陶瓷廢料在水泥混凝土路面中的再生應(yīng)用研究

岳愛軍, 韓濤， 譚波， 蔣越

(1.桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院)

眾所周知，中國(guó)是一個(gè)陶瓷生產(chǎn)與使用的大國(guó)。2016年僅廣東佛山一座城市的陶瓷產(chǎn)量高達(dá)400萬t，而廢品率為5%～25%，可見中國(guó)廢棄陶瓷的數(shù)量相當(dāng)可觀，但是就目前來說，中國(guó)對(duì)于廢棄陶瓷的處理仍處于一個(gè)集中堆埋的階段，這不僅對(duì)環(huán)境造成的污染極大，而且也限制了陶瓷行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。對(duì)于道路行業(yè)來說，混凝土是不可或缺的材料，而天然粗骨料作為混凝土的主要成分之一，隨著混凝土需求量增加而增加，但是中國(guó)可取的天然粗骨料資源有限，并不能長(zhǎng)期滿足大量天然粗骨料的需求，長(zhǎng)此以往，混凝土的有關(guān)原料必然會(huì)出現(xiàn)告急，所以，尋求新的再生骨料的研究，勢(shì)在必行。

而近幾年，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)廢棄陶瓷混凝土進(jìn)行研究。程云虹對(duì)陶瓷再生混凝土的可行性進(jìn)行研究，得出結(jié)論，其再生混凝土的抗壓強(qiáng)度雖稍低于原生混凝土，但其3、28 d的平均抗壓強(qiáng)度高于普通混凝土，并且其工作性均符合要求；毋雪梅與丁小蒙通過對(duì)再生骨料與水泥石的黏結(jié)性能研究，得出陶瓷再生粗骨料與水泥有較好的界面黏結(jié)性能；西班牙的C.Medina將衛(wèi)生陶瓷作為陶瓷粗骨料部分替代(15%、20%和25%)天然粗骨料制成陶瓷再生混凝土。研究表明，相比于原生混凝土，陶瓷再生混凝土表現(xiàn)出較好的機(jī)械性能。并且作為再生骨料的陶瓷不會(huì)對(duì)水合過程有任何負(fù)面干擾。除將陶瓷應(yīng)用于混凝土外，嚴(yán)帥帥和孔麗娟通過對(duì)陶?；炷恋难芯浚贸鼋Y(jié)論，隨著陶粒含量的提高，不僅可以增強(qiáng)混凝土的劈拉強(qiáng)度，還對(duì)提高混凝土后期增長(zhǎng)率有積極作用。總的來說，無論從陶瓷再生混凝土還是陶粒再生混凝土來說，將陶瓷這一大類再生材料應(yīng)用于水泥混凝土中是可行的。該文探究陶瓷摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度變化的影響，根據(jù)其力學(xué)性能和工作性能分析廢棄陶瓷再生混凝土在道路應(yīng)用上的可行性，并依據(jù)陶瓷微觀機(jī)理，探究陶瓷與混凝土力學(xué)性能變化規(guī)律的關(guān)系，為陶瓷再生混凝土實(shí)際施工應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原材料及混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

(1) 水泥：采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

(2) 細(xì)骨料：漓江河砂，細(xì)度模數(shù)為2.82，屬于2區(qū)中砂。

(3) 粗骨料：表觀密度為2 771 kg/m2，粒徑為5～20 mm連續(xù)級(jí)配的天然碎石，其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 天然碎石主要技術(shù)指標(biāo)

(4) 廢棄陶瓷：取自陶瓷廠生產(chǎn)過程中的廢棄瓷磚作為原材料，利用破碎機(jī)將其破碎成5～20 mm的再生陶瓷粗骨料，表觀密度為2 271 kg/m2，無堿集料反應(yīng)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足JTG F30-2003《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求，其主要性能指標(biāo)見表2，級(jí)配曲線見圖1。

表2 陶瓷廢料主要技術(shù)指標(biāo)

(5) 水：日常飲用水。

圖1 陶瓷再生粗骨料級(jí)配曲線圖

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

普通混凝土設(shè)計(jì)是確定混凝土中各組成材料質(zhì)量比，由于廢棄陶瓷粗骨料的基本性能與天然碎石粗骨料有顯著差異，在確定廢棄陶瓷混凝土配合比時(shí)，以普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，按照骨料的不同特性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。試驗(yàn)采用的3組水灰比分別為0.38、0.40、0.42，由于陶瓷粗骨料的吸水率與天然骨料吸水率相差不大，故在設(shè)計(jì)配合比時(shí)可以忽略骨料吸水帶來的影響。但由于陶瓷再生粗骨料的表觀密度較小，故在替代天然碎石時(shí)，以材料的表觀密度比來進(jìn)行線性代換。

