再生陶瓷增强混凝土材料抗压强度和弹性模量的实验分析

宿晓如，谢 悦，王和兴，罗冬梅

(佛山科学技术学院 土木系， 广东 佛山 528000)

近年来，国内外学者对再生混凝土的各项性能进行了较多的研究，取得了丰硕的研究成果。但国内绝大部分研究限于废弃的混凝土，对其它废弃材料如：陶瓷、木材、玻璃、瓦片、油棕壳、橡胶纤维等研究甚少。粗骨料是水泥混凝土的主要组成成分之一，不同的粗骨料按不同级配组合，构成混凝土的基本骨架，其质量约占总质量的60%～70%。废陶瓷来源广泛，用来替代天然粗骨料，既可解决天然粗骨料不足的问题，又有利于对废陶瓷进行环保处理。程云虹等[1]发现废弃陶瓷骨料部分或全部取代天然骨料后，其强度仍能满足设计强度等级的要求。而郭宾[2]、邵莲芬等[3]则认为陶瓷粗骨料的取代率增加时，虽然陶瓷混凝土的流动性和抗折强度逐渐降低，但抗压强度有所增加。李泽峰[4]对陶瓷混凝土的力学性能做了较为详细的研究，最终认为陶瓷混凝土的强度特性与常规混凝土相近，是极具潜力的绿色混凝土。许开成等[5]将陶瓷骨料用硅烷偶联剂溶液处理后再制备陶瓷再生混凝土，测试了立方体抗压强度和弹性模量，结果表明：弹性模量提高，抗压强度也能满足要求。吴本英等[6]认为普通混凝土的配合比计算方法不适用于陶瓷粗骨料混凝土，推导出了陶瓷粗骨料混凝土配合比的设计计算方法，试验测得的陶瓷粗骨料混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量均略低于普通混凝土。曾志兴等[7]详细分析了再生陶瓷混凝土的力学性能，认为基于统计回归分析的配合比设计列线图法预测材料的力学特性较为可靠，迄今为止，关于陶瓷混凝土材料研究得到的力学性能差异性较大，配合比设计方法也不统一。

本文将废弃陶瓷破碎成不同粒径的陶瓷颗粒和陶瓷粉，部分或全部替代天然粗骨料和细沙石，研究3 d、7 d、14 d、28 d情况下，骨料替代率与骨料尺寸变化对陶瓷混凝土抗压强度和弹性模量的影响，利用Eviews多元非线性回归得到抗压强度与弹性模量的变化规律与相关参数的关系，为废弃陶瓷混凝土的有效利用提供理论依据。

1 试验设计

1.1 试验材料

水泥：海螺牌P·O42.5R水泥；砂：中砂，级配良好，密度2 600 kg/m3；石子：天然碎石，密度2 800 kg/m3，级配良好；水：普通自来水；陶瓷粗骨料：粒径大小为5～30 mm，级配良好，密度为2 250 kg/m3，陶瓷细骨料：粒径大小为0.5～1 mm，级配良好，密度为1 850 kg/m3。本试验中用陶瓷颗粒等体积替代天然石子，用陶瓷粉等质量替代细砂。

本试验中用陶瓷颗粒等体积替代天然石子，用陶瓷粉等质量替代细砂，若陶瓷颗粒等质量替代天然碎石，由于陶瓷的密度小于碎石，所需陶瓷骨料的体积增大，导致拌和后的混凝土过多，与普通混凝土相比，粗骨料周围的水泥砂浆会减小，所以采取的替代方式为陶瓷颗粒等体积替代碎石粗骨料，两种骨料均为人工破碎。

图1 陶瓷颗粒与陶瓷粉粒

1.2 配合比设计

本试验是在基准配合比的基础上，采取不同替代率的陶瓷颗粒和陶瓷粉替代粗骨料和细骨料来研究陶瓷混凝土的抗压强度和弹性模量，水灰比为0.5，为避免在拌合过程中陶瓷吸水造成水灰比的变化，在试验前用水充分浸泡陶瓷颗粒24 h，在试验搅拌前10 min取出，待表面水分蒸发后再进行拌合。试验配合比见表1。

1.3 试验过程分析

通过观察可知，从裂缝出现到试件破坏，陶瓷混凝土的裂缝发展规律和最终破坏形式与普通混凝土类似。开始加载时，试件表面无肉眼可见的裂缝，随着荷载的增加，试件侧面角部的混凝土开始剥落，出现可见的裂纹，荷载继续增加，裂纹进一步发展，当接近极限荷载时，裂纹迅速发展并贯穿试件，最终试件完全破坏。观察破坏面后发现，陶瓷混凝土试件的破坏大多发生在陶瓷粗骨料与水泥、细骨料间的粘结界面，大部分陶瓷粗骨料保持完好。图2(c)为弹性模量测定过程，试验前调整测定仪位置，使其中心与试件轴心、上下承压板的中心对准，测定过程中及时读取千分表上的数据并记录。测定结束后，试件表面出现裂缝，但并没有完全破坏，如图2(d)所示。

