陶瓷細(xì)骨料替代方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

程云虹，楊四輝，張靖瑜，童柏強(qiáng)

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

混凝土是當(dāng)前最大宗的人造建筑材料，用量大、用途廣.吳中偉等[1]指出，現(xiàn)階段我國(guó)仍處在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時(shí)期，混凝土的使用量逐年增加，其對(duì)天然骨料的消耗量不言而喻，這將會(huì)給我國(guó)自然資源的合理開(kāi)發(fā)與利用帶來(lái)巨大的壓力和挑戰(zhàn)，因此要想緩解骨料資源緊張的壓力，除了繼續(xù)尋求新的天然骨料外，還應(yīng)大力關(guān)注和發(fā)展工業(yè)廢棄物，如廢棄陶瓷、尾礦等在混凝土骨料方面的綜合利用，這不僅可以節(jié)約資源，還能保護(hù)環(huán)境.

近年來(lái)有不少研究者在廢棄陶瓷充當(dāng)混凝土骨料方面進(jìn)行了大量的研究工作，并且取得了一定的成果，如王長(zhǎng)遠(yuǎn)等[2]將瓷磚破碎成再生粗、細(xì)骨料及粉末，進(jìn)行全組分利用制備混凝土，并對(duì)該混凝土的耐久性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，摻入再生骨料會(huì)劣化混凝土的抗碳化和抗凍融性能，但會(huì)提高混凝土的強(qiáng)度，減少收縮；劉鳳利等[3]的研究表明，陶瓷再生混合砂制備的砂漿的強(qiáng)度變化規(guī)律與天然砂制備出的砂漿基本相同，且后期抗折強(qiáng)度還明顯優(yōu)于天然砂制備的砂漿；毋雪梅等[4]的研究表明，隨著陶瓷骨料替代量的增加，混凝土力學(xué)性能會(huì)有所降低但下降幅度不超過(guò)15%；陸盛武等[5]的研究得出摻陶瓷細(xì)骨料會(huì)抑制混凝土前期的強(qiáng)度發(fā)展但會(huì)促進(jìn)后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)的規(guī)律.

關(guān)于陶瓷細(xì)骨料在混凝土中的應(yīng)用，已有的研究[6-17]大多數(shù)都是從陶瓷摻量出發(fā)，尋找摻量與混凝土各個(gè)性能之間的關(guān)系，而且在替代天然細(xì)骨料時(shí)用的替代方式都是傳統(tǒng)的等質(zhì)量替代方式，即在細(xì)度方面只要求陶瓷細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)與天然細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)相近即可，然而基于陶瓷細(xì)骨料替代方式的研究鮮有報(bào)道.本研究將從陶瓷細(xì)骨料的替代方式出發(fā)，探究陶瓷細(xì)骨料的替代方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響.

1 試驗(yàn)原材料及混凝土配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

1) 水泥:強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥.

2) 粗骨料:碎石粒徑5～20 mm，連續(xù)級(jí)配，篩分結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 粗骨料級(jí)配

3) 細(xì)骨料:天然河砂粒徑0.15～5 mm，連續(xù)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)為2.95，2區(qū)中砂，吸水率2.4%，篩分結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 天然河砂級(jí)配

4) 陶瓷細(xì)骨料:廢棄陶瓷經(jīng)過(guò)破碎、篩分加工成人工細(xì)骨料，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52——2006)要求，細(xì)度模數(shù)為2.95，吸水率5.2%，級(jí)配與天然河砂一樣.