以抗折強(qiáng)度為5 MPa的混凝土為例，試驗(yàn)采用廢棄陶瓷粗骨料摻量分別為0%、20%、30%、50%、70%、100%的混凝土。設(shè)計(jì)配合比見表3。

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

續(xù)表3

2 力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試

制備立方體試塊測(cè)試陶瓷水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，試件邊長(zhǎng)為150 mm，采用機(jī)械攪拌及機(jī)械振搗成型，成型后在模具上方用保鮮膜封存，在室溫(20±5) ℃靜置24 h后脫模，將脫模后的試塊立即送往恒溫養(yǎng)護(hù)箱分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，養(yǎng)護(hù)條件：溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度95%以上。參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)試驗(yàn)方法測(cè)定陶瓷水泥混凝土抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)過程中采用應(yīng)力控制的加載方法，加載速度為0.7 MPa/s。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)測(cè)得混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度見表4。

2.3 抗折強(qiáng)度測(cè)試

測(cè)試抗折強(qiáng)度采用的試塊尺寸為規(guī)范規(guī)定的150mm×150 mm×550 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸?；炷涟韬臀锊捎脵C(jī)械攪拌及機(jī)械振搗成型，成型后在模具上方用保鮮膜封存，在室溫(20±5 ℃)環(huán)境下靜置24 h后進(jìn)行脫模，將脫模后的混凝土立即送往恒溫養(yǎng)護(hù)箱分別養(yǎng)護(hù)7、28 d，抗折強(qiáng)度的測(cè)定參照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》 相關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)過程中采用應(yīng)力控制的加載方法，加載速度為0.06 MPa/s。

表4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表4

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得混凝土的抗折強(qiáng)度見表5。

表5 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表5

2.5 陶瓷摻量對(duì)強(qiáng)度的影響分析

陶瓷摻量與抗壓、抗折強(qiáng)度的關(guān)系分別如圖2、3所示。

圖2 陶瓷摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 陶瓷摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由圖2、3可得：隨著陶瓷摻量的增加，各個(gè)水灰比混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)為有規(guī)律的波動(dòng)，但整體的趨勢(shì)是隨著陶瓷摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度逐漸增加。

為探究陶瓷摻量影響混凝土強(qiáng)度的機(jī)理，對(duì)陶瓷的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，通過對(duì)陶瓷粉末進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，得出陶瓷的化學(xué)元素含量見表6，對(duì)陶瓷進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)。

利用上述電鏡掃描試驗(yàn)得出的相關(guān)元素含量為限制條件，結(jié)合High Score軟件對(duì)陶瓷的衍射圖譜進(jìn)行分析，得出陶瓷的主要化學(xué)成分見圖4。由圖4可知：陶瓷中含有SiO2、CaCO3、MgCO3、Al2O3、3CaO·Al2O3等。

表6 陶瓷化學(xué)元素含量

圖4 陶瓷衍射圖譜分析結(jié)果

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，碳酸鈣和鋁酸三鈣參與水泥水化的反應(yīng)方程式為：

3CaCO3+31H2O+3CaO·Al2O3→3CaOAl2O3·3CaCO3·31H2O

CaCO3+12H2O+3CaO·Al2O3→3CaOAl2O3·CaCO3·12H2O

相比天然碎石，陶瓷含有碳酸鈣以及鋁酸三鈣，碳酸鈣和鋁酸三鈣在水泥水化反應(yīng)過程中改善水泥石界面結(jié)構(gòu)，并參與水化反應(yīng)，隨著陶瓷摻量的增加，使得上述的化學(xué)反應(yīng)向右進(jìn)行，3CaOAl2O3·CaCO3·12H2O和3CaOAl2O3·3CaCO3·31H2O含量增加，使得混凝土強(qiáng)度增加。因此，廢棄陶瓷再生混凝土的抗壓強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度均隨著陶瓷摻量的增加而增加。除此以外，由于陶瓷的吸水率大于天然碎石，因此在同等水灰比條件下，陶瓷再生混凝土的實(shí)際水灰比要小于原生混凝土，水灰比又是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素之一，在一定范圍內(nèi)水灰比減小，則混凝土強(qiáng)度增加。

但當(dāng)陶瓷摻量為100%其抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度略有降低，這是因?yàn)樘沾傻谋碛^密度小于天然碎石的表觀密度，因此當(dāng)完全采用陶瓷作為粗骨料時(shí)，再生混凝土的表觀密度小于原生混凝土，其抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度也略小于原生混凝土。除此以外，由于廢棄陶瓷是由破碎機(jī)破碎制成的再生粗骨料，其棱角較多，由陶瓷組成的骨架結(jié)構(gòu)空隙率和總表面積較大，所需的砂漿較多，因此，當(dāng)完全采用陶瓷作為粗骨料，且砂率保持不變時(shí)，陶瓷再生混凝土的強(qiáng)度相對(duì)于原生混凝土?xí)兴档汀?/p>

