肖琪聃，馮留洋，徐釩棟，尹曉萌，李 政

(1.信陽(yáng)師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院/河南省新型環(huán)保土木工程材料工程研究中心，河南 信陽(yáng) 464000； 2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

近年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土木工程建設(shè)也在迅速發(fā)展，同時(shí)也造成了各種不可修復(fù)的環(huán)境問(wèn)題。由于過(guò)度地開(kāi)采砂子、石子等不可再生資源，導(dǎo)致這些自然資源出現(xiàn)了嚴(yán)重的短缺[1-2]。中國(guó)是生產(chǎn)陶瓷的大國(guó)，每年的廢陶瓷總量約為1000萬(wàn)t，建筑拆建也會(huì)產(chǎn)生大量的廢陶瓷，處理廢陶瓷的問(wèn)題亟待解決[3-4]。利用廢陶瓷制作再生骨料混凝土對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源具有深遠(yuǎn)的意義，還能夠減少城市垃圾的堆放占地，避免污染環(huán)境，促進(jìn)廢棄陶瓷的資源化利用[5]。

國(guó)外很早就開(kāi)始了再生骨料混凝土的研究，并取得了一定成果[6-8]，國(guó)內(nèi)在這方面的研究仍處在起步階段?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)于將廢陶瓷作為骨料制作再生廢陶瓷骨料混凝土(Recycled Ceramic Aggregate Concrete, RCAC)進(jìn)行了大量的研究工作。JIMENEZ等[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)廢陶瓷骨料的取代率為5%時(shí)，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度提升最高為7%。PACHECO-TORGAL等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)廢陶瓷骨料完全取代天然石子時(shí)，制備的混凝土試件力學(xué)性能提高了8%。米永剛等[11]通過(guò)再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete, RAC)力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了不同取代率及不同使用壽命的骨料對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。肖建莊等[12]研究發(fā)現(xiàn)再生混凝土的沖切承載力較普通混凝土略低。

本試驗(yàn)以C30混凝土為基準(zhǔn)混凝土，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)普通混凝土進(jìn)行試配，通過(guò)分析抗壓強(qiáng)度選取最佳水灰比0.45，分別用20%、35%、50%、65%、100%的廢陶瓷骨料取代率，等質(zhì)量代替天然石子制備RCAC，研究取代率對(duì)RCAC力學(xué)性能影響的規(guī)律，找出最優(yōu)取代率。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，使用不同取代率的廢陶瓷粗骨料代替天然粗骨料，均會(huì)不同程度地造成RCAC力學(xué)性能的下降。本試驗(yàn)選取50%的廢陶瓷骨料摻量，通過(guò)三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究RCAC力學(xué)性能最優(yōu)時(shí)，粗骨料的粒徑級(jí)配、硅灰、玄武巖纖維的摻量。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用標(biāo)號(hào)為42.5的硅酸鹽水泥。其物理和力學(xué)性能如表1所示。

試驗(yàn)采用的砂子來(lái)自本市當(dāng)?shù)氐奶烊缓由?，表觀密度為2607 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.68。

本試驗(yàn)選取本地的玄武巖碎石作為天然粗骨料，廢瓷磚經(jīng)破碎后作為再生粗骨料。顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，滿足規(guī)范的要求，粗骨料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

本實(shí)驗(yàn)所采用的玄武巖纖維各項(xiàng)指標(biāo)如表4所示，所采用硅灰的粒徑為0.20 μm。

表1 P.O 42.5物理力學(xué)性能指標(biāo)Tab. 1 Physical and mechanical properties of P.O 42.5

表2 粗骨料顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Results of coarse aggregates particle grading test

表3 粗骨料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)Tab. 3 Technical indexes of coarse aggregate

表4 玄武巖纖維各項(xiàng)指標(biāo)Tab. 4 Basalt fiber indexes

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方法

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)[13]中配合比的設(shè)計(jì)要求對(duì)配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)：C(水泥)∶W(水)∶S(砂子)∶CA(粗骨料)=477.8∶215.0∶512.9∶1 141.7，其中廢陶瓷粗骨料的取代率分別為0%、20%、35%、50%、65%、100%，制備普通C30混凝土和RCAC，配合比見(jiàn)表5。試件制備過(guò)程如下：先將砂子、水泥干拌5 min后停止拌和，倒入粗骨料并繼續(xù)攪拌1 min后，加入試驗(yàn)用水再持續(xù)攪拌2 min，然后將新拌混凝土裝模振搗。分別制作三種不同規(guī)格的試件： 100 mm×100 mm×100 mm、150 mm×150 mm×300 mm和150 mm×150 mm×600 mm，這三種規(guī)格的試件分別用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試及劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試、軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試和彈性模量測(cè)試、抗折強(qiáng)度測(cè)試。