5) 水:飲用水.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本研究共采用4種陶瓷細(xì)骨料取代天然河砂的方式，如表3所示.表中編號(hào)0表示基準(zhǔn)組，細(xì)骨料全部為天然河砂；編號(hào)C表示“C”替代法，其中1C，2C，3C，4C，5C分別表示陶瓷細(xì)骨料等質(zhì)量取代天然河砂10%，20%，30%，40%，50%(即傳統(tǒng)替代方式，要求兩種骨料細(xì)度模數(shù)相近即可)；編號(hào)P表示“P”替代法，其中1P，2P，3P，4P，5P分別表示陶瓷細(xì)骨料平均替代對(duì)應(yīng)的不同粒徑的天然河砂10%，20%，30%，40%，50%；編號(hào)D表示“D”替代法，其中2D，4D，6D，8D，10D分別表示陶瓷細(xì)骨料替代對(duì)應(yīng)粒徑(此時(shí)粒徑為1.18，2.36和4.75 mm)的天然河砂20%，40%，60%，80%，100%；編號(hào)X表示“X”替代法，其中2X，4X，6X，8X，10X分別表示陶瓷細(xì)骨料替代對(duì)應(yīng)粒徑(此時(shí)粒徑為0.15，0.30和0.60 mm)的天然河砂20%，40%，60%，80%，100%.由表2可知，天然河砂由D(粒徑為1.18，2.36和4.75 mm)、X(粒徑為0.15，0.30和0.60 mm)兩個(gè)部分組成，且各部分天然河砂的粒徑分布約占50%，因此編號(hào)為1C，1P，2D，2X這4組的取代率是等效的，均為10%，其他試驗(yàn)組以此類(lèi)推.

表3 陶瓷細(xì)骨料取代天然河砂方案

1.3 混凝土配合比

設(shè)計(jì)混凝土水膠比為0.49，配合比如表4所示，設(shè)計(jì)坍落度70～90 mm.

表4 混凝土配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081——2019)中混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.圖2為采用“C”替代法、“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土相比基準(zhǔn)混凝土在28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度變化率.圖3為采用“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土相比“C”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土在28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度變化率.

由圖1可知，水膠比為0.49條件下，摻有陶瓷細(xì)骨料的各組混凝土抗壓強(qiáng)度均達(dá)到C30強(qiáng)度等級(jí)要求；同時(shí)可知，抗壓強(qiáng)度的大小受到陶瓷細(xì)骨料替代方式影響較大.陶瓷細(xì)骨料摻量不超過(guò)20%時(shí)，以傳統(tǒng)替代方式“C”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度最高；陶瓷細(xì)骨料摻量30%時(shí)，以“P”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度最高；陶瓷細(xì)骨料摻量40%時(shí)，以“D”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度最高；陶瓷細(xì)骨料摻量50%時(shí)，以“X”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度最高.

由圖2可知，“C”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度在各種摻量條件下均呈正增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度有限，最大增長(zhǎng)率為2.9%；而“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度在某一特定摻量下增長(zhǎng)率較大，分別為6.3%(陶瓷細(xì)骨料摻量為50%時(shí))，10.0%(陶瓷細(xì)骨料摻量為40%時(shí))及10.7%(陶瓷細(xì)骨料摻量為50%時(shí)).

由圖3可知，陶瓷細(xì)骨料摻量超過(guò)20%時(shí)，采用“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度相比于以傳統(tǒng)替代方式的“C”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度在某一特定摻量下增長(zhǎng)率達(dá)到最大，分別為2.9%(陶瓷細(xì)骨料摻量為30%時(shí))，7.3%(陶瓷細(xì)骨料摻量為40%時(shí))及8.5%(陶瓷細(xì)骨料摻量為50%時(shí)).

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于“C”替代法而言，無(wú)論陶瓷細(xì)骨料摻量多少，制得的陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度發(fā)展的總體趨勢(shì)是隨著陶瓷細(xì)骨料摻量的增加而增強(qiáng)，這與大多數(shù)研究者[2,4-5]得出的結(jié)論一致.主要原因是陶瓷細(xì)骨料相比于天然河砂具有較高的吸水性和較粗糙的顆粒表面所致.陶瓷細(xì)骨料的吸水性比天然河砂強(qiáng)，因此會(huì)導(dǎo)致陶瓷細(xì)骨料周?chē)鷮?shí)際水膠比降低，而且隨著陶瓷摻量的增加，實(shí)際水膠比降低量增大，從而使陶瓷細(xì)骨料和水泥石的黏結(jié)力得到增強(qiáng)，而在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，由于先前吸收的水量逐漸“釋放”出來(lái)，給混凝土提供濕度較大的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，有助于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展.另一方面，陶瓷細(xì)骨料是經(jīng)過(guò)人工破碎得到的，比天然河砂表面粗糙、多棱角，勢(shì)必會(huì)增強(qiáng)細(xì)骨料與水泥漿體之間的黏結(jié)力，這也是陶瓷細(xì)骨料適量取代天然河砂制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度高于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度的原因.

