再生陶瓷骨料透水混凝土抗压强度及透水性研究

姜洪坤，李瑶，魏东岳，赵洪瑞，王之川

再生陶瓷骨料透水混凝土抗压强度及透水性研究

姜洪坤，李瑶，魏东岳，赵洪瑞，王之川

（沈阳理工大学 材料科学与工程学院， 辽宁 沈阳 110168）

为节省天然优质骨料的消耗，同时提高废弃陶瓷利用率，本试验使用再生陶瓷骨料等取代天然骨料，研究再生骨料取代率、水灰比及目标孔隙率对再生陶瓷骨料透水混凝土的抗压强度和透水系数的影响。并使用改性剂对再生陶瓷骨料预处理。结果表明：随着取代率的提升，抗压强度不断降低，透水系数相差不大。随着水灰比的增加，抗压强度呈先增加后减小的趋势，透水系数相差不大，但水灰比大于0.4时数值较低。随着目标孔隙的提升，抗压强度不断减小，透水系数不断变大。试验最优方案为：取代率为40%，水灰比为0.35，孔隙率为15%，此时试件性能较好。

废弃陶瓷； 取代率； 骨料表面改性； 抗压强度； 透水系数

我国经济的快速发展，导致城镇化进程不断加快，使大面积自然透水的地表变成不透水的硬化地面，各种广场，道路面积不断增大。但其表层大多都用透水性较差的材料，缺少渗透雨水的能力，一定程度上影响了生态环境。透水混凝土是指用于地面铺装，能满足路面施工性能的多孔混凝土。是一种有利于保护地下水资源，改进城市小生态的环保友好型混凝土。与普通混凝土相比，其具有透水性好，透气性好等优点[1-3]。但因具有多孔结构，其抗压强度等力学性能相比于其他普通混凝土相差较大，并且裸露的空隙容易被各种物质堵塞[4-6]，造成其使用期限不长。同时我国未实现工业化生产和大型机械的高效，全机械化施工，目前仍以现场制备为主，这都使透水混凝土并未得到广泛应用。

我国陶瓷工艺具有悠久历史，且产量多年稳定位于世界第一，生产和消耗陶瓷数量更是接近全球用量的五成[7-8]，而大量陶瓷次级品需粉碎后重新烧制，这不仅消耗了过多能源，也增加了制作的成本。同时，大量陶瓷废弃物大多采用掩埋和堆积的方式处理。但陶瓷制品化学性质稳定，不降解，这加剧了环境污染，也占据了大量土地资源。因此很多学者着重研究废弃陶瓷的再次利用，目前为止，其可作为再生骨料循环利用[9-11]，也可用于制备矿物掺合料[12-14]。

近几年，再生陶瓷骨料透水混凝土的研究主要集中于其制备工艺、力学及物理性能。本试验采用体积法设计配合比，制备了多组不同废弃陶瓷取代率，水灰比，目标孔隙率的透水混凝土，并测试各组抗压强度和透水系数。

1 实验部分

1.1 试验原料

1.1.1 水泥

水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。性能如表1。

表1 水泥性能指标

1.1.2 骨料

粗骨料为碎石经破碎后，再挑选出符合试验要求的粒径，用水清洗后烘干。为保证能形成有效空隙，本次试验粒径定为10~20 mm。并且一部分骨料由相同粒径的陶瓷碎片来代替，取代率分别为20%、30%、40%、50%和60%。碎片来源于日用或废弃瓷器，经破碎后筛分。混合骨料性能指标如表2。

表2 不同取代率骨料技术参数

1.1.3 水

水取自沈阳市用自来水。

1.2 配合比设计

使用正交试验分析的方法，通过大量预先准备试验，并结合实际经济情况，确定本试验最佳水灰比为0.35，废弃陶瓷最佳取代率为40%，最佳目标孔隙率P定为15%。配合比设计采用体积法，即各组分原料与各自密度的比值和目标孔隙率相加值后为1。为探究不同取代率，不同水灰比以及不同目标孔隙率对透水混凝土的性能影响，结合混合骨料技术参数，计算出配合比如表3。需要指出，由于不同取代率再生骨料空隙率不同，当水灰比、目标孔隙率相同时，每配制1 m3透水混凝土所使用的再生骨料质量稍有不同，如表3组A。

