再生陶瓷混凝土抗壓強度及彈性模量試驗研究

王伊 黃宏 帥子坤 胡文斌

摘要：【目的】為研究不同再生陶瓷骨料類型和取代率對混凝土抗壓強度和彈性模量的影響，利用再生陶瓷細骨料以0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%取代率等質量替換天然河砂制作再生陶瓷細骨料混凝土（CRFC）?！痉椒ā吭谠偕沾杉毠橇先〈?00%）天然細骨料的基礎上，采用再生陶瓷粗骨料等質量替換天然碎石制作再生陶瓷粗細骨料混凝土（CRC），研究CRFC和CRC的物理性能和力學性能，分析廢棄墻地磚陶瓷作為混凝土再生骨料的可行性?！窘Y果】研究表明：采用再生陶瓷細骨料取代天然細骨料配制的CRFC在和易性、抗壓強度和彈性模量等性能方面與普通混凝土相差不大；CRC的抗壓強度和彈性模量隨再生陶瓷粗骨料取代率的增加而顯著降低?！窘Y論】廢棄陶瓷磚可以作為粗、細骨料用于制備混凝土。采用再生陶瓷粗骨料時需要根據其吸水率加入附加用水以確?；炷涟韬衔锏暮鸵仔?；界面過渡區的粘結強度和粗骨料類型是分別影響CRFC和CRC破壞形態的主要因素；再生陶瓷細骨料全部取代天然細骨料時，建議再生陶瓷粗骨料取代率小于50%。

關鍵詞：再生陶瓷混凝土；粗骨料；細骨料；抗壓強度；彈性模量

中圖分類號：T528 文獻標志碼：A

本文引用格式：王伊，黃宏，帥子坤，等. 再生陶瓷混凝土抗壓強度及彈性模量試驗研究[J]. 華東交通大學學報，2024，41（1）：38-45.

Experimental Study on Compressive Strength and Elastic Modulus

of Recycled Ceramic Concrete

Wang Yi1，2， Huang Hong1，2， Shuai Zikun1，2， Hu Wenbin1，2

（1. State Key Laboratory of Performance Monitoring and Protecting of Rail Transit Infrastructure， East China Jiaotong

University， Nanchang 330013， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， East China

Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： 【Objective】Recycled ceramic fine aggregate was used to replace natural river sand with a quality of 0， 10%， 20%， 30%， 40%， 50%， 60%， 70%， 80%， 90%， and 100% replacement rate to create recycled ceramic fine aggregate concrete （CRFC） to investigate the effects of various types and replacement rates of recycled ceramic aggregate on the compressive strength and modulus of elasticity of concrete. 【Method】To create recycled ceramic coarse and fine aggregate concrete （CRC）， natural gravel was substituted based on the replacement rate of recycled ceramic fine aggregate （100%） with natural fine aggregate. The physical and mechanical properties of CRFC and CRC were investigated， as well as the viability of using wasted tile ceramics as recycled concrete aggregate. 【Result】The results show that： The workability， compressive strength， and elastic modulus of CRFC made with recycled ceramic fine aggregate are similar to those of normal concrete. As the replacement rate of recycled ceramic coarse aggregate increased， the compressive strength and elastic modulus of CRC dropped dramatically. 【Conclusion】 Waste ceramic bricks can be utilized as coarse and fine aggregate in concrete preparation. To ensure concrete workability while utilizing recycled ceramic coarse aggregate， additional water should be supplied by its water absorption rate. The bond strength in the interfacial transition zone and coarse aggregate type are the main factors influencing the failure patterns of CRFC and CRC， respectively. It is suggested that the replacement rate of recycled ceramic coarse aggregate is less than 50% when natural fine aggregate is totally replaced by recycled ceramic fine aggregate.

Key words： recycled ceramic aggregate concrete; coarse aggregate; fine aggregate; compressive strength; elastic modulus

Citation format：WANG Y， HUANG H， SHUAI Z K， et al. Experimental study on compressive strength and elastic modulus of recycled ceramic concrete[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（1）： 38-45.

