任宇航 余建杰 车京海 上官毅康 黄文军 陈浩 王国栋 李刘鹏 曹林林
南昌航空大学土木建筑学院 江西南昌 330063
摘要：对陶瓷碎片和玻璃粉组合或废橡胶颗粒和废纸灰组合替代粗骨料配制的混凝土进行了性能测试。结果表明，不同的替代率对混凝土的和易性及强度均有一定的影响，选择合适的替代率，不仅可以在混凝土28天强度基本符合要求的前提下混凝土的早期强度有一定提升。
关键词：废陶瓷、橡胶颗粒、玻璃粉、废纸灰、混凝土性能
Experimental study on the influence of different kinds of wastes on concrete performance
Ren Yuhang,Yu Jianjie,Che Jinghai,Shang Guanyikang，Huang Wenjun，Chen Hao，Wang Guodong，Li Liupeng，Cao Linlin
(College of Civil Engineering and Architecture,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,Jiangxi,China)
Abstract: The properties of concrete made of ceramic fragments and glass powder or waste rubber particles and waste paper ash instead of coarse aggregate were tested. The results show that different replacement rates have certain influence on the workability and strength of concrete, and the appropriate replacement rate can not only improve the early strength of concrete on the premise that the strength of concrete basically meets the requirements in 28 days.
Keywords: waste ceramics, rubber particles, glass powder, waste paper ash, concrete performance
0前言
我国是资源大国，但也是资源消耗大国。我国有着“基建狂魔”的称号，根据砂石骨料网数据中心统计，2020年全年砂石消耗量达178.26亿吨[1]，砂石骨料是固体资源消耗量最大的产品之一。但随着经济建设需要以及环境保护力度加大，混凝土原材料资源面临矛盾境地。同时，我国每年还会产生大量固体陶瓷废弃物、橡胶废弃物、玻璃制品废弃物以及废纸[2,3]。由此可见，如果能将废弃的陶瓷、玻璃、橡胶和纸加以利用到混凝土制造中，不仅可以增加对废弃资源的利用率，还可以减轻混凝土骨料日渐紧张的压力。
因此，本文实验将分别研究以一定配合比的玻璃粉和不同替代率的陶瓷碎片对于混凝土的抗压强度以及和易性影响；以一定配合比的废纸灰和不同替代率的橡胶颗粒对混凝土抗压强度以及和易性的影响。以期能够得到性能优越的混凝土，或者在性能效果相近的情况下降低混凝土的生产成本。
1试验设计
1.1原材料的选用
水泥选用P·O42.5级水泥，=3.1g/cm3；粗骨料选用5~40连续级配碎石；细骨料选用普通河砂；废陶瓷经破碎后属于5~40连续集配；玻璃粉为200目；橡胶颗粒粒径范围1~3mm；废纸灰由普通A4纸张烧制而成。
1.2混凝土配合比设计
设计素基准混凝土强度等级为C25，设计坍落高度75-90mm，水泥4.63kg,砂7.85kg,卵石16.7kg，水2.1kg，如表1所示。实验一为以废陶瓷、玻璃粉掺入混凝土，废陶瓷代替粗骨料占比分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%；玻璃粉替代水泥质量为水泥的10%。实验二为以橡胶颗粒代替一部分细骨料砂子，代替质量比分别为0%、5%、10%、15%，废纸灰质量为水的10%。
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2.2废陶瓷-玻璃粉复合混凝土实验结果分析
