陶瓷廢料在水泥混凝土路面中的應(yīng)用可行性分析

譚 波， 楊 濤， 韓 濤

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 桂林 541004； 2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 桂林 541004；3.廣西交投科技有限公司， 南寧 530009)

陶瓷產(chǎn)品在中國被廣泛應(yīng)用于日常生活、航空航天、軍工和醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。陶瓷屬于易碎品，因此中國也成為一個陶瓷廢料生產(chǎn)大國。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，陶瓷等固體廢棄物產(chǎn)生量日漸增多，2015年已經(jīng)達(dá)到了19 141萬t[2],其中陶瓷廢料高達(dá)1 800萬t[3]。當(dāng)前中國大力提倡保護(hù)環(huán)境，大量天然石料開采廠被關(guān)停。此前，已有學(xué)者對固體廢棄物替代天然石料應(yīng)用于道路基層進(jìn)行了研究，結(jié)果證明可行[4]。將陶瓷廢棄物替代天然石料應(yīng)用于工程中，不僅能緩解環(huán)境污染問題還能減少天然石料的開采，因此有必要研究陶瓷廢料應(yīng)用在工程中的各項性能。

近些年，中外很多學(xué)者已對陶瓷應(yīng)用于混凝土進(jìn)行了研究。程云虹等[5-6]對陶瓷再生混凝土的可行性進(jìn)行研究，廢棄陶瓷骨料部分或全部替代天然骨料，混凝土強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度等級C30的要求。吳本英等[7]用廢棄陶瓷代替混凝土粗骨料，得出結(jié)論，陶瓷和瓷質(zhì)混凝土均達(dá)到了C30普通混凝土的強(qiáng)度設(shè)計要求。許開成等[8]用硅烷偶聯(lián)劑KH-550浸泡處理陶瓷粗骨料后再將其應(yīng)用于混凝土，發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后的陶瓷粗骨料混凝土較原碎石混凝土抗壓強(qiáng)度提高了38.4%左右。沈陽等[9]對廢陶瓷水泥混凝土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)將廢陶瓷粉摻量控制在10%左右能提高混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量。邵蓮芬等[10]對陶瓷再生粗骨料混凝土進(jìn)行研究，得出結(jié)論，隨著陶瓷摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度先升高后降低，摻量在75%時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。陶瓷廢料應(yīng)用在水泥混凝土已經(jīng)被很多學(xué)者驗(yàn)證其是可行的，但是陶瓷廢料應(yīng)用在道路路面水泥混凝土的研究還比較缺乏，因此為需進(jìn)一步深入研究陶瓷廢料應(yīng)用于路面水泥混凝土的可行性。

以梧州市陶瓷產(chǎn)業(yè)園的陶瓷為研究對象，將陶瓷廢料經(jīng)過加工以后，用于替代混凝土中的粗骨料，根據(jù)混凝土配合比的設(shè)計制備試件，進(jìn)行力學(xué)性能測試、工作性能測試、干縮性能測試、耐磨性能測試、抗?jié)B性能測試及界面性能測試。最后分析陶瓷廢料替代天然石料應(yīng)用于水泥混凝土道路路面時的可行性。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

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

(2)粗骨料：取自桂林碎石廠的天然碎石，表觀密度為2 771 kg/m3，級配為5～20 mm的連續(xù)級配，其主要性能指標(biāo)見表1。

(3)水泥：選用桂林海螺水泥有限公司生產(chǎn)的海螺42.5級普通硅酸鹽水泥。

(4)陶瓷廢料：取自梧州市藤縣陶瓷廠的廢棄瓷磚，利用破碎機(jī)將其破碎成5～20 mm的陶瓷粗骨料，表觀密度為2 271 kg/m3，無堿集料反應(yīng)，各項性能指標(biāo)均滿足《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30—2003)的要求，主要性能指標(biāo)如表1所示，級配曲線如圖1所示。

(5)水：日常引用水。

圖1 陶瓷再生粗骨料級配曲線Fig.1 Gradation curve of ceramic recycled coarse aggregate

1.2 混凝土配合比設(shè)計

陶瓷水泥混凝土配合比設(shè)計是以普通混凝土配合比設(shè)計方法為基礎(chǔ)，再按骨料的不同特性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。試驗(yàn)采用的水灰比分3組，分別為0.38、0.40、0.42。因?yàn)樘沾纱止橇吓c天然碎石的吸水率相差不大，所以試驗(yàn)在設(shè)計配合比時忽略了骨料吸水帶來的影響。但陶瓷粗骨料的表觀密度較小，因此在替代碎石原料時，試驗(yàn)以材料的表觀密度來進(jìn)行線性代換[11-13]。以抗?jié)B性試驗(yàn)為例，試驗(yàn)采用的廢棄陶瓷粗骨料摻量分別為0、20%、30%、50%、70%、100%。