【研究意義】對廢棄陶瓷進行回收加工成再生陶瓷粗、細骨料替代混凝土中天然碎石、砂制備再生陶瓷混凝土，既可以解決大量廢棄陶瓷造成的環境問題和材料浪費，又可以緩解天然資源的短缺。

【研究進展】廢棄陶瓷可根據不同骨料粒徑配制為再生陶瓷粗骨料混凝土[1-3]、再生陶瓷細骨料混凝土[4]及陶瓷摻合料混凝土[5-6]?？箟簭姸群蛷椥阅Ａ渴腔炷陵P鍵的力學性能。近年來學者們針對抗壓強度和彈性模量對再生混凝土進行研究，得出了多種不同的結論。Medina等[7-9]指出陶瓷粗骨料因比表面積大，使其與水泥砂漿黏結較強，從而提高了混凝土的抗壓強度。Rashid等[10]的研究表明陶瓷粗骨料取代率為20%～30%時，混凝土的抗壓強度均高于對照組。Anderson等[11]研究發現，取代率為100%時，地磚、墻磚和廢瓦粗骨料混凝土的抗壓強度分別比普通混凝土降低了4.3%、5.6%和28.3%，而彈性模量值則提高了26.9%。Alves等[12]發現取代率為100%的再生磚細骨料和再生衛生陶瓷細骨料混凝土與對照組的彈性模量相比最大降幅分別為26%和29%。

【創新特色】綜上所述，不同再生陶瓷骨料類型和不同取代率對再生陶瓷混凝土力學性能的影響也不同，對于同時取代再生陶瓷粗、細骨料混凝土的研究也鮮少報道。本文的研究目的是探討再生陶瓷細骨料與天然砂的替代方案，以及不同取代率對混凝土抗壓強度和彈性模量的影響，并評估再生陶瓷作為混凝土骨料的可行性?！娟P鍵問題】探究再生陶瓷混凝土的力學性能有利于擴大再生陶瓷骨料在實際工程中的應用范圍，并提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 再生陶瓷混凝土材料

再生陶瓷骨料來源于江西省高安市某加工廠加工的廢棄瓷板。將廢棄瓷板經除土處理后，通過機器破碎、篩分成粒徑小于2 mm的陶瓷細骨料及5～20 mm的陶瓷粗骨料。圖1為陶瓷骨料樣本，其中陶瓷粗骨料（ceramic coarse aggregate， CCA， 圖1（a））為淡褐色，粒形多呈方矩體，大部分粗骨料帶釉面，顆粒尖銳有棱角；陶瓷細骨料（ceramic fine aggregate， CFA， 圖1（b））為白色或灰白色，表面細膩。天然砂（簡稱NFA）為贛江河砂，天然碎石（簡稱NCA）為石灰巖礫石，水泥為普通硅酸鹽P·O 42.5級水泥，拌合水為自來水。與天然粗骨料相比，再生陶瓷粗骨料表觀密度較?。ū?），表觀密度越小孔隙率越大，孔隙率越大吸水率也越大。為了確定其飽和面干吸水率，根據《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ 52—2006）對陶瓷骨料和普通骨料進行了烘干測試，并將其浸泡時長分別設定為2，5，10 min，表1為再生陶瓷骨料和天然骨料的主要指標性能。

1.2 骨料的顆粒級配

表2為陶瓷骨料和天然骨料的篩余率。級配分別采用粗骨料連續粒級5～16 mm和細骨料Ⅰ級配區。表2和圖2表明本文采用的再生陶瓷粗、細骨料達到了普通混凝土標準要求，可以用于制備再生陶瓷混凝土。