表1 陶瓷混凝土配合比

注：A表示用陶瓷颗粒替代粗骨料(石子)，B表示用陶瓷粉替代细骨料(砂)

图2 试验过程分析

1.4 试验数据处理

针对混凝土的受压应力-应变曲线，国内外学者提出了许多不同的曲线方程，本文试验得到不同龄期的混凝土受压应力-应变曲线如图3所示，采用混凝土规范附录[10]中的混凝土单轴受压应力-应变曲线方程：

y=a0+a1x+a2x2+a3x3(x≤1)

(1)

显然a1与龄期、替代率、抗压强度有关，而《混凝土结构设计规范》附录[10]规定C60以下不同强度混凝土单轴受压的应力-应变曲线上升段的参数值的计算公式：

αa=2.4-0.012 5fcu

(2)

方程满足下列条件：

代入方程(1)可得到

y=a1x+(3-2a1)x2+(a1-2)x3(x≤1)(a1>0)

(3)

式中，fcu为普通混凝土的抗压强度。

利用Eviews通过多元非线性回归得到a1与应力-应变曲线参数、龄期、替代率的表达式a1为：

(4)

式中，p为替代率，d为龄期，将相关数据代入方程(4)得到结果如表2所示。

表2 式(4)中的参数a1

a1/%3 d7d14 d28 d01.525 4081.609 4781.873 7032.156 431301.095 9451.245 1501.525 4082.010 657500.830 004 40.926 756 61.387 7381.916 325701.290 2751.450 0411.660 5532.317 4541001.711 5291.829 2011.966 0932.692 377

根据试验得到的混凝土强度，进行多元非线性回归，得出陶瓷混凝土的抗压强度与普通混凝土抗压强度、体积分数和龄期回归方程为

F=-0.063 163fcu+fcu×e0.002 112p+

0.006 299d2-0.348 930p+0.003 30p2

(5)

式中，F为陶瓷混凝土的抗压强度； 陶瓷混凝土峰值应力对应的峰值应变为：

(6)

该回归方程的决定系数为R2=0.934 121，该值通过了t-检验和F-检验。基于上述方程得到本文的陶瓷混凝土本构方程为：

σ=F[a1ε+(3-2a1)ε2+(a1-2)ε3]

(7)

式中ε=x×εF

图3 不同陶瓷粗骨料替代率下混凝土材料的应力-应变关系

图4 试验值与回归值的关系(40%替代率)

2 试验结果分析

2.1 质量

图5和图6分别表示了陶瓷粗骨料混凝土和陶瓷细骨料混凝土的质量与骨料替代率的关系。试件的质量均随着骨料替代率的增加而减小，说明陶瓷骨料在减小建构筑物的质量方面是有利的。

图5 陶瓷混凝土质量与替代率的关系(粗骨料)

图6 陶瓷混凝土质量与替代率的关系(细骨料)

2.2 抗压强度分析

图7为不同龄期的试件的抗压强度随骨料替代率的变化，图8为不同替代率的试件的抗压强度随龄期的变化。

图7 抗压强度随龄期和替代率的变化关系(粗骨料)

图8 抗压强度随龄期和替代率的变化关系(粗骨料)

由图7可知，随着替代率的增加，混凝土的抗压强度先减小后增大，在100%替代时，强度达到最大，龄期越短，强度变化差值越大，这是因为试验前陶瓷骨料充分吸收水分达到饱和状态，将水分储存在骨料内部，起到蓄水作用，为后续养护过程中水泥水化和凝结硬化提供足够的水分，这有利于混凝土强度的发展，当周围环境或混凝土表面水分蒸发后，骨料内部可以释放出一部分水让混凝土可以在长时间内保持湿度，使混凝土的强度得到发展，这叫做混凝土的“内养护”，比外养护更经济[9]。图8显示粗骨料替代率为50%时，不论龄期长短，试件的抗压强度始终最低，替代率为100%时，抗压强度最大。

由图9可知，不同龄期的试件，随着陶瓷细骨料替代率的增加，抗压强度逐渐减小，龄期越小，减小得越显著。由于陶瓷细骨料与水泥的粘聚力小于砂与水泥的粘聚力，导致抗压强度急剧减小，此外，由于陶瓷细骨料的密度远小于砂的密度，引起陶瓷混凝土密实度的下降，因此陶瓷细骨料替代天然砂并无意义。

2.3 弹性模量分析

《混凝土结构设计规范》中规定混凝土弹性模量计算公式如下[10]：

Ec=105/(2.2+34.7/fcu,k)

(8)

fck=0.88×αc1×αc2×fcu,k

(9)