1.3 抗压强度测试

透水混凝土抗压强度的测定采用普通混凝土的测定方法，但透水混凝土的承压面积与普通混凝土不同。普通混凝土的承压面积即其外形尺寸，但透水混凝土表面存在很多孔隙，并且这些孔隙并不承受压力，使实验数据低于实际值。因此，其承压面积用试件外形面积乘密实度获得。其公式为：

其中:f—透水混凝土立方体试件的抗压强度，MPa；

—透水混凝土破坏荷载，N；

—透水混凝土承压面积，mm2；

—透水混凝土表面密实度，%。

测量B首先对试件表面拍照，之后对图片进行黑白二值化处理，计算出非空隙部分面积，分析出其占总表面积的百分比，此数值即为试件表面密实度。此过程对设备要求较高，步骤较为繁琐，因此透水混凝土抗压强度的测量普遍采用一般混凝土的测量方法。

表3 不同条件下透水混凝土配合比

1.4 透水系数测量

国内透水混凝土的标准中要求的测量方法为常水头法和落水头法。试验采用常水头法，即保持水压固定不变，通过一定时间内透过试件的水量来计算出透水系数。

试验使用北京耐尔仪器设备有限公司NELD- PC370型透水系数测试仪来测量，其原理与常水头法相同。

1.5 骨料改性处理

由于试验部分骨料由废弃陶瓷碎片代替，陶瓷脆性大，受压易碎易裂[15]，因此骨料压碎指标较高，其性能指标低于天然优质骨料。针对此现状，为提升透水混凝土性能，决定使用10%浓度的KH-570型硅烷偶联剂对再生骨料浸泡6 h，对其进行改性处理[16]。

2 试验结果及分析

2.1 取代率对再生骨料透水混凝土性能的影响

随着废弃陶瓷取代率的提升，再生骨料技术参数有所不同。此外，由于废弃陶瓷表面存在一层釉，其表面与陶瓷断面和石子相比更为光滑，光滑的表面与浆体接触面积较小，裹浆不充分，胶结能力较差，因此试件力学性能较差。此外，与天然骨料相比，废弃陶瓷内部并没有连通或半连通孔隙，对透水性能也有轻微的影响。

2.1.1 取代率对再生骨料透水混凝土抗压强度的影响

当水灰比为0.35，目标孔隙率为15%，不同取代率下的抗压强度分布如图1。

图1 取代率与抗压强度关系图

如图1，随着取代率的提升，抗压强度呈不断下降趋势。取代率为20%时，强度最高达到17.8 MPa，当取代率超过40%时，抗压强度下降较明显，并在60%时降到最低点9.2 MPa，难以达到工程要求，没有实用价值。取代率为40%时抗压强度达到了15.4 MPa，相比于取代率为30%的试件下降0.8 MPa，下降幅度不大，而相比于取代率50%的试件则提升了4.7 MPa，有较大幅度的提升，因此结合试验数据综合考虑，试验最佳取代率仍为初定的40%，其可应用于人行路面面层透水混凝土，且具有较大的经济效应。

通过对破坏样品的观察，发现部分各骨料胶结之处已经裂开，并且部分陶瓷骨料已被压碎，这与废弃陶瓷自身力学性能有关，而随着取代率不断提升，陶瓷含量提升，再生骨料压碎指标上升。此外，废弃陶瓷表面比较光滑，比表面积也较小，与水泥浆体接触面积也较小，胶凝材料黏结能力也因此下降，故抗压强度较低。

