陶瓷再生粗骨料混凝土力学性能与耐久性研究

邵莲芬，张文忠

（黄淮学院建筑工程学院，河南 驻马店 463000）

陶瓷再生粗骨料混凝土力学性能与耐久性研究

邵莲芬，张文忠

（黄淮学院建筑工程学院，河南 驻马店 463000）

废弃陶瓷经破碎、筛分，制备再生粗骨料，等质量取代天然石子，配制陶瓷粗骨料混凝土。研究了陶瓷粗骨料取代率对混凝土工作性能、力学性能和耐久性的影响。结果表明：随着陶瓷粗骨料取代率的增加，混凝土的流动性逐渐降低、抗压强度有所提高、而抗折强度却略有降低；陶瓷粗骨料对混凝土的抗冻性影响不大。

陶瓷；再生骨料；混凝土；力学性能；耐久性

陶瓷产业的迅猛发展，随之而来的是陶瓷废料的增多[1]。我国仅墙地砖生产每年就产生45万t生坯废品，烧成废品更多达65万t，而废陶瓷回收再利用的成本比购买陶土生产的成本还要大，多数陶瓷企业并不愿意对废陶瓷进行回收再利用[2-3]。陶瓷工业的废弃物通常以堆积和填埋的简单处理方式为主，造成了土地、矿产资源的巨大浪费和环境污染，阻碍了陶瓷行业的可持续发展[4-6]。

本研究以废弃陶瓷为粗骨料等质量取代天然石子，制备陶瓷再生粗骨料混凝土，研究陶瓷再生粗骨料混凝土的力学性能及耐久性。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R水泥，武汉华新水泥有限公司生产；砂长江中砂，细度模数2.7，含泥量0.8%；天然石子：武汉碎石堆积密度1580 kg/m3；陶瓷再生粗骨料：将废陶瓷用破碎机破碎制得，堆积密度1350 kg/m3，粗骨料的粒径分布见表1。

表1 粗骨料的粒径分布

1.2 试验方法

混凝土抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm抗折强度及冻融循环试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm收缩试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm。

混凝土坍落度参照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；抗压、抗折强度参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试；抗冻融循环和收缩性能参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行测试。

1.3 混凝土配合比

陶瓷再生粗骨料等质量取代天然石子粗骨料，取代率分别为0、25%、50%、75%和100%，陶瓷粗骨料混凝土配合比如表2所示。

表2 陶瓷再生粗骨料混凝土的配合比

2 结果与分析

2.1 陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土坍落度的影响（见图1）

图1 陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土坍落度的影响

由图1可见，随着陶瓷再生粗骨料取代率从0增加到100%，混凝土的坍落度逐渐减小，由85 mm减小至50 mm，流动性逐渐降低。这是因为，陶瓷再生粗骨料等质量取代天然石子，而陶瓷再生粗骨料的表观密度小于天然石子，这就增大了混凝土中骨料体积，相对降低了混凝土中浆体的量，使得混凝土的流动性降低。另外，陶瓷再生粗骨料孔隙率大，吸水率较天然粗骨料大[7]，降低了混凝土实际水灰比，从而降低了混凝土的坍落度。

2.2 陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土力学性能的影响（见图2）

图2 陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土强度的影响

由图2（a）可见，随着陶瓷再生粗骨料取代率的增加，混凝土的3 d、28 d抗压强度先降低后升高、最后又稍有降低，但变化率都不大。当陶瓷再生粗骨料取代率为75%时，混凝土3 d、28d抗压强度均达到最大，分别较取代率为0的提高了6.8% 和8.3%。由图2（b）可见，随着陶瓷再生粗骨料取代率的增加，混凝土的3 d、28 d抗折强度逐渐降低，陶瓷再生粗骨料取代率为100%时，混凝土的3 d、28 d抗折强度较取代率为0的分别降低了10%和9.6%。

混凝土的受力破坏主要有骨料破坏、水泥石破坏及骨料与水泥石界面破坏等3种形式。对于普通混凝土，受力破坏大多以界面破坏为主，即骨料与水泥石界面为混凝土内最薄弱环节。陶瓷再生粗骨料表面粗糙、棱角多，与水泥石粘结强度高，所以陶瓷再生粗骨料混凝土的抗压强度有所提高。另外，混凝土抗压强度的提高还受到混凝土实际水灰比的影响，因为陶瓷再生粗骨料多孔隙、吸水率高，因而降低了混凝土实际水灰比，提高了混凝土的抗压强度。

陶瓷再生粗骨料混凝土抗折强度测试破坏为脆性破坏，一方面，陶瓷材料本身脆性较大，增大了混凝土的脆性，使得其抗折强度有所降低；另一方面，再生陶瓷粗骨料中扁平状骨料较多，也会降低混凝土的抗折强度。

2.3 陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土耐久性的影响

2.3.1 抗冻性能

陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土抗冻性能的影响见图3、图4。

图3 陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土质量损失率的影响

图4 陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土相对动弹性模量的影响

由图3可见，随着冻融循环次数的增加，各组混凝土的质量损失率逐渐增大；随着陶瓷再生粗骨料取代率的增加，冻融循环后质量损失率先增大后减小。C1、C2、C3和C4组混凝土冻融循环后的质量损失率均大于基准组C0，4组混凝土中，陶瓷再生粗骨料取代率为25%的C1组冻融循环后的质量损失最大，陶瓷再生粗骨料取代率为100%的C4组质量损失率最小。经过75次冻融循环后，各组混凝土的质量损失率均小于5%。

