碎陶瓷廢料對混凝土路面性能影響研究

摘 要：陶瓷在建筑業(yè)中的使用廣泛，導(dǎo)致建筑物壽命結(jié)束和拆除過程中會(huì)產(chǎn)生大量陶瓷廢料，對環(huán)境造成負(fù)面影響。文章采用廢舊陶瓷被粉碎和顆?；娲访婊炷粱旌狭现泄橇?，測試路面混凝土拌合物抗壓和抗折強(qiáng)度。結(jié)果表明：（1）15%的碎陶瓷摻量可提高碾壓混凝土路面的耐磨性，而30%的摻量會(huì)降低不同齡期碾壓混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度。（2）使用二階非線性回歸法得出了碎陶瓷抗壓強(qiáng)度和耐磨性之間的關(guān)系，用碎石陶瓷替代 18.95% 的骨料重量，抗壓強(qiáng)度和耐磨率分別為 29.36 MPa和2.10%。

關(guān)鍵詞：陶瓷廢料；抗彎強(qiáng)度；路面；碾壓混凝土路面；斷裂能；耐磨性

1 前言

全球工業(yè)廢料的增加引發(fā)了許多環(huán)境問題，同時(shí)也需要生產(chǎn)新材料，這促使人們采用回收工廠廢料的方式。碾壓混凝土路面是一種接縫素混凝土路面，因其施工簡便，不需要使用鋼材，在全球許多國家得到廣泛應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)混凝土路面和鋼筋混凝土路面相比，碾壓混凝土路面的表面由于養(yǎng)護(hù)類型和低坍落度的原因，損壞的可能性更大[2]。

近年來，研究人員和建筑行業(yè)對在混凝土中利用廢棄物替代水泥骨料的做法產(chǎn)生了關(guān)注[3]。研究已經(jīng)使用陶瓷廢料和纖維在生產(chǎn)混凝土?xí)r作為混合料，以及使用粉末和碎瓷磚在生產(chǎn)預(yù)拌混凝土?xí)r作為混合料。本文通過實(shí)驗(yàn)分析碾壓混凝土混合料中使用碎陶瓷對混凝土的力學(xué)性能，包括抗壓和抗折強(qiáng)度。此外，評估了使用陶瓷廢料生產(chǎn)的混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)

測試包括立方體樣本在 3、7 和 14 天齡期的抗壓強(qiáng)度，以及混凝土樣本的抗折強(qiáng)度。同時(shí)進(jìn)行了吸水率（干拌和新拌混凝土）和使用超聲波法的彈性模塊測試。替代碎陶瓷的建議含量為 15%和 30%，有三種不同的顆粒級配?；炷谅访嬷惺褂玫牧６仁歉鶕?jù) ASTM 混合設(shè)計(jì)規(guī)范確定的。表 1 列出了根據(jù)國家規(guī)定和以往規(guī)范制定的石料配比。用于制作樣品的水灰比和水泥骨料比分別為35%和 25%。樣品編碼在字母 "C "之后，是廢陶瓷含量的質(zhì)量百分比。

15 cm的立方體樣品和 10cm×10cm×35 cm的抗彎梁樣品分別用于抗壓強(qiáng)度和抗彎試驗(yàn)。直徑為 5 cm、長度為 15 cm的圓柱形樣品按照 E-2045 標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)進(jìn)行磨損試驗(yàn)。樣品固化 14 天后進(jìn)行強(qiáng)度測試。在本研究中，為了調(diào)查含有回收碎陶瓷的混凝土的耐磨性，制作并測試了 18 個(gè)混凝土樣本。這些樣品用于測量抗壓、抗彎、耐磨和耐摩擦性能，如表 1 所示。

由于骨料約占混凝土體積的 75%-85%，因此在碾壓混凝土中選擇骨料至關(guān)重要。碾壓混凝土對骨料的規(guī)定與傳統(tǒng)混凝土相同。碾壓混凝土中骨料的最大粒徑對薄層的密實(shí)度有很大影響，但對較厚層的影響可以忽略不計(jì)。在路面碾壓混凝土中，不建議使用粒徑超過25.4mm的骨料，因?yàn)槭褂么止橇虾茈y為路面鋪設(shè)出相對光滑的表面。

替代碎陶瓷材料由工廠的碎陶瓷制備而成。大塊陶瓷在實(shí)驗(yàn)室里用壓實(shí)錘完全壓碎。首先，用篩子對粉碎的陶瓷進(jìn)行分離和分級，使其規(guī)格和尺寸保持一致。表2列出了樣品的化學(xué)成分。