2.1.2 取代率对再生骨料透水混凝土透水系数的影响

如图2为当水灰比为0.35，目标孔隙率为15%，不同取代率下的透水系数分布。

图2可知，不同取代率下透水系数相差不大。透水系数和孔隙率之间的相关性很强，孔隙率越高透水系数越大，目标孔隙率均为15%,所以各组结果变化范围不大，最大差值仅有0.15。透水混凝土的透水性能主要来源于骨料之间的连通和半连通孔隙，与骨料自身性能指标关联性并不大。

图2 取代率与透水系数关系图

2.2 水灰比对再生骨料透水混凝土性能的影响

水灰比的高低会直接影响试件性能[17-18]。水灰比较低时，由于含水量较少，水泥水化反应不充分，胶结能力较差，宏观上表现为力学性能较差[19-20]。水灰比较高时，水泥浆体含量较高，流动性大，可能会堵塞小部分连通和半连通孔隙，会增强其力学性能，降低其透水性能。但水灰比过大，流动性过大，试件内部并不均匀，出现离析现象，性能反而下降。

2.2.1 水灰比对再生骨料透水混凝土抗压强度的影响

取代率为40%，孔隙率为15%，更改水灰比后，再用相同原料工艺制备试样，测试其抗压强度，数据如图3。

图3 水灰比与抗压强度关系图

由图3知，水灰比的高低对试件力学性能有重要意义，若水灰比过低，则水泥浆体含量较低，很难完全均匀包裹所有骨料，造成骨料之间的胶结能力大幅下降，本试验水灰比小于0.35时，抗压强度较低，难以达到工程要求，0.25时仅为10.7 MPa。而水灰比过高，则会使水泥浆体过剩，多余浆体在制备或养护过程中容易沉积在试件底部，发生沉浆现象，使透水混凝土内部并不均匀稳定，在受压时骨料相互咬合处容易分离。当水灰比大于0.35时，抗压强度较低，在0.45时达到试验最低值9.5 MPa。

结合数据分析，当水灰比为0.35时，水泥浆体含量适中，包裹骨料效果较好，且没有离析，沉浆的现象，同时，考虑到试验骨料粒径为10~20 mm，比表面积较小，因此与水泥浆接触面积也较小，骨料相互咬合不足，水泥浆需要较好的流动性，因此本试验水灰比数值也应偏高。

2.2.2 水灰比对再生骨料透水混凝土透水系数的影响

不同水灰比时透水系数的试验结果如图4。

图4 水灰比与透水系数关系图

由于目标孔隙率均为15%，结果差距不大，但由于水灰比不同，骨料之间的胶结情况略有不同，这影响了试件内部连通和半封闭孔隙的形成，水灰比越大，试件内部孔隙发生堵塞的可能性越大，这会降低其透水性能。当水灰比大于0.35时，透水系数均低于前几组试验结果，而在水灰比小于0.35时，透水系数差值很小，但总体来说数值差距并不大不超过0.3，且试件透水系数均能达到施工要求，因此，当取代率，目标孔隙率相同时，水灰比对试件透水性能影响并不显著。

2.3 目标孔隙率对再生骨料透水混凝土性能的影响

取代率为40%，水灰比为0.35，为探究不同目标孔隙率对试件的影响，更改目标孔隙率，测试试件性能。

图5，图6表明，目标孔隙率的高低是影响透水混凝土性能的重要因素[21-22]，目标孔隙率越大，骨料之间连通和半封闭孔隙越多，胶结能力较弱，受压时内部结构易损坏，抗压强度较低，孔隙率为10%时，抗压强度为本次试验最大值20.7 MPa，而孔隙率为25%时，抗压强度仅为9.7 MPa，没有实际使用价值，抗压强度下降明显。此外，试件透水系数与孔隙率有很强的相关性，目标孔隙率越高透水系数越大，最高为2.17 mm/s，此时过水面积明显变大，宏观透水效果也越明显，水流量和流速都较大。

