碎陶瓷废料对混凝土路面性能影响研究

摘 要：陶瓷在建筑业中的使用广泛，导致建筑物寿命结束和拆除过程中会产生大量陶瓷废料，对环境造成负面影响。文章采用废旧陶瓷被粉碎和颗粒化替代路面混凝土混合料中骨料，测试路面混凝土拌合物抗压和抗折强度。结果表明：（1）15%的碎陶瓷掺量可提高碾压混凝土路面的耐磨性，而30%的掺量会降低不同龄期碾压混凝土的抗压和抗折强度。（2）使用二阶非线性回归法得出了碎陶瓷抗压强度和耐磨性之间的关系，用碎石陶瓷替代 18.95% 的骨料重量，抗压强度和耐磨率分别为 29.36 MPa和2.10%。

关键词：陶瓷废料；抗弯强度；路面；碾压混凝土路面；断裂能；耐磨性

1 前言

全球工业废料的增加引发了许多环境问题，同时也需要生产新材料，这促使人们采用回收工厂废料的方式。碾压混凝土路面是一种接缝素混凝土路面，因其施工简便，不需要使用钢材，在全球许多国家得到广泛应用[1]。与传统混凝土路面和钢筋混凝土路面相比，碾压混凝土路面的表面由于养护类型和低坍落度的原因，损坏的可能性更大[2]。

近年来，研究人员和建筑行业对在混凝土中利用废弃物替代水泥骨料的做法产生了关注[3]。研究已经使用陶瓷废料和纤维在生产混凝土时作为混合料，以及使用粉末和碎瓷砖在生产预拌混凝土时作为混合料。本文通过实验分析碾压混凝土混合料中使用碎陶瓷对混凝土的力学性能，包括抗压和抗折强度。此外，评估了使用陶瓷废料生产的混凝土的孔隙结构。

2 试验

测试包括立方体样本在 3、7 和 14 天龄期的抗压强度，以及混凝土样本的抗折强度。同时进行了吸水率（干拌和新拌混凝土）和使用超声波法的弹性模块测试。替代碎陶瓷的建议含量为 15%和 30%，有三种不同的颗粒级配。混凝土路面中使用的粒度是根据 ASTM 混合设计规范确定的。表 1 列出了根据国家规定和以往规范制定的石料配比。用于制作样品的水灰比和水泥骨料比分别为35%和 25%。样品编码在字母 "C "之后，是废陶瓷含量的质量百分比。

15 cm的立方体样品和 10cm×10cm×35 cm的抗弯梁样品分别用于抗压强度和抗弯试验。直径为 5 cm、长度为 15 cm的圆柱形样品按照 E-2045 标准的旋转磨损试验进行磨损试验。样品固化 14 天后进行强度测试。在本研究中，为了调查含有回收碎陶瓷的混凝土的耐磨性，制作并测试了 18 个混凝土样本。这些样品用于测量抗压、抗弯、耐磨和耐摩擦性能，如表 1 所示。

由于骨料约占混凝土体积的 75%-85%，因此在碾压混凝土中选择骨料至关重要。碾压混凝土对骨料的规定与传统混凝土相同。碾压混凝土中骨料的最大粒径对薄层的密实度有很大影响，但对较厚层的影响可以忽略不计。在路面碾压混凝土中，不建议使用粒径超过25.4mm的骨料，因为使用粗骨料很难为路面铺设出相对光滑的表面。

替代碎陶瓷材料由工厂的碎陶瓷制备而成。大块陶瓷在实验室里用压实锤完全压碎。首先，用筛子对粉碎的陶瓷进行分离和分级，使其规格和尺寸保持一致。表2列出了样品的化学成分。