2.6 陶瓷再生混凝土最佳摻量分析

由圖2、3可以看出：廢棄陶瓷再生混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)，在水灰比為0.38時(shí)為最優(yōu)，因此可以得出，廢棄陶瓷再生混凝土的最佳水灰比為0.38。在最佳水灰比的前提下，分析圖2、3，得出在陶瓷摻量為70%時(shí)，陶瓷再生混凝土的抗折及抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，由此可以得出，陶瓷再生混凝土的最佳陶瓷摻量約為70%。

3 混凝土坍落度測(cè)試

3.1 坍落度測(cè)試方法

混凝土采用機(jī)械拌制。投料順序按照粗骨料，細(xì)骨料，水泥，水(徐徐加入)的順序依次加入，全部加料時(shí)間不得超過2 min，依據(jù)GBT 50080-2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，先用水將坍落度桶壁及底板濕潤(rùn)且無明水，然后用小鏟分3次將混凝土拌和物依次加入到坍落度桶內(nèi)，每次加入混凝土后，分別用振搗棒插搗25次，注意振搗時(shí)應(yīng)由邊緣到中心均勻插搗，最后一次插搗完畢后將桶口抹平，然后垂直平穩(wěn)地提起坍落度桶，整個(gè)過程不應(yīng)超過10 s。測(cè)試結(jié)果見表7。

表7 陶瓷摻量對(duì)坍落度的影響

3.2 陶瓷摻量對(duì)坍落度影響分析

由表7可知：混凝土的坍落度隨著陶瓷摻量的增加而降低。主要因?yàn)椋禾沾纱止橇系谋碛^密度小于天然碎石的表觀密度，在砂率保持不變的條件下，混凝土中陶瓷的體積增加，且陶瓷粗骨料是經(jīng)破碎機(jī)破碎而來，表面較為粗糙，棱角較多，導(dǎo)致陶瓷混凝土的和易性降低。另外，陶瓷中含有碳酸鈣和鋁酸三鈣，隨著其含量的增加，混凝土的流動(dòng)性也會(huì)隨之減小，因此混凝土的坍落度隨著陶瓷摻量的增加而減少。結(jié)合JTG F30-2003《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》來看，只有當(dāng)陶瓷完全取代天然碎石時(shí)，陶瓷再生混凝土的坍落度才不符合要求，當(dāng)陶瓷摻量為0～70%時(shí)，陶瓷再生混凝土的坍落度均符合要求。當(dāng)陶瓷摻量為100%時(shí)，在加入減水劑的條件下，陶瓷再生混凝土的流動(dòng)性有所改善，且達(dá)到施工規(guī)范的要求，因此，可以得出結(jié)論，在使用外加劑的前提下，將陶瓷完全替代天然碎石也是可行的。

3.3 陶瓷再生混凝土實(shí)際施工可行性分析

一般在實(shí)際道路施工過程中，不僅對(duì)混凝土的強(qiáng)度有要求，為了達(dá)到施工方便的目的，對(duì)混凝土的坍落度也有一定要求，因此綜合強(qiáng)度與坍落度兩個(gè)因素分析，只要不完全用陶瓷替代天然碎石，陶瓷再生混凝土在理論上能滿足實(shí)際施工的要求，其最佳摻量范圍為50%～70%。

4 結(jié)論

(1) 利用材料的表觀密度比來進(jìn)行線性代換確定陶瓷摻量，通過抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定陶瓷再生混凝土的最佳陶瓷摻量范圍為50%～70%。

(2) 在水灰比保持不變的條件下，陶瓷再生混凝土的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度隨著陶瓷摻量的增加而增加，其主要原因是陶瓷中含有部分碳酸鈣和鋁酸三鈣，在水泥水化反應(yīng)過程中改善水泥石界面結(jié)構(gòu)，從而提高陶瓷再生混凝土的強(qiáng)度。

(3) 混凝土的坍落度明顯隨著陶瓷摻量的增加而降低，在不使用外加劑的條件下，陶瓷摻量不宜超過70%。

(4) 結(jié)合混凝土的強(qiáng)度與流動(dòng)性，陶瓷再生混凝土的最佳陶瓷摻量為50%～70%。

(5) 綜合陶瓷再生混凝土的力學(xué)強(qiáng)度和其工作性能，將陶瓷再生混凝土應(yīng)用于路面是可行的。