由于碾壓混凝土含水量較少，流動(dòng)性較之傳統(tǒng)路基混凝土較差，因此在制作碾壓混凝土樣品時(shí)采用的方法與傳統(tǒng)方法不同。在試樣壓實(shí)法中，根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，碾壓混凝土試樣被放置在模具中，并在高架和層重的作用下在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行壓實(shí)。樣品通過壓實(shí)錘分五層進(jìn)行壓實(shí)和制備。使用壓實(shí)錘進(jìn)行壓實(shí)更接近真實(shí)密度，因此本研究選擇了這種方法。15cm×15cm×15cm的樣品和 10cm×10cm×35cm的抗彎梁樣品用于評估抗壓和抗彎強(qiáng)度。根據(jù) ASTM-C78標(biāo)準(zhǔn)，壓縮試驗(yàn)在3000kN液壓試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行。然后，將樣品從模具中取出，在水中放置 3、7 和 14 天。

立方體樣品的尺寸為 150 mm，分三層填充，每層用木棍壓實(shí) 25 次。此外，作為一種替代方法，這些混凝土立方體也可以用振動(dòng)器壓實(shí)。不過，由于混凝土試樣是碾壓混凝土類型，含水量比其他樣本少，因此混凝土模每層要壓實(shí)25次，以防止混凝土中產(chǎn)生氣穴和蜂窩。

由于在該試驗(yàn)中，骨料的最大標(biāo)稱尺寸為 19 mm，因此使用尺寸為15cm的立方體樣品。由于強(qiáng)度取決于加載速率，對于液壓千斤頂，樣品必須以 0.15 -0.35MPa/s之間的可控速率承受加載；另一方面，對于機(jī)械千斤頂，位移加載速率必須限制在1mm/min。加載一直持續(xù)到試件破壞，并記錄最大承載力。

無裂紋對混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)和耐久性至關(guān)重要，可起到維護(hù)鋼筋和防止鋼筋銹蝕的作用。由于對混凝土試樣施加軸向拉伸比較困難，因此混凝土抗拉強(qiáng)度是通過彎曲試驗(yàn)和巴西試驗(yàn)間接測定的。這些方法預(yù)測的強(qiáng)度高于軸向拉伸荷載下的實(shí)際強(qiáng)度。在抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)中，研究梁下部軸線產(chǎn)生的最大理論拉伸稱為斷裂模量，用于設(shè)計(jì)公路和機(jī)場路面。該測試由ASTM C78標(biāo)準(zhǔn)推薦。

英國擺數(shù)（BPN）是表示摩擦阻力的路面表面抗滑指數(shù)。采用ASTM E404標(biāo)準(zhǔn)用于計(jì)算這種阻力。本次測試使用了6.35cm×6.35cm×25.4cm的樣本，滑塊的移動(dòng)路徑長度為12.5cm，樣本表面經(jīng)過清潔和潤濕。

骨料磨損值測試（Dorry試驗(yàn)）用于測量骨料表面耐磨損的能力。該機(jī)器有一個(gè)直徑為60cm的圓盤。磨料以7-900g/min的速度插入三個(gè)樣本中，測試根據(jù)EN1097-8標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行?？偰ズ闹凳遣牧媳砻嬷亓亢蜏y試后重量在材料磨耗極限內(nèi)的初始重量之差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

混凝土樣品抗壓強(qiáng)度的變化可以歸因于混凝土中集料的形狀和強(qiáng)度。由于陶瓷廢料骨料的斷裂率較高，因此吸水率較低、剛度較高。觀察發(fā)現(xiàn)，隨著碎陶瓷含量的減少，抗壓強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)廢料含量達(dá)到15%時(shí)，由于廢骨料含量增加以及瓷磚吸水導(dǎo)致缺乏足夠的水進(jìn)行水化反應(yīng)，樣品的合格率開始降低。圖1展示了強(qiáng)度變化的一個(gè)例子。單軸拉伸模式下，漿體內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展所需的能量較低。混凝土斷裂的主要因素是快速增長和裂縫系統(tǒng)之間的關(guān)系，包括傳輸區(qū)域的裂縫和漿體內(nèi)部的新裂縫。相比之下，在壓縮模式下，樣品的斷裂脆性略低于彎曲模式，因?yàn)闈{體內(nèi)部產(chǎn)生和擴(kuò)展裂縫所需的能量更多?；旧?，對于中低強(qiáng)度的混凝土，普遍認(rèn)為在單軸壓力試驗(yàn)中，應(yīng)力小于斷裂應(yīng)力的50%時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)新的裂縫。

粗集料周圍會(huì)形成穩(wěn)定的裂縫系統(tǒng)，被稱為剪切連續(xù)性裂縫。當(dāng)受到較大的應(yīng)力時(shí)，漿料中會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，隨著應(yīng)力的增加，裂縫也會(huì)迅速增加。裂縫存在于漿料中，并最終連接成與荷載方向成20至30度角的斷裂。由于一些碎陶瓷中釉料的存在，這一側(cè)碎陶瓷的滲透性很低，因此過渡區(qū)變得脆弱，大多數(shù)裂縫都是從這一區(qū)域開始形成的。因此，使用更高比例的碎陶瓷會(huì)導(dǎo)致剪切連續(xù)性裂紋的數(shù)量增加，從而對試樣的斷裂產(chǎn)生更大的影響。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，樣品抗壓強(qiáng)度的變化可歸因于混凝土中骨料的形狀和強(qiáng)度。由于陶瓷廢料骨料有一些斷裂，因此吸水性小，剛度高。據(jù)觀察，隨著碎陶瓷比例的增加，抗壓強(qiáng)度最多可增加 15%。隨著廢骨料含量的進(jìn)一步增加，由于瓷磚吸水導(dǎo)致缺乏足夠的水進(jìn)行水化反應(yīng)，樣品的合格率降低。