2 陶瓷水泥混凝土力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 抗壓強(qiáng)度測試

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002) 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)制備立方體試塊測試陶瓷水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度測試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可知，水灰比為0.38時，陶瓷水泥混凝土試件抗壓強(qiáng)度最高；陶瓷水泥混凝土隨著陶瓷摻量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸升高；且陶瓷摻量在50%～70%時抗壓強(qiáng)度高于普通水泥混凝土；陶瓷水泥混凝土7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的80%。

表2 混凝土配合比設(shè)計Table 2 Concrete mix design

2.2 抗折強(qiáng)度測試

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法(GB/T 50081—2002)》抗折強(qiáng)度試驗(yàn)制備試塊，尺寸為150 mm×150 mm×550 mm標(biāo)準(zhǔn)尺寸。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。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，陶瓷水泥混凝土水灰比為0.38時抗折強(qiáng)度最高；陶瓷水泥混凝土隨著陶瓷摻量的增加，其抗折強(qiáng)度先增高后降低，陶瓷摻量在70%左右時抗折強(qiáng)度達(dá)到最高；當(dāng)陶瓷摻量在50%～70%時其抗折強(qiáng)度比普通水泥混凝土高；陶瓷水泥混凝土7 d抗折強(qiáng)度基本上已經(jīng)達(dá)到28 d的90%，這說明后期陶瓷水泥混凝土抗折強(qiáng)度增長不是很高。

表3 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3 陶瓷再生混凝土性能測試

3.1 坍落度測試

參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50080—2016)中的坍落度與坍落擴(kuò)展度法測試陶瓷水泥混凝土的坍落度。測試結(jié)果見表4。

由表4數(shù)據(jù)可知，陶瓷水泥混凝土的坍落度隨著陶瓷摻量的增加而降低。原因是陶瓷粗骨料的表觀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，由此導(dǎo)致陶瓷再生混凝土的和易性降低[14-18]。結(jié)合《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30—2003)來看，只有當(dāng)陶瓷完全取代天然碎石時，陶瓷再生混凝土的坍落度才不符合規(guī)范要求，當(dāng)陶瓷摻量在0～70%時，陶瓷水泥混凝土的坍落度均符合規(guī)范要求。

表4 陶瓷摻量對坍落度的影響

因此在陶瓷混凝土實(shí)際使用中，將陶瓷水泥混凝土中的陶瓷摻量控制在70%及以下，陶瓷水泥混凝土坍落度就能滿足規(guī)范要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，陶瓷再生混凝土中的陶瓷最佳摻量為50%～70%。

3.2 干縮性能測試

參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)水泥混凝土干縮性試驗(yàn)方法制備陶瓷水泥混凝土試塊，試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。從移入干縮箱日起，在1、3、7、14、28、60、90、120、150、180 d讀取參數(shù)，最后按《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)相關(guān)試驗(yàn)方法測定水泥混凝土的干縮率。干縮率計算公式為

(1)

式(1)中：Sd為養(yǎng)護(hù)齡期為d天混凝土的干縮率，%；X01為混凝土試件的初始長度，mm；Xt1為養(yǎng)護(hù)齡期為d天發(fā)生干縮后長度的測值，mm；L0為試件的標(biāo)距，mm。

使用式(1)計算陶瓷水泥混凝土1、3、7、14、28、60、90、120、150、180 d的干縮率，計算結(jié)果如表5及圖2所示。

從表5可知，陶瓷水泥混凝土在前14 d干縮率很大，與普通水泥混凝土相同，陶瓷水泥混凝土前14 d干縮約占180 d干縮的68%，與普通水泥混凝土一致。但隨著陶瓷摻量的增加，陶瓷水泥混凝土相較于普通水泥混凝土的干縮在減小。原因是水泥水化和環(huán)境干燥都將引發(fā)水泥石毛細(xì)孔自由水含量減少，內(nèi)部相對濕度下降，進(jìn)而在毛細(xì)孔內(nèi)形成彎月面而引發(fā)毛細(xì)負(fù)壓力，從而導(dǎo)致混凝土收縮。因此，當(dāng)陶瓷摻入到混凝土?xí)r，骨料通過其內(nèi)部較粗大的毛細(xì)孔在拌合前預(yù)吸水，并在混凝土硬化過程中優(yōu)先失水干燥而向水泥石毛細(xì)孔中補(bǔ)水，以此延長水泥石毛細(xì)孔濕度飽和期的長度。根據(jù)毛細(xì)原理可知，溶液總是從孔徑大的毛細(xì)孔向孔徑小的毛細(xì)孔轉(zhuǎn)移，陶瓷相對于天然粗骨料來說是一種孔隙更大，表觀密度更小的輕質(zhì)材料。所以，陶瓷水泥混凝土粗骨料中的溶液通過毛細(xì)壓力被轉(zhuǎn)移至水泥石中，并通過擴(kuò)散作用，擴(kuò)散至四周，從而使得混凝土內(nèi)部再一次發(fā)生水化，達(dá)到養(yǎng)護(hù)效果。

