再生陶瓷骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度及透水性研究

姜洪坤，李瑤，魏東岳，趙洪瑞，王之川

再生陶瓷骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度及透水性研究

姜洪坤，李瑤，魏東岳，趙洪瑞，王之川

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168）

為節(jié)省天然優(yōu)質(zhì)骨料的消耗，同時(shí)提高廢棄陶瓷利用率，本試驗(yàn)使用再生陶瓷骨料等取代天然骨料，研究再生骨料取代率、水灰比及目標(biāo)孔隙率對(duì)再生陶瓷骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響。并使用改性劑對(duì)再生陶瓷骨料預(yù)處理。結(jié)果表明：隨著取代率的提升，抗壓強(qiáng)度不斷降低，透水系數(shù)相差不大。隨著水灰比的增加，抗壓強(qiáng)度呈先增加后減小的趨勢(shì)，透水系數(shù)相差不大，但水灰比大于0.4時(shí)數(shù)值較低。隨著目標(biāo)孔隙的提升，抗壓強(qiáng)度不斷減小，透水系數(shù)不斷變大。試驗(yàn)最優(yōu)方案為：取代率為40%，水灰比為0.35，孔隙率為15%，此時(shí)試件性能較好。

廢棄陶瓷； 取代率； 骨料表面改性； 抗壓強(qiáng)度； 透水系數(shù)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，使大面積自然透水的地表變成不透水的硬化地面，各種廣場(chǎng)，道路面積不斷增大。但其表層大多都用透水性較差的材料，缺少滲透雨水的能力，一定程度上影響了生態(tài)環(huán)境。透水混凝土是指用于地面鋪裝，能滿足路面施工性能的多孔混凝土。是一種有利于保護(hù)地下水資源，改進(jìn)城市小生態(tài)的環(huán)保友好型混凝土。與普通混凝土相比，其具有透水性好，透氣性好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但因具有多孔結(jié)構(gòu)，其抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能相比于其他普通混凝土相差較大，并且裸露的空隙容易被各種物質(zhì)堵塞[4-6]，造成其使用期限不長(zhǎng)。同時(shí)我國(guó)未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和大型機(jī)械的高效，全機(jī)械化施工，目前仍以現(xiàn)場(chǎng)制備為主，這都使透水混凝土并未得到廣泛應(yīng)用。

我國(guó)陶瓷工藝具有悠久歷史，且產(chǎn)量多年穩(wěn)定位于世界第一，生產(chǎn)和消耗陶瓷數(shù)量更是接近全球用量的五成[7-8]，而大量陶瓷次級(jí)品需粉碎后重新燒制，這不僅消耗了過(guò)多能源，也增加了制作的成本。同時(shí)，大量陶瓷廢棄物大多采用掩埋和堆積的方式處理。但陶瓷制品化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不降解，這加劇了環(huán)境污染，也占據(jù)了大量土地資源。因此很多學(xué)者著重研究廢棄陶瓷的再次利用，目前為止，其可作為再生骨料循環(huán)利用[9-11]，也可用于制備礦物摻合料[12-14]。

近幾年，再生陶瓷骨料透水混凝土的研究主要集中于其制備工藝、力學(xué)及物理性能。本試驗(yàn)采用體積法設(shè)計(jì)配合比，制備了多組不同廢棄陶瓷取代率，水灰比，目標(biāo)孔隙率的透水混凝土，并測(cè)試各組抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

1.1.1 水泥

水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。性能如表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

1.1.2 骨料

粗骨料為碎石經(jīng)破碎后，再挑選出符合試驗(yàn)要求的粒徑，用水清洗后烘干。為保證能形成有效空隙，本次試驗(yàn)粒徑定為10~20 mm。并且一部分骨料由相同粒徑的陶瓷碎片來(lái)代替，取代率分別為20%、30%、40%、50%和60%。碎片來(lái)源于日用或廢棄瓷器，經(jīng)破碎后篩分?；旌瞎橇闲阅苤笜?biāo)如表2。

表2 不同取代率骨料技術(shù)參數(shù)

1.1.3 水

水取自沈陽(yáng)市用自來(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

使用正交試驗(yàn)分析的方法，通過(guò)大量預(yù)先準(zhǔn)備試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況，確定本試驗(yàn)最佳水灰比為0.35，廢棄陶瓷最佳取代率為40%，最佳目標(biāo)孔隙率P定為15%。配合比設(shè)計(jì)采用體積法，即各組分原料與各自密度的比值和目標(biāo)孔隙率相加值后為1。為探究不同取代率，不同水灰比以及不同目標(biāo)孔隙率對(duì)透水混凝土的性能影響，結(jié)合混合骨料技術(shù)參數(shù)，計(jì)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，當(dāng)水灰比、目標(biāo)孔隙率相同時(shí)，每配制1 m3透水混凝土所使用的再生骨料質(zhì)量稍有不同，如表3組A。