混凝土斷裂的主要因素是裂縫系統(tǒng)的快速增長和裂縫系統(tǒng)之間的關(guān)系，其中包括傳輸區(qū)域內(nèi)的裂縫和漿體內(nèi)部的新裂縫。在壓縮模式下，樣品斷裂的脆性低于彎曲模式，因?yàn)樵跐{體內(nèi)部產(chǎn)生和擴(kuò)展裂縫需要更多的能量。樣品在施加荷載時(shí)的斷裂情況顯示，對于中低等強(qiáng)度的混凝土，在單軸壓力試驗(yàn)中，當(dāng)應(yīng)力小于斷裂應(yīng)力的 50%時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)新的裂縫。在這一階段，粗集料附近存在一個(gè)穩(wěn)定的裂縫系統(tǒng)，稱為剪切連續(xù)性裂縫。當(dāng)應(yīng)力較大時(shí)，漿料中會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，隨著應(yīng)力的增加，裂縫也會(huì)迅速增加。漿料中存在的裂縫和過渡區(qū)域（剪切連續(xù)裂縫）最終連接在一起，形成與荷載方向成 20 至 30 度角的斷裂。由于一些碎陶瓷中存在釉料，而這一側(cè)碎陶瓷的滲透性非常低，因此過渡區(qū)過于薄弱，大多數(shù)裂縫都是從這一區(qū)域開始的。因此，使用的碎陶瓷比例越高，剪切連續(xù)性裂紋的數(shù)量就越多，對樣品斷裂的影響也就越大。

樣本的抗彎強(qiáng)度是路面設(shè)計(jì)中使用的參數(shù)之一。抗彎強(qiáng)度越高，混凝土路面的疲勞壽命越長，開裂時(shí)間也越晚。這一指標(biāo)用于設(shè)計(jì)混凝土路面。圖2顯示了不同混合物在三個(gè)不同時(shí)期的抗折強(qiáng)度。從圖中可以看出，含有碎陶瓷廢料的混合料具有更高的抗折強(qiáng)度。此外，圖中還顯示了樣品在施加荷載時(shí)的斷裂情況。

英國擺錘試驗(yàn)（BPN）是表示摩擦阻力的路面表面抗滑指數(shù)。為了測量這一阻力，對樣品采用了與前述試驗(yàn)相同的測試條件。圖3展示了不同比例陶瓷廢料的磨損結(jié)果。

采用Dorry試驗(yàn)來評估耐磨性。當(dāng)使用碎陶瓷時(shí)，摩擦磨損降低了。在樣品中添加 15%的陶瓷后，表面摩擦率降低了，這是因?yàn)樘砑恿吮砻婀饣墓橇希ㄋ樘沾桑?。與含有 15% 碎陶瓷的樣品相比，含有 30% 碎陶瓷的樣品具有更好的耐磨性。這可能是由于水泥與碎陶瓷基質(zhì)的粘結(jié)力較強(qiáng)，碎陶瓷的抗磨剛度較高；在瓷磚和陶瓷生產(chǎn)行業(yè)中，產(chǎn)品必須具有較高的耐磨性。Dorry 測試結(jié)果見圖4。

抗壓強(qiáng)度和耐磨性這兩項(xiàng)指標(biāo)用于確定碎陶瓷的最佳比例。這些指標(biāo)是碾壓混凝土樣品的主要規(guī)格。由于前面提到的兩個(gè)指標(biāo)有不同的測量單位，因此使用了坐標(biāo)軸上的標(biāo)準(zhǔn)化值。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

其中Xn代表歸一化標(biāo)準(zhǔn)值，Xi為抗壓強(qiáng)度或耐磨性指標(biāo)，其單位為MPa，Xmax和Xmin分別為對應(yīng)指標(biāo)中最大值及最小值。

4 結(jié)論

在當(dāng)今世界，管理工業(yè)廢物是保護(hù)環(huán)境的一種方式。本文根據(jù)對陶瓷廢料進(jìn)行的測試，確定了碾壓混凝土的強(qiáng)度和耐磨性，結(jié)果如下：

（1）隨著碎陶瓷廢料含量的增加，強(qiáng)度先增加，然而，隨著碎陶瓷的進(jìn)一步添加（超過 15%），碾壓混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。

（2）考慮到降低成本、保護(hù)環(huán)境、廢物管理以及增強(qiáng) 碾壓混凝土 樣品的機(jī)械性能和耐磨性能，在不同條件下使用碎陶瓷廢料是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展的行動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

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