1.3 混凝土配合比

研究中，將再生陶瓷骨料類型和取代率作為主要參數，并分兩批制備再生陶瓷混凝土，兩批混凝土的取代率均為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。不同的是第一批混凝土的粗骨料仍然采用天然粗骨，細骨料采用再生陶瓷細骨料等質量取代天然砂，制備再生陶瓷細骨料混凝土（ceramic recycled fine concrete， CRFC）。第二批混凝土的細骨料全部采用再生陶瓷細骨料，在此基礎上天然粗骨料被再生陶瓷粗骨料等質量取代，制備再生陶瓷粗細骨料混凝土（ceramic recycled concrete， CRC）。每組試塊由6個立方體（150 mm×150 mm×150 mm）和6個棱柱體（150 mm×150 mm×300 mm）組成，總計264個，用于測量7 d和28 d的抗壓強度和彈性模量。同時，陶瓷細骨料取代率為0%的混凝土是普通混凝土（normal concrete， NC）。

試驗中以再生陶瓷細骨料取代率為0%的普通混凝土作為基準配合比，保持凈水灰比為0.45不變，混凝土設計強度等級為C40。采用坍落度試驗確定混凝土拌合物的和易性。經試配后發現，普通混凝土和CRFC可以達到設計規程中和易性要求，而按照普通混凝土的配合比設計的CRC出現水泥砂漿不足，無法包裹住陶瓷顆粒，無法振搗的情況。原因是再生陶瓷粗骨料比天然碎石孔隙率大吸水率高，在拌合過程中陶瓷骨料吸附了用于水化反應的自由水，導致混凝土和易性變差。為了確保再生陶瓷粗骨料混凝土的凈水灰比保持在0.45，本文提出了一種基于自由水灰比的混凝土配合比設計方法，即混凝土中的水由自由水和附加水組成，以確?；炷恋馁|量和性能。根據表1再生陶瓷骨料吸水率試驗結果，陶瓷粗骨料在水中完全浸泡5 min后，其內部水基本達到飽和。取5 min時再生陶瓷粗骨料的吸水率為CRC的附加用水量，各組混凝土的附加水量列于表3。加入附加水后，CRC坍落度達到設計規程標準。

取代率r的計算方法為：浸水5 min后的再生陶瓷骨料的質量（干燥的陶瓷骨料和附加水）與所有粗骨料總質量（浸水后的陶瓷骨料和天然骨料）的比值。按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）計算出不同取代率下CRFC和CRC的配合比，各組混凝土配合比如表3所示，表中NC代表普通混凝土。CRFC-10中CRFC代表再生陶瓷細骨料混凝土，10代表陶瓷細骨料取代率為10%；CRC-100-10中CRC代表再生陶瓷粗、細骨料混凝土，100代表細骨料取代率為100%，10代表粗骨料取代率為10%，以此類推。

1.4 試驗方法

混凝土攪拌設備為45 L混凝土單臥軸臥式混凝土攪拌機。在拌和之前，對粗、細骨料進行含水率計算，并根據表3中的混凝土配合比配制出各組混凝土。在攪拌過程中，先將粗骨料與總用水（自由水和附加水）倒入攪拌機使其進行預浸泡，5 min后加入水泥，攪拌90 s后添加細骨料，最后混凝土攪拌機再運轉180 s，直到混凝土攪拌均勻后倒入立方體和棱柱體模具中。將模具放在振搗臺上振搗1 min，然后用塑料保鮮膜將其封口，放入標準養護室內，經過24 h的養護。取出后，將脫模后的試塊放置在常溫環境下（溫度高于20 ℃），并覆蓋上混凝土養護布，以確保溫度和濕度保持穩定，然后在養護布上灑水養護7 d，最后自然養護21 d。圖3為養護24 h脫模后普通混凝土與取代率為100%的CRFC和CRC的表面狀態，可以看出普通混凝土、CRFC和CRC分別處于基本干燥、半濕潤和完全濕潤狀態。這是因為陶瓷骨料具有較高的吸水率，且陶瓷粗骨料的表觀密度孔隙率小于陶瓷細骨料，拌合過程中附加水保存在陶瓷骨料的孔隙中，隨著時間推移附加水逐漸從骨料中擴散至骨料表面參與水化反應或蒸發，這使再生陶瓷混凝土在脫模前后即養護初期具有更好的養護效果。分別在第7天和第28天對混凝土試塊進行抗壓強度及彈性模量測試，測試過程選用WHY-2000型微機控制壓力試驗機。以0.5 MPa/s的速度持續均勻地對試塊施加壓力，直至試塊破壞，試驗結束。

