陶瓷细骨料替代方式对混凝土抗压强度的影响

程云虹，杨四辉，张靖瑜，童柏强

(东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

混凝土是当前最大宗的人造建筑材料，用量大、用途广.吴中伟等[1]指出，现阶段我国仍处在基础设施建设时期，混凝土的使用量逐年增加，其对天然骨料的消耗量不言而喻，这将会给我国自然资源的合理开发与利用带来巨大的压力和挑战，因此要想缓解骨料资源紧张的压力，除了继续寻求新的天然骨料外，还应大力关注和发展工业废弃物，如废弃陶瓷、尾矿等在混凝土骨料方面的综合利用，这不仅可以节约资源，还能保护环境.

近年来有不少研究者在废弃陶瓷充当混凝土骨料方面进行了大量的研究工作，并且取得了一定的成果，如王长远等[2]将瓷砖破碎成再生粗、细骨料及粉末，进行全组分利用制备混凝土，并对该混凝土的耐久性进行了研究，结果表明，掺入再生骨料会劣化混凝土的抗碳化和抗冻融性能，但会提高混凝土的强度，减少收缩；刘凤利等[3]的研究表明，陶瓷再生混合砂制备的砂浆的强度变化规律与天然砂制备出的砂浆基本相同，且后期抗折强度还明显优于天然砂制备的砂浆；毋雪梅等[4]的研究表明，随着陶瓷骨料替代量的增加，混凝土力学性能会有所降低但下降幅度不超过15%；陆盛武等[5]的研究得出掺陶瓷细骨料会抑制混凝土前期的强度发展但会促进后期的强度增长的规律.

关于陶瓷细骨料在混凝土中的应用，已有的研究[6-17]大多数都是从陶瓷掺量出发，寻找掺量与混凝土各个性能之间的关系，而且在替代天然细骨料时用的替代方式都是传统的等质量替代方式，即在细度方面只要求陶瓷细骨料的细度模数与天然细骨料细度模数相近即可，然而基于陶瓷细骨料替代方式的研究鲜有报道.本研究将从陶瓷细骨料的替代方式出发，探究陶瓷细骨料的替代方式对混凝土抗压强度的影响.

1 试验原材料及混凝土配合比

1.1 试验原材料

1) 水泥:强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥.

2) 粗骨料:碎石粒径5～20 mm，连续级配，筛分结果见表1.

表1 粗骨料级配

3) 细骨料:天然河砂粒径0.15～5 mm，连续级配，细度模数为2.95，2区中砂，吸水率2.4%，筛分结果见表2.

表2 天然河砂级配

4) 陶瓷细骨料:废弃陶瓷经过破碎、筛分加工成人工细骨料，各项性能指标满足《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ 52——2006)要求，细度模数为2.95，吸水率5.2%，级配与天然河砂一样.

5) 水:饮用水.

1.2 试验设计方案

本研究共采用4种陶瓷细骨料取代天然河砂的方式，如表3所示.表中编号0表示基准组，细骨料全部为天然河砂；编号C表示“C”替代法，其中1C，2C，3C，4C，5C分别表示陶瓷细骨料等质量取代天然河砂10%，20%，30%，40%，50%(即传统替代方式，要求两种骨料细度模数相近即可)；编号P表示“P”替代法，其中1P，2P，3P，4P，5P分别表示陶瓷细骨料平均替代对应的不同粒径的天然河砂10%，20%，30%，40%，50%；编号D表示“D”替代法，其中2D，4D，6D，8D，10D分别表示陶瓷细骨料替代对应粒径(此时粒径为1.18，2.36和4.75 mm)的天然河砂20%，40%，60%，80%，100%；编号X表示“X”替代法，其中2X，4X，6X，8X，10X分别表示陶瓷细骨料替代对应粒径(此时粒径为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(粒径为1.18，2.36和4.75 mm)、X(粒径为0.15，0.30和0.60 mm)两个部分组成，且各部分天然河砂的粒径分布约占50%，因此编号为1C，1P，2D，2X这4组的取代率是等效的，均为10%，其他试验组以此类推.

表3 陶瓷细骨料取代天然河砂方案

1.3 混凝土配合比

设计混凝土水胶比为0.49，配合比如表4所示，设计坍落度70～90 mm.

表4 混凝土配合比

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

试验依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081——2019)中混凝土抗压强度试验进行，试验结果如图1所示.图2为采用“C”替代法、“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土相比基准混凝土在28 d时的抗压强度变化率.图3为采用“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土相比“C”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土在28 d时的抗压强度变化率.

由图1可知，水胶比为0.49条件下，掺有陶瓷细骨料的各组混凝土抗压强度均达到C30强度等级要求；同时可知，抗压强度的大小受到陶瓷细骨料替代方式影响较大.陶瓷细骨料掺量不超过20%时，以传统替代方式“C”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土抗压强度最高；陶瓷细骨料掺量30%时，以“P”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土抗压强度最高；陶瓷细骨料掺量40%时，以“D”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土抗压强度最高；陶瓷细骨料掺量50%时，以“X”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土抗压强度最高.