其中：fcu,k为立方体抗压强度，fck为轴心抗压强度。

αc1为棱柱体强度与立方体强度之比：对C50及以下普通混凝土取αc1=0.76；对高强混凝土C80取αc1=0.82，中间按线性规律变化插值。

C40以上的混凝土考虑脆性折减系数αc2： 对C40取1.0；对高强混凝土C80取0.87，中间按线性规律变化插值。

本文混凝土强度为C30，故

Ec=105/(2.2+23.207/fck)

(10)

各试件不同替代率下测得的弹性模量试验值与利用式(10)的计算结果如图10所示。

图9 陶瓷混凝土抗压强度与替代率的关系(细骨料)

图10 替代粗骨料弹性模量公式计算与试验结果

由图10可知，弹性模量与抗压强度的变化规律一致。龄期较短时，公式计算结果大于试验结果，随着龄期的增加，弹性模量逐渐稳定，试验结果从14d开始大于公式计算。随着替代率的增加，混凝土的抗压强度先减小后增大，替代率大约50%时，弹性模量最低，随后继续随替代率的增大而增大，在100%替代时，强度达到最大。由此可见，用粒径较大的陶瓷粗骨料替代天然骨料时，替代率越高越有利于提高材料的力学性能。

图11为细骨料混凝土的弹性模量变化曲线。与粗骨料的情况不同， 随着替代率的增大，弹性模量逐渐减小，龄期较短时，弹性模量较小，随着龄期增加，弹性模量也逐渐增大。实验结果与公式计算所得结果较为吻合。

图11 替代细骨料弹性模量公式计算与试验结果比较

3 结论

本文将废弃陶瓷人工破碎成粒径不同的粗骨料和细骨料，将粗骨料部分或全部替代天然粗骨料，将细骨料部分替代细砂石，以一定的配合比制作再生陶瓷增强混凝土试件，利用轴心抗压试验测试试件的抗压强度和弹性模量，利用Eviews多元非线性回归进行数值拟合，得到再生陶瓷混凝土的抗压强度与陶瓷骨料替代率、龄期等参数的解析关系。结果表明粒径较大的陶瓷粗骨料不会降低抗压强度和弹性模量，但替代率较小时抗压强度和弹性模量会降低，替代率在50%的情况达到最低，随后则随替代率的增大逐步增大，直至全部替换。陶瓷细骨料的粒径太小时，陶瓷粉末与水泥的粘聚力小于砂与水泥的粘聚力，导致抗压强度和弹性模量都减小，不利于改善混凝土的强度和刚度。

[1] 程云虹，黄菲，刘佳.废弃陶瓷骨料混凝土强度试验研究[J].公路，2012(11)：75-78.

[2] 郭 宾.陶瓷再生粗骨料混凝土力学性能与耐久性研究[J].江西建材，2016(4)：14-16.

[3] 邵莲芬，张文忠.陶瓷再生粗骨料混凝土力学性能与耐久性研究[J].新型建筑材料，2014(9)：33-35.

[4] 李泽峰.陶瓷废料粗骨料混凝土的研究[J].山西建筑，2014，40(23)：152-153.

[5] 许开成，方苇，陈梦成，等.陶瓷再生粗骨料混凝土力学性能研究[J].实验力学，2014，29(4)：474-480.

[6] 吴本英，周锡武，曾鸿钰，李思林.陶瓷粗骨料混凝土配合比设计和性能试验[J].公路，2015(1)：149-155.

[7] 曾志兴，万超.再生陶瓷混凝土的力学性能与配合比设计[J].四川建筑科学研究，2009，35(3)：193-196.

[8] SENTHAMARAI R M,MANOHARAN P D,GOBINATH D.Concrete made from ceramic industry waste:Durability properties [J].Construction and Building Materials,2011,25:2413-2419.

[9] 曾志兴，万超.再生陶瓷粗骨料混凝土的力学性能研究[C].高强与高性能混凝土及其应用——第七届全国高强与高性能混凝土学术交流会论文集，2010.

[10] GB 50010—2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[11] GB/T 50081—2002.普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[12] JGJ 55—2011.普通混凝土配合比设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[13] SENTHAMARAI R M.,DEVADAS P.Manoharan.Concrete with ceramic waste aggregate [J].Cement & Concrete Composites,2005,27:910-913.

[14] DE BRITO.Mechanical behavior of non-structural concrete made with recycled ceramic aggregates [J].J Cement and Concrete Composites，2005(27):429-433．

[15] LI J,CHEN X M.Modified Ba3Sm3Ti5Ta5O30dielectric ceramics [J].Journal of European Ceramic Society,2001,21:155-159.

[16] HELENE P,MONTEIRO P J M,Designing concrete mixtures for strength elastic modulus and fracture energy [J].Mater Struct,1993,26(162):443-452.

[17] 万超.再生陶瓷粗骨料混凝土基本力学性能与碳化试验研究[D].泉州:华侨大学， 2009.

[18] ZHOU H F，LIU X B，CHEN X L，et al． ZnLi2/3Ti4/3O4：A new low loss spinel microwave dielectric ceramic [J].Journal of the European Ceramic Society,2012,32:261-265．