2 試驗結果與分析

2.1 表觀密度及塌落度

各組混凝土拌合物的坍落度和表觀密度列于表4，表中fcu，7和fcu，28分別為混凝土7，28 d立方體抗壓強度；Ecm為混凝土彈性模量實測值；Δ為與對照組混凝土的相對差值。圖4為不同類型的陶瓷骨料和不同取代率下混凝土拌合物的表觀密度，CRFC和CRC在相同體積下，其質量都比普通混凝土小。這是因為陶瓷骨料的表觀密度比天然骨料小，隨陶瓷骨料取代率的提高，拌合物的密度也會下降。當陶瓷細骨料取代率為100%，陶瓷粗骨料取代率大于30%時，再生陶瓷混凝土的表觀密度小于1 950 kg/m3，根據《輕鋼輕混凝土結構技術規程》（JGJ 383—2016）可被劃分為輕質混凝土。圖5為不同陶瓷骨料類型和取代率下混凝土拌合物的坍落度，各組混凝土拌合物的坍落度在165～190 mm，根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）屬于S4級混凝土拌合物（坍落度＞160 mm），這表明采用本文提出的配合比配制的再生陶瓷混凝土與一般普通混凝土在和易性方面沒有顯著差異，各組混凝土均能達到設計標準要求。

2.2 破壞形態

對CRFC和CRC進行抗壓強度測試，得到其最終破壞形態，CRFC試塊的破壞形態主要分為兩種：界面過渡區破壞和整體剪切破壞，兩種破壞形態分別如圖6（a），圖6（b）所示。CRFC試塊的取代率為50 %時發生界面過渡區破壞（圖6（a）），從斷裂面可以看到天然粗骨料較完整，并未發現貫穿粗骨料裂縫，斷面均發生在粗骨料與水泥砂漿界面過渡區，形成與受壓方向平行的多個裂縫面，當裂縫貫通整個試件后，即為界面過渡區劈裂破壞。CRFC試塊的取代率為80%時發生整體剪切破壞（圖6（b）），混凝土破壞面上未觀測到天然粗骨料，與取代率為50%的試塊相比，斷面發生在細骨料與水泥砂漿界面過渡區，將試塊分成一大一小兩個相對完整的塊體，且斷裂表面較平整。剝開小塊體發現混凝土內部裂縫與混凝土表面呈45°～60°夾角，試塊發生剪切破壞。圖6（c）為取代率100%的CRFC試塊，與取代率50%的試件一樣發生了界面過渡區破壞，這說明對于CRFC，天然粗骨料與陶瓷細骨料之間的界面過渡區的黏結強度對該類混凝土的破壞形態有顯著影響。

圖6（d）～圖6（f）分別是陶瓷粗骨料取代率為20%，50%和100%的CRC試件的破壞形態。從圖中可以看出，CRC的破壞形態均為裂縫貫穿陶瓷粗骨料導致混凝土斷裂面大多發生在陶瓷粗骨料內部。對比相同陶瓷細骨料取代率（100%）下不同粗骨料類型（圖6（c）、圖6（f））可以發現，CRC因陶瓷粗骨料被壓碎形成較明顯的錐形破壞，而天然粗骨料試塊（圖6（c））并沒有發生明顯的錐形破壞。這是由于陶瓷粗骨料吸水率高孔隙率大，在生產過程中導致陶瓷粗骨料內部存在微裂縫，陶瓷粗骨料比天然粗骨料更容易被壓碎開裂。對于CRC，粗骨料類型是影響該類混凝土破壞形態的主要因素。