表5 混凝土干縮率隨時間變化

圖2 不同陶瓷摻量水泥混凝土干縮率隨時間變化Fig.2 Variation of dry shrinkage of ceramic cement concrete with different ceramic parameters varies with time

因此，在陶瓷水泥混凝土中，由于陶瓷粗骨料的表觀密度相較于天然碎石要小很多，在相同質(zhì)量條件下，陶瓷粗骨料較多，同樣也能起到抑制收縮的作用。由此可知，從干縮性能分析，陶瓷水泥混凝土是可行的。

3.3 耐磨性能分析

參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)水泥混凝土耐磨性試驗(yàn)方法制備陶瓷水泥混凝土試塊測試其干縮性能，陶瓷替代粗骨料的摻量分別為0、20%、30%、50%、70%，試塊尺寸為100 mm×100 mm×150 mm。磨耗量的計算公式為

(2)

式(2)中：Gc為水泥混凝土單位面積的磨耗量，kg/m2；m1為水泥混凝土的初始質(zhì)量，kg；m2為磨耗后水泥混凝土的質(zhì)量，kg；0.012 5為試件的磨損面積。

使用式(2)計算18個試塊的磨耗量，結(jié)果如表6所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知，陶瓷水泥混凝土的磨耗量隨著陶瓷摻量的增加而降低，但是當(dāng)陶瓷完全替代天然碎石的時候，磨耗量變得最大。影響混凝土耐磨性的主要因素為混凝土的水灰比、混凝土所用膠凝材料、混凝土的密實(shí)性、混凝土的強(qiáng)度[19]。因此導(dǎo)致陶瓷水泥混凝土耐磨性先降低后升高的主要原因是廢棄陶瓷的壓碎值小于天然碎石，表明廢棄陶瓷作為骨料時的強(qiáng)度要優(yōu)于天然碎石；且廢棄陶瓷的表面較天然碎石更為粗糙，因此廢棄陶瓷與水泥砂漿的粘接力要優(yōu)于天然碎石；又因?yàn)樘沾晒橇系尼樒瑺詈恳哂谔烊凰槭?，?dǎo)致陶瓷水泥混凝土的密實(shí)性差于普通碎石水泥混凝土。

表6 混凝土耐磨性試驗(yàn)結(jié)果

因此，雖然陶瓷骨料的壓碎值以及與水泥砂漿的黏結(jié)力要高于天然碎石，但是由于陶瓷骨料的針片狀含量高于原生混凝土，導(dǎo)致廢棄陶瓷混凝土的質(zhì)量磨耗雖然低于原生混凝土，但也相差不多。根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F30—2014)中對于混凝土耐磨性能的要求來看，陶瓷水泥混凝土的耐磨性能均滿足高速公路及一級公路對于耐磨性能的要求。因此，從耐磨性能的角度出發(fā)，廢棄陶瓷骨料可以應(yīng)用于路面混凝土中。

3.4 抗?jié)B性能分析

參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)水泥混凝土制備陶瓷水泥混凝土試塊測試其干縮性能，陶瓷替代粗骨料的摻量分別為0、20%、30%、50%、70%、100%，試塊尺寸上部直徑為175 mm，下部直徑為185 mm，如圖3所示，抗?jié)B試驗(yàn)儀器如圖4所示?？?jié)B等級的計算公式為

S=10H-1

(3)

式(3)中：S為混凝土的抗?jié)B等級；H為第3個試件表面出現(xiàn)滲水時的壓力。

按照規(guī)范要求，試塊做完抗?jié)B試驗(yàn)后，需將其劈開觀察試塊內(nèi)部滲水高度進(jìn)一步判斷其抗?jié)B性能優(yōu)劣。根據(jù)上述試驗(yàn)過程，最后得到陶瓷水泥混凝土試塊抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果，如表7所示。從試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，混凝土試塊的抗?jié)B等級均為12，但隨著陶瓷摻量的增加，陶瓷水泥混凝土的滲水高度也逐步增加，陶瓷摻量為100%時，滲水高度達(dá)到最大。造成這一現(xiàn)象的原因是陶瓷骨料針片狀含量高于天然碎石材料，因此陶瓷水泥混凝土相較于普通水泥混凝土密實(shí)性更低，所以混凝土滲水高度隨著陶瓷摻量的增加而增長。但陶瓷水泥混凝土試塊的抗?jié)B等級還是能達(dá)到12。因此，從抗?jié)B性的角度出發(fā)，將廢棄陶瓷應(yīng)用到路面水泥混凝土中是可行的。