如图3废陶瓷-玻璃粉复合混凝土受压后表观所示，陶瓷的表面有一层极其光滑的釉质层，釉是附着于陶瓷坯体表面的一种连续的玻璃质层。陶瓷碎片由于表面光滑，导致其与水泥浆接触表面也极其光滑，也形成了一层类似于釉质层的硬壳层，其结构可能是一种玻璃体与晶体的混合层。该层与水泥浆体的粘结力低，可视为试块中的软弱面，当陶瓷替代率增加时，试块中的这类软弱界面数量增加，混凝土强度降低较大。且由于陶瓷表面的釉质层面积大，导致陶瓷作为粗骨料的吸水性也非常差，最终导致整个混凝土拌合物的保水性差、粘聚力低。根据相关研究指出，废玻璃粉的微观形态呈不规则的棱角状、薄片状，长宽比大，颗粒之间易产生摩擦，对浆体的流动产生阻碍作用，从而降低混凝土的流动性[8]。
由实验结果可知，掺杂了废玻璃粉的混凝土试块28天抗压强度普遍低于基准混凝土试块。这是由于玻璃粉的掺入使得体系中的水泥熟料减少，水泥水化速率降低，生成的水化产物数量较少，体系结构不密实，从而影响混凝土强度。
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和易性方面，根据对各组拌合物的观察，橡胶百分含量低的各组混凝土拌合物粘聚性均较好，无崩塌或石子离析现象，但对于橡胶百分含量大的组（橡胶百分含量为10%和15%的两组），存在部分石子离析现象。保水性方面，各组均几乎没有水或稀浆从底部析出，拌合物的保水性均良好。
实验二结果如图5所示，对于橡胶含量为5%的试块7天抗压强度较高，前期强度提升较快，但不同橡胶含量的混凝土试块其抗压强度均不如素基准混凝土，且随着橡胶含量的增加试块强度逐渐降低。
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2.4橡胶颗粒-废纸灰复合混凝土实验结果分析
从前人的研究中得知，橡胶颗粒是作为弹性体分布在混凝土中, 当承受外界荷载作用时, 橡胶颗粒周围的水泥基块体因产生应力集中而开裂, 由于橡胶颗粒变形能力较好, 橡胶颗粒在混凝土中的存在, 阻碍了微裂缝的进一步发展, 混凝土试件在受压破坏时, 内部裂缝无法贯通, 被破坏后表现出了较好的完整性[4]。
对于掺杂了橡胶颗粒的混凝土普遍强度不足的情况，总结前人的研究结果可知，研究人员认为，造成这种现象的原因有大致一下三点：粘结力不同、物化性质不同、弹性模量不同。
对于粘结力问题，塞格雷特[5]用SEM分析了橡胶与水泥的界面粘结强度，橡胶颗粒几乎与水泥浆分离，其粘结强度非常低。对于物化性质问题，橡胶颗粒具有不易溶于水的性质，而水泥泥浆溶于水，当橡胶颗粒被引入拌合物中时易包裹空气，使得拌合物中含气量增大，橡胶颗粒和水泥浆不能组合成一个整体，从而使得混凝土强度降低[4]。
对于弹性模量方面的差异，橡胶颗粒的弹性模量范围为：0.01～0.1 GPa，而常规混凝土的范围为：25～50 GPa[5]，由于二者的差异较大，橡胶骨料具有较大的孔隙作用，对外界施加载荷的阻力贡献不大，因此混凝土强度降低。
由于拌合物中废纸灰的存在会吸收大量水分，因此整个拌合物的水分都能被较好的吸收。
3结语
（1）陶瓷占比为20%的混凝土还有废橡胶粒占比为5%的混凝土强度与一般混凝土差别不大，且前期强度增长快，因此是可行的，具有研究意义。
（2）陶瓷碎片的大比例加入会对混凝土产生诸多不利的影响，会导致坍落度小、粘聚力低、保水性差，且由于陶瓷碎片的片状构造，新拌混凝土的流动性差、表面不平整，从而不易浇筑捣实等施工。
（3）本实验尚不能验证玻璃粉的活性表现存在替代胶凝材料的作用，也无法分析废纸灰作为掺合料对于混凝土强度的影响。虽然实验数据有限，但得到的结果与现有文献具有相似性，因此具有一定的合理性和工程指导意义。
参考文献：
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[4]杨彬,肖晓辉. 橡胶混凝土基本力学性能试验研究[J]. 公路交通科技·应用技术版,2017,13(1):80-82.
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[8] Lu J X , Duan Z H , Chi S P . Combined use of waste glass powder and cullet in architectural mortar[J]. Cement and Concrete Composites, 2017,82:34-44.