1.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

透水混凝土抗壓強(qiáng)度的測(cè)定采用普通混凝土的測(cè)定方法，但透水混凝土的承壓面積與普通混凝土不同。普通混凝土的承壓面積即其外形尺寸，但透水混凝土表面存在很多孔隙，并且這些孔隙并不承受壓力，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)低于實(shí)際值。因此，其承壓面積用試件外形面積乘密實(shí)度獲得。其公式為：

其中:f—透水混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；

—透水混凝土破壞荷載，N；

—透水混凝土承壓面積，mm2；

—透水混凝土表面密實(shí)度，%。

測(cè)量B首先對(duì)試件表面拍照，之后對(duì)圖片進(jìn)行黑白二值化處理，計(jì)算出非空隙部分面積，分析出其占總表面積的百分比，此數(shù)值即為試件表面密實(shí)度。此過(guò)程對(duì)設(shè)備要求較高，步驟較為繁瑣，因此透水混凝土抗壓強(qiáng)度的測(cè)量普遍采用一般混凝土的測(cè)量方法。

表3 不同條件下透水混凝土配合比

1.4 透水系數(shù)測(cè)量

國(guó)內(nèi)透水混凝土的標(biāo)準(zhǔn)中要求的測(cè)量方法為常水頭法和落水頭法。試驗(yàn)采用常水頭法，即保持水壓固定不變，通過(guò)一定時(shí)間內(nèi)透過(guò)試件的水量來(lái)計(jì)算出透水系數(shù)。

試驗(yàn)使用北京耐爾儀器設(shè)備有限公司NELD- PC370型透水系數(shù)測(cè)試儀來(lái)測(cè)量，其原理與常水頭法相同。

1.5 骨料改性處理

由于試驗(yàn)部分骨料由廢棄陶瓷碎片代替，陶瓷脆性大，受壓易碎易裂[15]，因此骨料壓碎指標(biāo)較高，其性能指標(biāo)低于天然優(yōu)質(zhì)骨料。針對(duì)此現(xiàn)狀，為提升透水混凝土性能，決定使用10%濃度的KH-570型硅烷偶聯(lián)劑對(duì)再生骨料浸泡6 h，對(duì)其進(jìn)行改性處理[16]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 取代率對(duì)再生骨料透水混凝土性能的影響

隨著廢棄陶瓷取代率的提升，再生骨料技術(shù)參數(shù)有所不同。此外，由于廢棄陶瓷表面存在一層釉，其表面與陶瓷斷面和石子相比更為光滑，光滑的表面與漿體接觸面積較小，裹漿不充分，膠結(jié)能力較差，因此試件力學(xué)性能較差。此外，與天然骨料相比，廢棄陶瓷內(nèi)部并沒(méi)有連通或半連通孔隙，對(duì)透水性能也有輕微的影響。

2.1.1 取代率對(duì)再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)水灰比為0.35，目標(biāo)孔隙率為15%，不同取代率下的抗壓強(qiáng)度分布如圖1。

圖1 取代率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

如圖1，隨著取代率的提升，抗壓強(qiáng)度呈不斷下降趨勢(shì)。取代率為20%時(shí)，強(qiáng)度最高達(dá)到17.8 MPa，當(dāng)取代率超過(guò)40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降較明顯，并在60%時(shí)降到最低點(diǎn)9.2 MPa，難以達(dá)到工程要求，沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。取代率為40%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到了15.4 MPa，相比于取代率為30%的試件下降0.8 MPa，下降幅度不大，而相比于取代率50%的試件則提升了4.7 MPa，有較大幅度的提升，因此結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合考慮，試驗(yàn)最佳取代率仍為初定的40%，其可應(yīng)用于人行路面面層透水混凝土，且具有較大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

通過(guò)對(duì)破壞樣品的觀察，發(fā)現(xiàn)部分各骨料膠結(jié)之處已經(jīng)裂開，并且部分陶瓷骨料已被壓碎，這與廢棄陶瓷自身力學(xué)性能有關(guān)，而隨著取代率不斷提升，陶瓷含量提升，再生骨料壓碎指標(biāo)上升。此外，廢棄陶瓷表面比較光滑，比表面積也較小，與水泥漿體接觸面積也較小，膠凝材料黏結(jié)能力也因此下降，故抗壓強(qiáng)度較低。