RC-0表示陶瓷摻量為0圖3 密封的混凝土試塊Fig.3 Sealed concrete block

圖4 抗?jié)B試驗(yàn)儀器Fig.4 Impermeability test meter

表7 抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

3.5 界面性能分析

將成型混凝土試塊通過人工破碎，制成為米粒狀大小的試驗(yàn)樣本，如圖5所示。制作樣本時，盡量挑選表面附有混凝土的骨料顆粒，保證在掃描時能掃描到骨料與水泥石的過渡界面。

陶瓷材料是非導(dǎo)電性物質(zhì)，在利用掃描電鏡進(jìn)行直接觀察時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的荷電現(xiàn)象，影響對樣品的觀察，因此需要在樣品表面蒸鍍導(dǎo)電性能好的導(dǎo)電膜層，這樣可以更好地對樣品進(jìn)行觀察。

圖5 樣本Fig.5 Sample

圖6 天然碎石骨料-水泥石界面Fig.6 Natural crushed stone aggregate-cement stone interface

圖7 陶瓷骨料-水泥石界面Fig.7 Ceramic aggregate-cement interface

將制作好的樣本放入電子掃描顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)電鏡掃描試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，掃描結(jié)果如圖6、圖7所示。觀察兩圖看出，陶瓷骨料-水泥石界面與天然碎石骨料-水泥石界面相似，但陶瓷骨料-水泥石界面生成的絮狀膠凝產(chǎn)物多于天然碎石水泥石界面。原因是混凝土成型后，內(nèi)部自由水逐漸減少，水化逐漸停止。但陶瓷粗骨料的孔隙率高于天然碎石，因此在陶瓷孔隙中吸附的水被轉(zhuǎn)移至水泥石中再次發(fā)生水化作用。得出結(jié)論，陶瓷骨料與水泥石具有良好的黏接性能，且性能稍優(yōu)于天然碎石。

為驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)論，對陶瓷骨料和水泥砂漿的界面強(qiáng)度進(jìn)行測定。將碎石與廢棄陶瓷依次經(jīng)過切割，打磨加工成尺寸為40 mm×40 mm×15 mm的片狀骨料。然后將打磨好的片狀骨料放入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm試模的中央如圖8所示。再將水灰比為0.50的水泥凈漿倒入兩側(cè)，接著振動成型，振動成型過程中讓片狀骨料保持豎直，成型圖如圖9所示。

將成型后的試樣放入溫度為(20±1) ℃，濕度大于90%的條件下養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，并在相同條件下分別繼續(xù)養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后測定其抗折強(qiáng)度，用抗折強(qiáng)度來表示陶瓷骨料與水泥石界面的黏結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

從表8試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)7 d以及28 d界面強(qiáng)度均是陶瓷與水泥砂漿的界面強(qiáng)度大于天然碎石與水泥砂漿的界面強(qiáng)度，且無骨料的水泥砂漿遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陶瓷與天然碎石與水泥砂漿的界面強(qiáng)度。所得結(jié)果與上述陶瓷與水泥砂漿的黏結(jié)性能優(yōu)于原生碎石相一致。因此，從界面黏接性角度來說，陶瓷混凝土的應(yīng)用是可行的。

4 結(jié)論

(1)陶瓷廢料混凝土在水灰比為0.38時抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度最高，其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著陶瓷摻量的增加先增高后降低，最高值在陶瓷摻量70%左右，且陶瓷摻量在50%～70%時，陶瓷水泥混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度高于普通水泥混凝土。綜合數(shù)據(jù)分析，陶瓷廢料水泥混凝土陶瓷最佳摻量為50%～70%。

圖8 片狀骨料擺放位置圖Fig.8 Location of sheet aggregate

圖9 試件成型圖Fig.9 Specimen shape drawing

表8 水泥砂漿-骨料界面強(qiáng)度

(2)陶瓷水泥混凝土的坍落度隨著陶瓷摻量的增加而降低，當(dāng)陶瓷摻量為100%時陶瓷廢料水泥混凝土坍落度不能滿足規(guī)范要求。因此陶瓷廢料水泥混凝土陶瓷摻量不宜超過70%。

(3)陶瓷與水泥砂漿的界面強(qiáng)度大于天然碎石與水泥砂漿的界面強(qiáng)度。陶瓷廢料水泥混凝土隨著陶瓷摻量的增加，干縮性和耐磨性越高，抗?jié)B性越低。陶瓷廢料水泥混凝土界面性能、耐磨性能、干縮性能和抗?jié)B性能均滿足規(guī)范要求。

(4)綜合以上分析再結(jié)合道路工程中各項規(guī)范要求，陶瓷廢料應(yīng)用在道路路面是可行的，但陶瓷摻量不宜超過70%，最佳陶瓷摻量應(yīng)控制在50%～70%。