图6 目标孔隙率与透水系数关系图

2.4 骨料改性处理对再生骨料透水混凝土性能影响

为进一步提升试件力学性能，试验采用浓度为10%的KH-570型硅烷偶联剂对再生骨料进行改性处理，浸泡6 h后，取最佳水灰比0.35，最佳目标孔隙率15%制成试件。如图7、图8。

本试验选取的骨料粒径偏大，骨料之间相互咬合力较低，而且废弃陶瓷在运输，破碎过程中可能产生微裂纹，这都影响了再生骨料的性能指标。而骨料强化后，不同取代率试件抗压强度均有小幅度提升，当取代率为40%时，抗压强度为16.1 MPa，比强化前高0.7 MPa。

图7 强化前后抗压强度对比图

图8 强化前后透水系数对比图

再生骨料改性后，其压碎指标会有一定程度降低，骨料本身力学性能有所改善。透水混凝土的抗压强度主要源于骨料之间相互咬合和骨料与胶凝材料界面结合强度，对骨料改性处理能改善界面结合状态，其表面会形成薄膜，让骨料之间更好的黏结，提升其力学性能，但总体来说，强化效果一般。但透水系数并没有太大的提升。骨料改性处理虽改善了界面结合状态，但并没有大幅度提升试件内部的连通或半连通孔隙，因此试验结果和强化前数据比较接近。

3 结 论

本文研究了再生骨料取代率，水灰比，目标孔隙率及骨料改性对再生陶瓷骨料透水混凝土的抗压强度及透水系数的影响，得到主要结论如下：

（1）随着取代率的上升，再生骨料性能指标下降，透水混凝土抗压强度不断降低，最低降至9.2 MPa，透水系数相差不大，均能满足施工要求。试验最佳取代率为40%，此时抗压强度为15.4 MPa，强度较好。

（2）随着水灰比不断提升，抗压强度先提升后下降，水灰比为0.35时达到最大值15.4 MPa。水灰比为0.45时透水系数最低，但相差不大，均能满足施工要求。

（3）随着目标孔隙率不断提升，抗压强度不断下降，最低降至9.7 MPa，透水系数不断提升，最高为2.17 mm/s。

（4）使用KH-570型硅烷偶联剂对再生骨料进行改性处理有一定效果，抗压强度提升5%左右，对透水系数的提升并没有显著的影响。

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Study on Compressive Strength and Water Permeability of Recycled Ceramic Aggregate Permeable Concrete

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（School of Materials Science and Engineering, Shenyang Ligong University, Liaoning Shenyang 110168, China）

In order to save the consumption of natural high quality aggregate and improve the utilization rate of waste ceramics, recycled ceramic aggregate was used to replace natural aggregate in this experiment. The effect of recycled aggregate substitution rate, water-cement ratio and target porosity on the compressive strength and permeability coefficient of recycled ceramic aggregate permeable concrete was studied. The recycled ceramic aggregate was pretreated with modifier. The results showed that with the increase of substitution rate, the compressive strength decreased, and the permeability coefficient had little difference; With the increase of water-cement ratio, the compressive strength increased first and then decreased, and the permeability coefficient had little difference, but the value was lower when the water-cement ratio washigher than 0.4; With the increase of target porosity, the compressive strength decreased and the permeability coefficient increased. The optimum scheme was determined as follows: the substitution rate 40%, the water-cement ratio 0.35, and the porosity 15%. Under above conditions, the performance of the specimen was better.

waste ceramic; substitution rate; surface modification of aggregate; compressive strength; permeability coefficient

沈阳理工大学创新创业项目（201810144011）。

2019-12-16

姜洪坤（1998-），男，辽宁省大连市人，研究方向：无机非金属材料工程专业。

李瑶（1983-），女，讲师，博士，研究方向：废弃物的资源化利用。

TQ 178

A

1004-0935（2020）03-0227-06