表5 RCAC配合比Tab. 5 RCAC mix proportion

選取50%取代率的RCAC進(jìn)行增強(qiáng)增韌試驗(yàn)，在不改變?cè)囼?yàn)配合比的情況下，通過(guò)正交試驗(yàn)，研究各因素水平對(duì)RCAC力學(xué)性能的影響，正交試驗(yàn)方案如表6所示。其中A代表纖維的體積摻量(%)，B代表硅灰等質(zhì)量取代水泥的摻量(%)，C代表粗骨料粒徑10～20 mm與5～10 mm的質(zhì)量比。試件制備過(guò)程如下: 為使纖維分散，首先將砂子、水泥、硅灰及玄武巖纖維混合后干拌10 min，然后停止攪拌。加入粗骨料后繼續(xù)攪拌1 min，然后加入試驗(yàn)用水再持續(xù)攪拌2 min，然后將新拌混凝土裝模振搗。制作三種不同規(guī)格的試件分別用于抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的測(cè)試。

表6 RCAC三因素三水平正交試驗(yàn)方案Tab. 6 Orthogonal experimental scheme of three factors and three levels

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB /T50081-2002)[14]的相關(guān)要求對(duì)RCAC的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將各試件用薄膜封蓋后于溫度為20±5 ℃的環(huán)境下靜置24 h，拆模。然后，立即將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d ，分別測(cè)試其力學(xué)性能指標(biāo)。

2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試件破壞形態(tài)

如圖1所示，RCAC與普通混凝土的破壞形態(tài)對(duì)比可知，隨著廢陶瓷取代率的增加RCAC試件破壞時(shí)的環(huán)箍效應(yīng)減弱。當(dāng)廢陶瓷骨料的取代率為100%時(shí),試件破壞時(shí)的環(huán)箍效應(yīng)最弱，此時(shí)由于混凝土的抗拉強(qiáng)度降低，很難形成錐形破壞，裂縫會(huì)直接從中部貫穿試件。同時(shí)，通過(guò)分析斷裂面破壞情況可知，當(dāng)廢陶瓷骨料取代率小于50%時(shí)，斷裂面處的膠凝材料和粗骨料都出現(xiàn)了斷裂；當(dāng)廢陶瓷骨料取代率超過(guò)50%并繼續(xù)增加時(shí)，斷裂面發(fā)生的主要是廢陶瓷骨料與水泥漿體交界面的界面破壞。初步推測(cè)廢陶瓷骨料表面與水泥漿體黏結(jié)強(qiáng)度較低是RCAC破壞的主要原因。

圖1 受壓工況Fig. 1 Compressive conditions

如圖2所示，RCAC試件會(huì)隨著廢陶瓷取代率的增大而呈現(xiàn)不同的破壞形式，與普通混凝土試件的破壞形式不同。對(duì)于RCAC來(lái)說(shuō)，當(dāng)取代率不超過(guò)50%時(shí)，隨著加載壓力的逐漸增大，裂紋最先在試件的上下端部出現(xiàn)，逐漸向中部延伸，直至裂紋進(jìn)入非穩(wěn)定狀態(tài)，試件破壞。當(dāng)取代率超過(guò)50%后，隨著壓力的增大RCAC的中部最先出現(xiàn)裂紋，接著裂紋逐漸向兩端延伸，裂縫最終豎向貫穿試塊，直至試件破壞。

圖2 軸心受壓工況Fig. 2 Axial compressive conditions

2.2 力學(xué)性能分析

如圖3所示，抗壓強(qiáng)度受再生陶瓷粗骨料的取代率的影響比較大。當(dāng)取代率為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高為39.2 MPa，相對(duì)于天然骨料混凝土下降了1%；當(dāng)取代率增加到50% 時(shí)，RCAC的抗壓強(qiáng)度為 35.6 MPa，比普通混凝土下降約 10%；混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著廢陶瓷骨料取代率的不斷增大而持續(xù)降低，當(dāng)廢陶瓷骨料取代率達(dá)到50%后，抗壓強(qiáng)度的降低幅度迅速增大，直到取代率為100%時(shí)，降低幅度達(dá)到最大值28%。

圖3 抗壓強(qiáng)度與取代率的關(guān)系Fig. 3 Relationship between compressive strength and replacement rate