由图4可见，随着冻融循环次数的增加，各组混凝土的相对动弹性模量都逐渐减小；随着陶瓷再生粗骨料取代率的增加，相对动弹性模量基本呈先减小后增大的趋势。各组混凝土中，陶瓷再生粗骨料取代率为25%的C1组冻融循环后相对动弹性模量最小，取代率为100%的C4组相对动弹性模量最大。

混凝土的抗冻性受孔隙率和孔隙结构影响显著[8]。陶瓷粗骨料为多孔材料，对混凝土孔隙结构具有改善作用；另外，陶瓷与天然石子相比，其弹性模量大，混凝土中掺入陶瓷再生粗骨料后，经冻融循环后相对动弹性模量损失减小。本试验中，陶瓷再生粗骨料掺入对混凝土抗冻性影响较小。

2.3.2 干燥收缩性能

陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土干燥收缩性能的影响见图5。

图5 陶瓷再生粗骨料取代率对混凝土干燥收缩性能的影响

由图5可见，随着龄期的延长，各组混凝土的干燥收缩率逐渐增大；随着陶瓷再生粗骨料取代率的增加，混凝土的干燥收缩率先增大后逐渐减小。陶瓷再生粗骨料取代率为25%的C1组收缩率大于基准组C0，为各组最大；陶瓷粗骨料取代率为50%、75%和100%三组混凝土（C2、C3、C4）的干燥收缩率都小于基准组C0，取代率为100%的C4组收缩率最小。

混凝土中粗骨料起到“骨架”作用，抑制混凝土的收缩。陶瓷再生粗骨料等质量取代天然骨料，由于陶瓷密度较天然石子小，所以陶瓷混凝土体系中骨料体积比例增加，水泥比例相对减小，因此，陶瓷骨料混凝土收缩减小。另外，陶瓷的弹性模量大，抵抗变形能力强，抑制了混凝土的收缩。再者，陶瓷骨料具有较强的吸水能力，在混凝土拌合过程中作为一种高吸水性材料储存一部分水，当混凝土处于干燥环境中水分蒸发时陶瓷粗骨料就会释放自身吸收的水分，降低了毛细孔和凝胶孔的孔压力，起到了一中“内养护剂”的作用[9]，进一步降低了混凝土的收缩。综述以上3个方面的原因，掺入适量陶瓷再生粗骨料的混凝土收缩较普通混凝土有所降低。

3 结论

（1）随陶瓷再生粗骨料取代率的增加，混凝土的坍落度逐渐减小，流动性逐渐降低。

（2）随陶瓷再生粗骨料取代率的增加，混凝土的抗压强度先降低后升高、最后又稍有降低，取代率为75%时抗压强度达到最大；抗折强度逐渐降低。

（3）陶瓷再生粗骨料掺入后对混凝土抗冻性影响较小，掺入适量陶瓷再生粗骨料的混凝土收缩较普通混凝土有所降低

[1]刘凤利，刘俊华，张承志.废陶瓷再生砂对砂浆抗压强度影响的试验研究[J].混凝土，2012（1）：96-99.

[2]谭丽，余峰，陈学文.陶瓷废弃物资源化利用之浅谈[J].中国陶瓷工业，2011，18（3）：21-23.

[3]许爱民，曾令可.陶瓷废料的综合利用[J].中国陶瓷工业，2006 13（6）：19-20.

[4]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.

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[6]吴建锋，陈金桂，徐晓虹.利用废陶瓷制备陶瓷透水砖的研究[J]武汉理工大学学报，2009，31（19）：27-30.

[7]吴本英，周锡武，李思林.不同掺量废弃陶瓷混凝土的坍落度和强度试验研究[J].硅酸盐通报，2014，33（2）：381-387.

[8]张士萍，邓敏，吴建华.孔结构对混凝土抗冻性的影响[J].武汉理工大学学报，2008，30（6）：56-59.

[9]孔祥明，张珍林.高吸水性树脂对高强混凝土自收缩的减缩机理[J].硅酸盐学报，2014，42（2）：150-155.

Research on mechanical property and durability of ceramic recycled coarse aggregate concrete

SHAO Lianfen，ZHANG Wenzhong
（Architecture Engineering College，Huanghuai University，Zhumadian 463000，China）

Replace natural carpolite with the same amount of waste ceramic aggregate after crushing and screening to prepare ceramic recycled coarse aggregate concrete.The working performance and mechanical properties of ceramic recycled coarse aggregate concrete were tested，the influence of ceramic coarse aggregate content on durability was also discussed in this paper.The results showed that the mobility was reduced，the compressing strength was increased，while the flexural strength was decreased with the increasing of ceramic recycled coarse aggregate replacement rate.Finally，the ceramic recycled coarse aggregate had little effect on the durability of concrete.

ceramic，recycled aggregate，concrete，mechanical property，durability

TU528

A

1001-702X（2016）09-0033-03

河南省科技攻关计划项目（142102310108）；河南省青年骨干教师资助计划项目（2013GGJS-213）

2016-03-09

邵莲芬，女，1974年生，河南驻马店人，副教授，主要从事地质灾害、新型建筑材料、土木结构设计产学研工作。