壓強度的影響，得出如下結論：

（1）制備的陶瓷細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）隨著陶瓷細骨料摻量的增加，混凝土早期強度變化不穩定，隨著齡期增加，混凝土抗壓強度隨陶瓷細骨料摻量的增加，整體呈現出先增加后降低的趨勢。是因為在后期強度發展過程中水泥水化較為完全，陶瓷細骨料與水泥石之間的粘結力較大及混凝土的二次養護作用。

（3）考慮到混凝土后期穩定性及生產成本，認為陶瓷細骨料摻量15wt%為最佳摻量。在最佳摻量15wt%時，C30、C35、C40、C50 等級的陶瓷細骨料混凝土的抗壓強度相比同等級天然細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及混凝土工業大國，用陶瓷細骨料代替天然砂制備混凝土是可行的，這對于本地區的廢棄瓷磚的處理工作及當地混凝土生產企業的節能環保都有一定的現實指導意義。