由于碾压混凝土含水量较少，流动性较之传统路基混凝土较差，因此在制作碾压混凝土样品时采用的方法与传统方法不同。在试样压实法中，根据ASTM标准，碾压混凝土试样被放置在模具中，并在高架和层重的作用下在振动台上进行压实。样品通过压实锤分五层进行压实和制备。使用压实锤进行压实更接近真实密度，因此本研究选择了这种方法。15cm×15cm×15cm的样品和 10cm×10cm×35cm的抗弯梁样品用于评估抗压和抗弯强度。根据 ASTM-C78标准，压缩试验在3000kN液压试验机中进行。然后，将样品从模具中取出，在水中放置 3、7 和 14 天。

立方体样品的尺寸为 150 mm，分三层填充，每层用木棍压实 25 次。此外，作为一种替代方法，这些混凝土立方体也可以用振动器压实。不过，由于混凝土试样是碾压混凝土类型，含水量比其他样本少，因此混凝土模每层要压实25次，以防止混凝土中产生气穴和蜂窝。

由于在该试验中，骨料的最大标称尺寸为 19 mm，因此使用尺寸为15cm的立方体样品。由于强度取决于加载速率，对于液压千斤顶，样品必须以 0.15 -0.35MPa/s之间的可控速率承受加载；另一方面，对于机械千斤顶，位移加载速率必须限制在1mm/min。加载一直持续到试件破坏，并记录最大承载力。

无裂纹对混凝土结构的维护和耐久性至关重要，可起到维护钢筋和防止钢筋锈蚀的作用。由于对混凝土试样施加轴向拉伸比较困难，因此混凝土抗拉强度是通过弯曲试验和巴西试验间接测定的。这些方法预测的强度高于轴向拉伸荷载下的实际强度。在抗弯强度试验中，研究梁下部轴线产生的最大理论拉伸称为断裂模量，用于设计公路和机场路面。该测试由ASTM C78标准推荐。

英国摆数（BPN）是表示摩擦阻力的路面表面抗滑指数。采用ASTM E404标准用于计算这种阻力。本次测试使用了6.35cm×6.35cm×25.4cm的样本，滑块的移动路径长度为12.5cm，样本表面经过清洁和润湿。

骨料磨损值测试（Dorry试验）用于测量骨料表面耐磨损的能力。该机器有一个直径为60cm的圆盘。磨料以7-900g/min的速度插入三个样本中，测试根据EN1097-8标准进行。总磨耗值是材料表面重量和测试后重量在材料磨耗极限内的初始重量之差。

3 实验结果

混凝土样品抗压强度的变化可以归因于混凝土中集料的形状和强度。由于陶瓷废料骨料的断裂率较高，因此吸水率较低、刚度较高。观察发现，随着碎陶瓷含量的减少，抗压强度逐渐增加。当废料含量达到15%时，由于废骨料含量增加以及瓷砖吸水导致缺乏足够的水进行水化反应，样品的合格率开始降低。图1展示了强度变化的一个例子。单轴拉伸模式下，浆体内部裂缝的产生和发展所需的能量较低。混凝土断裂的主要因素是快速增长和裂缝系统之间的关系，包括传输区域的裂缝和浆体内部的新裂缝。相比之下，在压缩模式下，样品的断裂脆性略低于弯曲模式，因为浆体内部产生和扩展裂缝所需的能量更多。基本上，对于中低强度的混凝土，普遍认为在单轴压力试验中，应力小于断裂应力的50%时，不会出现新的裂缝。

粗集料周围会形成稳定的裂缝系统，被称为剪切连续性裂缝。当受到较大的应力时，浆料中会产生新的裂缝，随着应力的增加，裂缝也会迅速增加。裂缝存在于浆料中，并最终连接成与荷载方向成20至30度角的断裂。由于一些碎陶瓷中釉料的存在，这一侧碎陶瓷的渗透性很低，因此过渡区变得脆弱，大多数裂缝都是从这一区域开始形成的。因此，使用更高比例的碎陶瓷会导致剪切连续性裂纹的数量增加，从而对试样的断裂产生更大的影响。