對(duì)于“P”替代法而言，當(dāng)陶瓷細(xì)骨料取代量不超過(guò)20%時(shí)，制得的陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度略低于基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度，但隨著陶瓷細(xì)骨料摻量的增加，陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展呈上升趨勢(shì).原因可能是，“P”替代法是所有粒徑顆粒的平均取代，得到的新細(xì)骨料體系各粒徑范圍內(nèi)的各種顆粒含量的變化比較均勻，使得新細(xì)骨料體系不易出現(xiàn)某一粒徑范圍內(nèi)的某一種細(xì)骨料顆粒含量過(guò)多或過(guò)少的現(xiàn)象.各級(jí)粒徑上兩種細(xì)骨料均勻搭配，有利于顆粒間級(jí)配填充，并在陶瓷細(xì)骨料摻量達(dá)到一定比例時(shí)獲得最密實(shí)細(xì)骨料骨架，從而使混凝土達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度.

“D”替代法和“X”替代法，分別是陶瓷細(xì)骨料對(duì)天然河砂在特定粒徑區(qū)間的取代，各級(jí)粒徑中兩種細(xì)骨料顆粒分布不均勻，故使得在一定陶瓷細(xì)骨料摻量條件下，陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度較低，但當(dāng)摻量達(dá)到一定比例之后，亦即陶瓷細(xì)骨料的比表面積增加到一定程度時(shí)，陶瓷細(xì)骨料的優(yōu)勢(shì)(較大的吸水率，多棱角的粒形)充分發(fā)揮出來(lái)，故陶瓷細(xì)骨料摻量為40%和50%時(shí)，“D”替代法和“X”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值.

3 結(jié) 論

1) 在水膠比為0.49的條件下，陶瓷細(xì)骨料摻量為10%，20%，30%，40%及50%時(shí)，陶瓷細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度和基準(zhǔn)混凝土為同一強(qiáng)度等級(jí)，均到達(dá)C30強(qiáng)度等級(jí)要求.

2) 相比于基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度，采用“C”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度最大增長(zhǎng)率為2.9%(陶瓷細(xì)骨料摻量為40%)；采用“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大，分別為6.3%(陶瓷細(xì)骨料摻量為50%)，10.0%(陶瓷細(xì)骨料摻量為40%)及10.7%(陶瓷細(xì)骨料摻量為50%).

3) 相比于傳統(tǒng)替代方式的“C”替代法，采用“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制備的陶瓷細(xì)骨料混凝土，在陶瓷細(xì)骨料摻量分別為30%，40%及50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大增長(zhǎng)率，分別為2.9%，7.3%及8.5%.

4) 不同的陶瓷細(xì)骨料替代方式，所對(duì)應(yīng)的陶瓷細(xì)骨料最佳替代量不同.“C”替代法及“D”替代法對(duì)應(yīng)的陶瓷細(xì)骨料的最佳替代量為40%，“P”替代法及“X”替代法對(duì)應(yīng)的陶瓷細(xì)骨料的最佳替代量為50%.

5) 不同的陶瓷細(xì)骨料摻量，所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)替代方式不同.當(dāng)陶瓷細(xì)骨料取代量為10%和20%時(shí)，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)替代方式為“C”替代法；當(dāng)陶瓷細(xì)骨料的取代量為30%，40%及50%時(shí)，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)替代方式分別為“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法.