2.3 抗壓強度

CRFC和CRC的7 d和28 d立方體抗壓強度顯著不同，具體數據可見表4和圖7。從表4和圖7（a）可以看出，隨陶瓷細骨料取代率的增加，CRFC的抗壓強度會略微降低，其中最低值出現在取代率為70%時，7 d 和28 d抗壓強度分別為37.64 MPa和42.91 MPa，達到NC抗壓強度的95.9%和86.7%，滿足規范中對C40混凝土強度要求?？箟簭姸冉档偷闹饕蚴且环矫媾c細骨料相比粗骨料對混凝土抗壓強度的影響更明顯；另一方面從破壞形態上看，陶瓷細骨料與天然粗骨料之間界面過渡區黏結強度低于天然粗細骨料的黏結強度。CRFC的抗壓強度略低于NC的抗壓強度，但CFA取代率對其影響不大。

圖7（b）為不同陶瓷粗骨料取代率的CRC的立方體抗壓強度，在陶瓷細骨料全部取代天然細骨料的情況下，CRC的抗壓強度隨陶瓷粗骨料取代率的增加呈線性下降。取代率為100%的CRC的7 d和28 d抗壓強度分別為23.71 MPa和31.63 MPa，僅為NC抗壓強度的60.5%和63.9%。根據設計規范對C40等級混凝土的抗壓強度范圍的取值，陶瓷粗骨料取代率＞50%的CRC抗壓強度均小于40 MPa，不符合設計規范中對C40等級混凝土的要求。

2.4 混凝土彈性模量

不同陶瓷取代率的CRFC和CRC的彈性模量實測值見表4和圖8。CRFC和CRC彈性模量趨勢與其抗壓強度趨勢一致。對于CRFC，陶瓷細骨料取代率為0～100%時，其彈性模量為29 377～31 707 MPa，略低于普通混凝土；對于CRC隨著陶瓷粗骨料取代率增大彈性模量降低，尤其取代率＞80%后，彈性模量線性降低，取代率為100%的CRC降低到22 426 MPa，為普通混凝土的69.4%。對比CRFC和CRC彈性模量實測值曲線可以發現，取代率＜50%時，陶瓷骨料對兩種陶瓷混凝土的影響趨勢一致，取代率≥50%后，陶瓷粗骨料對CRC彈性模量的降低影響更明顯?？傮w上看，再生陶瓷細骨料取代率對混凝土彈性模量的影響不大，而再生陶瓷粗骨料取代率≥50%時，混凝土的彈性模量會顯著降低。

3 結論

1） 廢棄陶瓷磚可以作為粗、細骨料用于制備混凝土。采用再生陶瓷粗骨料時需要根據其吸水率加入附加用水以確?；炷涟韬衔锏暮鸵仔?。

2） 再生陶瓷細骨料混凝土的破壞形態主要分為兩種：界面過渡區破壞和整體剪切破壞，天然粗骨料與陶瓷細骨料之間的界面過渡區的粘結強度對破壞形態有顯著影響。再生陶瓷粗細骨料混凝土的破壞形態均為陶瓷粗骨料斷裂破壞，粗骨料類型是影響再生陶瓷粗細骨料混凝土破壞形態的主要因素。

3） 保持天然粗骨料不變，采用再生陶瓷細骨料取代天然細骨料配制CRFC。隨再生陶瓷細骨料取代率的增加，混凝土7 d抗壓強度先下降后略微上升，變化幅度為-4.03%～8.24%；28 d抗壓強度略微下降，下降幅度為-1.78%～-13.35%；彈性模量為29 377～31 707 MPa，略低于普通混凝土。