根据试验结果，样品抗压强度的变化可归因于混凝土中骨料的形状和强度。由于陶瓷废料骨料有一些断裂，因此吸水性小，刚度高。据观察，随着碎陶瓷比例的增加，抗压强度最多可增加 15%。随着废骨料含量的进一步增加，由于瓷砖吸水导致缺乏足够的水进行水化反应，样品的合格率降低。

混凝土断裂的主要因素是裂缝系统的快速增长和裂缝系统之间的关系，其中包括传输区域内的裂缝和浆体内部的新裂缝。在压缩模式下，样品断裂的脆性低于弯曲模式，因为在浆体内部产生和扩展裂缝需要更多的能量。样品在施加荷载时的断裂情况显示，对于中低等强度的混凝土，在单轴压力试验中，当应力小于断裂应力的 50%时，不会出现新的裂缝。在这一阶段，粗集料附近存在一个稳定的裂缝系统，称为剪切连续性裂缝。当应力较大时，浆料中会产生新的裂缝，随着应力的增加，裂缝也会迅速增加。浆料中存在的裂缝和过渡区域（剪切连续裂缝）最终连接在一起，形成与荷载方向成 20 至 30 度角的断裂。由于一些碎陶瓷中存在釉料，而这一侧碎陶瓷的渗透性非常低，因此过渡区过于薄弱，大多数裂缝都是从这一区域开始的。因此，使用的碎陶瓷比例越高，剪切连续性裂纹的数量就越多，对样品断裂的影响也就越大。

样本的抗弯强度是路面设计中使用的参数之一。抗弯强度越高，混凝土路面的疲劳寿命越长，开裂时间也越晚。这一指标用于设计混凝土路面。图2显示了不同混合物在三个不同时期的抗折强度。从图中可以看出，含有碎陶瓷废料的混合料具有更高的抗折强度。此外，图中还显示了样品在施加荷载时的断裂情况。

英国摆锤试验（BPN）是表示摩擦阻力的路面表面抗滑指数。为了测量这一阻力，对样品采用了与前述试验相同的测试条件。图3展示了不同比例陶瓷废料的磨损结果。

采用Dorry试验来评估耐磨性。当使用碎陶瓷时，摩擦磨损降低了。在样品中添加 15%的陶瓷后，表面摩擦率降低了，这是因为添加了表面光滑的骨料（碎陶瓷）。与含有 15% 碎陶瓷的样品相比，含有 30% 碎陶瓷的样品具有更好的耐磨性。这可能是由于水泥与碎陶瓷基质的粘结力较强，碎陶瓷的抗磨刚度较高；在瓷砖和陶瓷生产行业中，产品必须具有较高的耐磨性。Dorry 测试结果见图4。

抗压强度和耐磨性这两项指标用于确定碎陶瓷的最佳比例。这些指标是碾压混凝土样品的主要规格。由于前面提到的两个指标有不同的测量单位，因此使用了坐标轴上的标准化值。标准化公式如下：

其中Xn代表归一化标准值，Xi为抗压强度或耐磨性指标，其单位为MPa，Xmax和Xmin分别为对应指标中最大值及最小值。

4 结论

在当今世界，管理工业废物是保护环境的一种方式。本文根据对陶瓷废料进行的测试，确定了碾压混凝土的强度和耐磨性，结果如下：

（1）随着碎陶瓷废料含量的增加，强度先增加，然而，随着碎陶瓷的进一步添加（超过 15%），碾压混凝土样品的抗压强度会降低。

（2）考虑到降低成本、保护环境、废物管理以及增强 碾压混凝土 样品的机械性能和耐磨性能，在不同条件下使用碎陶瓷废料是一项可持续发展的行动。

参考文献

[1]廖晓飞.不同石粉掺量对碾压混凝土性能的影响分析[J].黑龙江水利科技，2023，51（03）：45-48.

[2]晏一龙.碾压混凝土用道路再生骨料的使用[J].建筑机械，2021（10）：13-15.

[3]孙剑.基于宁化道路实例的废旧水泥混凝土再生应用研究[J].建材与装饰，2019（08）：272-273.