2.1.2 取代率對(duì)再生骨料透水混凝土透水系數(shù)的影響

如圖2為當(dāng)水灰比為0.35，目標(biāo)孔隙率為15%，不同取代率下的透水系數(shù)分布。

圖2可知，不同取代率下透水系數(shù)相差不大。透水系數(shù)和孔隙率之間的相關(guān)性很強(qiáng)，孔隙率越高透水系數(shù)越大，目標(biāo)孔隙率均為15%,所以各組結(jié)果變化范圍不大，最大差值僅有0.15。透水混凝土的透水性能主要來(lái)源于骨料之間的連通和半連通孔隙，與骨料自身性能指標(biāo)關(guān)聯(lián)性并不大。

圖2 取代率與透水系數(shù)關(guān)系圖

2.2 水灰比對(duì)再生骨料透水混凝土性能的影響

水灰比的高低會(huì)直接影響試件性能[17-18]。水灰比較低時(shí)，由于含水量較少，水泥水化反應(yīng)不充分，膠結(jié)能力較差，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能較差[19-20]。水灰比較高時(shí)，水泥漿體含量較高，流動(dòng)性大，可能會(huì)堵塞小部分連通和半連通孔隙，會(huì)增強(qiáng)其力學(xué)性能，降低其透水性能。但水灰比過(guò)大，流動(dòng)性過(guò)大，試件內(nèi)部并不均勻，出現(xiàn)離析現(xiàn)象，性能反而下降。

2.2.1 水灰比對(duì)再生骨料透水混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

取代率為40%，孔隙率為15%，更改水灰比后，再用相同原料工藝制備試樣，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 水灰比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖3知，水灰比的高低對(duì)試件力學(xué)性能有重要意義，若水灰比過(guò)低，則水泥漿體含量較低，很難完全均勻包裹所有骨料，造成骨料之間的膠結(jié)能力大幅下降，本試驗(yàn)水灰比小于0.35時(shí)，抗壓強(qiáng)度較低，難以達(dá)到工程要求，0.25時(shí)僅為10.7 MPa。而水灰比過(guò)高，則會(huì)使水泥漿體過(guò)剩，多余漿體在制備或養(yǎng)護(hù)過(guò)程中容易沉積在試件底部，發(fā)生沉漿現(xiàn)象，使透水混凝土內(nèi)部并不均勻穩(wěn)定，在受壓時(shí)骨料相互咬合處容易分離。當(dāng)水灰比大于0.35時(shí)，抗壓強(qiáng)度較低，在0.45時(shí)達(dá)到試驗(yàn)最低值9.5 MPa。

結(jié)合數(shù)據(jù)分析，當(dāng)水灰比為0.35時(shí)，水泥漿體含量適中，包裹骨料效果較好，且沒(méi)有離析，沉漿的現(xiàn)象，同時(shí)，考慮到試驗(yàn)骨料粒徑為10~20 mm，比表面積較小，因此與水泥漿接觸面積也較小，骨料相互咬合不足，水泥漿需要較好的流動(dòng)性，因此本試驗(yàn)水灰比數(shù)值也應(yīng)偏高。

2.2.2 水灰比對(duì)再生骨料透水混凝土透水系數(shù)的影響

不同水灰比時(shí)透水系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖4 水灰比與透水系數(shù)關(guān)系圖

由于目標(biāo)孔隙率均為15%，結(jié)果差距不大，但由于水灰比不同，骨料之間的膠結(jié)情況略有不同，這影響了試件內(nèi)部連通和半封閉孔隙的形成，水灰比越大，試件內(nèi)部孔隙發(fā)生堵塞的可能性越大，這會(huì)降低其透水性能。當(dāng)水灰比大于0.35時(shí)，透水系數(shù)均低于前幾組試驗(yàn)結(jié)果，而在水灰比小于0.35時(shí)，透水系數(shù)差值很小，但總體來(lái)說(shuō)數(shù)值差距并不大不超過(guò)0.3，且試件透水系數(shù)均能達(dá)到施工要求，因此，當(dāng)取代率，目標(biāo)孔隙率相同時(shí)，水灰比對(duì)試件透水性能影響并不顯著。