由图2可知，“C”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土的抗压强度在各种掺量条件下均呈正增长，但增长幅度有限，最大增长率为2.9%；而“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土的抗压强度在某一特定掺量下增长率较大，分别为6.3%(陶瓷细骨料掺量为50%时)，10.0%(陶瓷细骨料掺量为40%时)及10.7%(陶瓷细骨料掺量为50%时).

由图3可知，陶瓷细骨料掺量超过20%时，采用“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土的抗压强度相比于以传统替代方式的“C”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土的抗压强度在某一特定掺量下增长率达到最大，分别为2.9%(陶瓷细骨料掺量为30%时)，7.3%(陶瓷细骨料掺量为40%时)及8.5%(陶瓷细骨料掺量为50%时).

2.2 试验结果分析

对于“C”替代法而言，无论陶瓷细骨料掺量多少，制得的陶瓷细骨料混凝土抗压强度均高于基准混凝土的抗压强度，且抗压强度发展的总体趋势是随着陶瓷细骨料掺量的增加而增强，这与大多数研究者[2,4-5]得出的结论一致.主要原因是陶瓷细骨料相比于天然河砂具有较高的吸水性和较粗糙的颗粒表面所致.陶瓷细骨料的吸水性比天然河砂强，因此会导致陶瓷细骨料周围实际水胶比降低，而且随着陶瓷掺量的增加，实际水胶比降低量增大，从而使陶瓷细骨料和水泥石的黏结力得到增强，而在养护过程中，由于先前吸收的水量逐渐“释放”出来，给混凝土提供湿度较大的养护环境，有助于混凝土强度的发展.另一方面，陶瓷细骨料是经过人工破碎得到的，比天然河砂表面粗糙、多棱角，势必会增强细骨料与水泥浆体之间的黏结力，这也是陶瓷细骨料适量取代天然河砂制备的陶瓷细骨料混凝土的抗压强度高于基准混凝土抗压强度的原因.

对于“P”替代法而言，当陶瓷细骨料取代量不超过20%时，制得的陶瓷细骨料混凝土抗压强度略低于基准混凝土抗压强度，但随着陶瓷细骨料掺量的增加，陶瓷细骨料混凝土抗压强度的发展呈上升趋势.原因可能是，“P”替代法是所有粒径颗粒的平均取代，得到的新细骨料体系各粒径范围内的各种颗粒含量的变化比较均匀，使得新细骨料体系不易出现某一粒径范围内的某一种细骨料颗粒含量过多或过少的现象.各级粒径上两种细骨料均匀搭配，有利于颗粒间级配填充，并在陶瓷细骨料掺量达到一定比例时获得最密实细骨料骨架，从而使混凝土达到较高的抗压强度.

“D”替代法和“X”替代法，分别是陶瓷细骨料对天然河砂在特定粒径区间的取代，各级粒径中两种细骨料颗粒分布不均匀，故使得在一定陶瓷细骨料掺量条件下，陶瓷细骨料混凝土抗压强度较低，但当掺量达到一定比例之后，亦即陶瓷细骨料的比表面积增加到一定程度时，陶瓷细骨料的优势(较大的吸水率，多棱角的粒形)充分发挥出来，故陶瓷细骨料掺量为40%和50%时，“D”替代法和“X”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土抗压强度达到最大值.

3 结 论

1) 在水胶比为0.49的条件下，陶瓷细骨料掺量为10%，20%，30%，40%及50%时，陶瓷细骨料混凝土抗压强度和基准混凝土为同一强度等级，均到达C30强度等级要求.

2) 相比于基准混凝土的抗压强度，采用“C”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土的抗压强度最大增长率为2.9%(陶瓷细骨料掺量为40%)；采用“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土的抗压强度增长率最大，分别为6.3%(陶瓷细骨料掺量为50%)，10.0%(陶瓷细骨料掺量为40%)及10.7%(陶瓷细骨料掺量为50%).

3) 相比于传统替代方式的“C”替代法，采用“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法制备的陶瓷细骨料混凝土，在陶瓷细骨料掺量分别为30%，40%及50%时，抗压强度达到最大增长率，分别为2.9%，7.3%及8.5%.

4) 不同的陶瓷细骨料替代方式，所对应的陶瓷细骨料最佳替代量不同.“C”替代法及“D”替代法对应的陶瓷细骨料的最佳替代量为40%，“P”替代法及“X”替代法对应的陶瓷细骨料的最佳替代量为50%.

5) 不同的陶瓷细骨料掺量，所对应的最优替代方式不同.当陶瓷细骨料取代量为10%和20%时，对应的最优替代方式为“C”替代法；当陶瓷细骨料的取代量为30%，40%及50%时，对应的最优替代方式分别为“P”替代法、“D”替代法及“X”替代法.