如圖4所示，RCAC的劈裂抗拉強(qiáng)度隨廢陶瓷骨料取代率變化的情況與抗壓強(qiáng)度的變化情況基本一致。在取代率增加到50%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度為 4.04 MPa，相較于普通混凝土，降低了約7 %。在替代率為100%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度為 2.87 MPa，此時(shí)，RCAC的拉壓比為0.094 2，滿足普通混凝土拉壓比的要求。

圖4 劈裂抗拉強(qiáng)度與取代率的關(guān)系Fig. 4 Relationship between splitting tensile strength and replacement rate

如圖5所示，RCAC的抗折強(qiáng)度在取代率不大于50%時(shí)受取代率的影響變化較小，但總體呈下降趨勢(shì)。對(duì)比普通混凝土，當(dāng)廢陶瓷取代率為20%～50%時(shí)，抗折強(qiáng)度無(wú)明顯變化，當(dāng)廢陶瓷取代率超過(guò)50%后，隨著取代率的增加抗折強(qiáng)度明顯降低，直到取代率為100%時(shí)，抗折強(qiáng)度最低為4.59 MPa，與普通混凝土的抗折強(qiáng)度相比降低了約 14.50%。

圖5 抗折強(qiáng)度與取代率的關(guān)系Fig. 5 Relationship between flexural strength and replacement rate

如圖6所示，隨著取代率的增加，RCAC軸心抗壓強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)取代率不大于50%時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度下降的程度很小，當(dāng)取代率為50%時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度為 29.8 MPa，較普通混凝土下降了6.29%。當(dāng)廢陶瓷替代率大于 50%后，下降幅度迅速增大。當(dāng)替代率增加到100%時(shí)，RCAC的軸心抗壓強(qiáng)度為26.2 MPa,較普通混凝土下降17.6%。

如圖7所示，隨著取代率的增加，RCAC彈性模量逐漸減小,關(guān)系曲線接近直線。當(dāng)取代率為20%、35%、50%、100%時(shí)，與普通混凝土相比，彈性模量分別降低了2.36%、6.76%、 8.78%、10.10%和14.50%。

圖6 軸心抗壓強(qiáng)度與取代率的關(guān)系Fig. 6 Relationship between axial compressive strength and replacement rate

圖7 彈性模量與取代率的關(guān)系Fig. 7 Relationship between elastic modulus and replacement rate

3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

采用三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)摻加礦物摻合料、纖維和改變粗骨料的粒徑級(jí)配來(lái)增強(qiáng)RCAC的力學(xué)性能并分別進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。硅灰摻量、粗骨料粒徑、纖維摻量對(duì)RCAC力學(xué)性能的影響如圖8所示。

表7 RCAC正交試驗(yàn)結(jié)果Tab. 7 Orthogonal test results of three factors and three levels of RCAC

圖8 抗折、抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度與各因素水平的關(guān)系Fig. 8 Relationship between mechanical properties and the level of various factors

經(jīng)過(guò)分析可知，當(dāng)纖維摻量為0.15%、粗骨料粒徑范圍(10～20 mm,5～10 mm)質(zhì)量比為5∶2時(shí)，對(duì)RCAC的性能增強(qiáng)效果均最大；當(dāng)硅灰的摻量為10%時(shí)，抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度最大，當(dāng)摻量為15%時(shí)對(duì)抗壓強(qiáng)度提高最大。因此，混凝土增強(qiáng)增韌的最優(yōu)組合為：玄武巖纖維體積摻量為0.15%、硅灰摻量為15%、粗骨料粒徑范圍(10～20 mm,5～10 mm)質(zhì)量比為5∶2。

4 結(jié)論

(1)在相同配比的條件下，RCAC的力學(xué)性能較普通混凝土有所下降，隨著廢陶瓷骨料取代率的增加，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)逐漸降低。

(2當(dāng)廢陶瓷骨料取代率不大于50%時(shí)，廢陶瓷骨料混凝土的力學(xué)性能降低幅度較小，當(dāng)廢陶瓷取代率大于 50%時(shí)，RCAC 的力學(xué)性能?chē)?yán)重下降。因此，綜合考慮力學(xué)性能、成本節(jié)約和環(huán)境保護(hù)等各方面因素，選取50%作為廢陶瓷骨料的最佳取代率。

(3)正交試驗(yàn)中，改進(jìn)RCRA力學(xué)性能的最優(yōu)組合方案為：玄武巖纖維體積摻量為0.15%、硅灰摻量為15%、粗骨料粒徑范圍(10～20 mm,5～10 mm)質(zhì)量比為5∶2。