2.3 目標(biāo)孔隙率對(duì)再生骨料透水混凝土性能的影響

取代率為40%，水灰比為0.35，為探究不同目標(biāo)孔隙率對(duì)試件的影響，更改目標(biāo)孔隙率，測(cè)試試件性能。

圖5，圖6表明，目標(biāo)孔隙率的高低是影響透水混凝土性能的重要因素[21-22]，目標(biāo)孔隙率越大，骨料之間連通和半封閉孔隙越多，膠結(jié)能力較弱，受壓時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)易損壞，抗壓強(qiáng)度較低，孔隙率為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為本次試驗(yàn)最大值20.7 MPa，而孔隙率為25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅為9.7 MPa，沒(méi)有實(shí)際使用價(jià)值，抗壓強(qiáng)度下降明顯。此外，試件透水系數(shù)與孔隙率有很強(qiáng)的相關(guān)性，目標(biāo)孔隙率越高透水系數(shù)越大，最高為2.17 mm/s，此時(shí)過(guò)水面積明顯變大，宏觀透水效果也越明顯，水流量和流速都較大。

圖6 目標(biāo)孔隙率與透水系數(shù)關(guān)系圖

2.4 骨料改性處理對(duì)再生骨料透水混凝土性能影響

為進(jìn)一步提升試件力學(xué)性能，試驗(yàn)采用濃度為10%的KH-570型硅烷偶聯(lián)劑對(duì)再生骨料進(jìn)行改性處理，浸泡6 h后，取最佳水灰比0.35，最佳目標(biāo)孔隙率15%制成試件。如圖7、圖8。

本試驗(yàn)選取的骨料粒徑偏大，骨料之間相互咬合力較低，而且廢棄陶瓷在運(yùn)輸，破碎過(guò)程中可能產(chǎn)生微裂紋，這都影響了再生骨料的性能指標(biāo)。而骨料強(qiáng)化后，不同取代率試件抗壓強(qiáng)度均有小幅度提升，當(dāng)取代率為40%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為16.1 MPa，比強(qiáng)化前高0.7 MPa。

圖7 強(qiáng)化前后抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

圖8 強(qiáng)化前后透水系數(shù)對(duì)比圖

再生骨料改性后，其壓碎指標(biāo)會(huì)有一定程度降低，骨料本身力學(xué)性能有所改善。透水混凝土的抗壓強(qiáng)度主要源于骨料之間相互咬合和骨料與膠凝材料界面結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)骨料改性處理能改善界面結(jié)合狀態(tài)，其表面會(huì)形成薄膜，讓骨料之間更好的黏結(jié)，提升其力學(xué)性能，但總體來(lái)說(shuō)，強(qiáng)化效果一般。但透水系數(shù)并沒(méi)有太大的提升。骨料改性處理雖改善了界面結(jié)合狀態(tài)，但并沒(méi)有大幅度提升試件內(nèi)部的連通或半連通孔隙，因此試驗(yàn)結(jié)果和強(qiáng)化前數(shù)據(jù)比較接近。

3 結(jié) 論

本文研究了再生骨料取代率，水灰比，目標(biāo)孔隙率及骨料改性對(duì)再生陶瓷骨料透水混凝土的抗壓強(qiáng)度及透水系數(shù)的影響，得到主要結(jié)論如下：

（1）隨著取代率的上升，再生骨料性能指標(biāo)下降，透水混凝土抗壓強(qiáng)度不斷降低，最低降至9.2 MPa，透水系數(shù)相差不大，均能滿足施工要求。試驗(yàn)最佳取代率為40%，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為15.4 MPa，強(qiáng)度較好。

（2）隨著水灰比不斷提升，抗壓強(qiáng)度先提升后下降，水灰比為0.35時(shí)達(dá)到最大值15.4 MPa。水灰比為0.45時(shí)透水系數(shù)最低，但相差不大，均能滿足施工要求。

（3）隨著目標(biāo)孔隙率不斷提升，抗壓強(qiáng)度不斷下降，最低降至9.7 MPa，透水系數(shù)不斷提升，最高為2.17 mm/s。

（4）使用KH-570型硅烷偶聯(lián)劑對(duì)再生骨料進(jìn)行改性處理有一定效果，抗壓強(qiáng)度提升5%左右，對(duì)透水系數(shù)的提升并沒(méi)有顯著的影響。

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

,,,,

（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

沈陽(yáng)理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201810144011）。

2019-12-16

姜洪坤（1998-），男，遼寧省大連市人，研究方向：無(wú)機(jī)非金屬材料工程專業(yè)。

李瑤（1983-），女，講師，博士，研究方向：廢棄物的資源化利用。

TQ 178

A

1004-0935（2020）03-0227-06