4） 再生陶瓷細骨料全部取代天然細骨料時，采用再生陶瓷粗骨料取代天然粗骨料配制CRC?；炷恋目箟簭姸群蛷椥阅Ａ侩S再生陶瓷粗骨料取代率的增加而明顯降低。再生陶瓷細骨料全部取代天然細骨料時，建議再生陶瓷粗骨料取代率小于50%。

參考文獻：

[1]? ? MOHAMED A， BASSAM A T， IBRAHIM S A. Effect of using mineral admixtures and ceramic wastes as coarse aggregates on properties of ultrahigh-performance concrete[J]. Journal of Cleaner Production， 2020， 273： 123073.

[2]? ?GARCIA G J， RODRIGUEZ R D， JUAN V A， et al. Ceramic ware waste as coarse aggregate for structural concrete production[J]. Environmental Technology， 2015， 36（23）： 3050-3059.

[3]? ?SRINIVAS K， KRANTHI V S， JAGADEESWARI K. Concrete with ceramic and granite waste as coarse aggregate[J]. Materials Today： Proceedings， 2021， 37： 2089-2092.

[4]? ?程云虹， 楊四輝， 張靖瑜， 等. 陶瓷細骨料替代方式對混凝土抗壓強度的影響[J]. 東北大學學報（自然科學版）， 2020， 41（11）： 1661-1666.

CHENG Y H， YANG S H， ZHANG J Y， et al. Effect of substitution of ceramic fine aggregate on compressive strength of concrete[J]. Journal of Northeastern University（Natural Science）， 2020， 41（11）： 1661-1666.

[5]? ?許開成， 方葦， 陳夢成， 等. 陶瓷再生粗骨料混凝土力學性能研究[J]. 實驗力學， 2014， 29（4）： 474-480.

XU K C， FANG W， CHEN M C， et al. On the mechanical properties of ceramic recycled coarse aggregate concrete[J]. Journal of Experimental Mechanics， 2014， 29（4）： 474-480.

[6]? ?陳夢成， 丁小蒙， 王凱， 等. 廢建筑陶瓷再生混凝土研究現狀與熱點問題分析[J]. 材料導報， 2012， 26（S1）： 303-306.

CHEN M C， DING X M， WANG K， et al. Research on recycled building ceramic concrete[J]. Materials Reports， 2012， 26（S1）： 303-306.

[7]? ?MEDINA C， ROJAS M， FRIAS M. Reuse of sanitary ceramic wastes as coarse aggregate in eco-efficient concretes[J]. Concrete Composites， 2012， 34（1）： 48-54.

[8] MEDINA C， MARIA I S D R， MOISES F. Freeze-thaw durability of recycled concrete containing ceramic aggregate[J]. Journal of Cleaner Production， 2013， 40： 151-160.

[9] MEDINA C， MARIA I S D R， MOISES F. Properties of recycled ceramic aggregate concretes[J]. Cement and Concrete Composites， 2013， 40（1）： 21-29.

[10] RASHID K， RAZZAQ A， AHMAD M， et al. Experimental and analytical selection of sustainable recycled concrete with ceramic waste aggregate[J]. Construction and Building Materials. 2017， 154： 829-840.

[11] ANDERSON D J， SMITH S T， AU F. Mechanical properties of concrete utilising waste ceramic as coarse aggregate[J]. Construction & Building Materials. 2016， 117： 20-28.

[12] ALVES A V， VIEIRA T F， BRITO J D， et al. Mechanical properties of structural concrete with fine recycled ceramic aggregates[J]. Construction & Building Materials， 2014， 64： 103-113.

第一作者：王伊（1994—），女，博士研究生，研究方向為鋼-新型混凝土組合結構。E-mail：wangyi2528@yeah.net。

通信作者：黃宏（1977—），女，教授，博士，博士生導師，江西省青年科學家（井岡之星）培養對象，研究方向為鋼-新型混凝土組合結構。E-mail： huanghong1977@foxmail.com。