CN109336513A

CN109336513A - 废瓷砖混凝土的制备及应用

Info

Publication number: CN109336513A
Application number: CN201811472117.4A
Authority: CN
Inventors: 施刚
Original assignee: LANGFANG RONGSHENG CONCRETE CO Ltd
Current assignee: LANGFANG RONGSHENG CONCRETE CO Ltd
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2019-02-15

Abstract

本发明公开了一种废瓷砖混凝土的制备及应用，组成成分包括水泥、粉煤灰、骨料、外加剂和水，所述水泥和所述粉煤灰比为0.44，所述水和所述骨料比为0.385或0.615；所述骨料包括废瓷砖再生细骨料和废瓷砖再生粗骨料，所述废瓷砖再生细骨料与所述废瓷砖再生粗骨料的配比为3:1，所述废瓷砖再生细骨料的粒径在5mm‑10mm之间，所述废瓷砖再生粗骨料的粒径在10mm‑20mm。本发明采用上述结构的废瓷砖混凝土的制备及应用，减少了水泥用量，提高了材料耐久性，结构更致密、孔隙率更小，界面粘结性能更好，且废瓷砖的再回收利用，节约成本的同时保护环境。

Description

废瓷砖混凝土的制备及应用

技术领域

本发明涉及一种混凝土制备技术，尤其涉及一种废瓷砖混凝土的制备及应用。

背景技术

随着我国经济的腾飞，土木工程和建筑行业得到迅速发展，混凝土材料的大量使用，对各种骨料的需求迅速增大。砂石骨料属于天然资源，其过快消耗已然对资源和环境造成极大压力。由此带来的环境破坏及资源短缺问题，备受关注。

与之对应的，近年来，我国建筑陶瓷行业发展迅猛。自1993年以来，中国已成为世界陶瓷生产头号大国。2001年，建筑陶瓷砖产量占世界总产量的41％左右，稳居世界第一位。建筑陶瓷生产中会产生大量陶瓷废渣，主要包括废泥和废瓷，前者是陶瓷胚体在入窑煅烧之前产生，大多可以作为原材料进行回收利用；后者则是陶瓷胚体在煅烧之后产生，通常被陶瓷厂称为真正意义上的废料，大多弃之不用堆置于填埋场，既占用土地资源又污染环境。行业中的陶瓷废渣一般有三种处理方法，分别是堆积、回填掩埋和资源化利用。目前的堆积、回填掩埋处理方法中，堆积法占用耕地、浪费土地并污染环境，回填法虽不占用耕地但也是在浪费资源、污染环境[2]。为实现资源的重复利用，用废陶瓷制备新型混凝土骨料，这不仅缓解了混凝土材料资源的大量消耗对自然环境造成了巨大负面影响。

伴随我国建筑陶瓷行业的长足发展，建筑陶瓷企业产生的废陶瓷处理显得尤为重要。由于这些废渣属于不可降解类的，唯有资源的重复利用，才最为环保节能。

发明内容

本发明的目的是提供一种废瓷砖混凝土的制备及应用，减少了水泥用量，提高了材料耐久性，结构更致密、孔隙率更小，界面粘结性能更好，且废瓷砖的再回收利用，节约成本的同时保护环境。

为实现上述目的，本发明提供了一种废瓷砖混凝土的制备及应用，组成成分包括水泥、粉煤灰、骨料、外加剂和水，所述水泥和所述粉煤灰比为0.44，所述水和所述骨料比为0.385或0.615；

所述骨料包括废瓷砖再生细骨料和废瓷砖再生粗骨料，所述废瓷砖再生细骨料与所述废瓷砖再生粗骨料的配比为3:1，所述废瓷砖再生细骨料的粒径在5mm-10mm之间，所述废瓷砖再生粗骨料的粒径在10mm-20mm。

优选的，所述骨料由废瓷砖经破碎机破碎而成。

优选的，所述水泥为PO·42.5硅酸盐水泥，所述水泥的化学组分包括 60.11％的CaO、21.72％的SiO₂、5.72％的Al₂O₃、2.94％的Fe₂O₃、2.67％的Mg O、 0.63％的K₂O、3.69％的Na₂O、2.52％的SO₃。

优选的，所述粉煤灰为密度为2.1g·cm^-3、堆积密度为0.78g·cm^-3、比表面积为34cm²·g^-1、原灰标准稠度为48％、需水量比为106％的Ⅰ级粉煤灰。

优选的，所述外加剂为聚羧酸减水剂。

因此，本发明采用上述结构的废瓷砖混凝土的制备及应用，减少了水泥用量，提高了材料耐久性，结构更致密、孔隙率更小，界面粘结性能更好，且废瓷砖的再回收利用，节约成本的同时保护环境。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

以下将对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但发明的保护范围并不限于本实施例。

本发明的结构，组成成分包括水泥、粉煤灰、骨料、外加剂和水，水泥和粉煤灰比为0.44，水和骨料比为0.385或0.615；骨料包括废瓷砖再生细骨料和废瓷砖再生粗骨料，废瓷砖再生细骨料与废瓷砖再生粗骨料的配比为 3:1，废瓷砖再生细骨料的粒径在5mm-10mm之间，废瓷砖再生粗骨料的粒径在10mm-20mm。

其中，骨料由废瓷砖经破碎机破碎而成；外加剂为聚羧酸减水剂；水泥为PO·42.5硅酸盐水泥，水泥的化学组分包括60.11％的CaO、21.72％的SiO₂、 5.72％的Al₂O₃、2.94％的Fe₂O₃、2.67％的Mg O、0.63％的K₂O、3.69％的Na₂O、2.52％的SO₃；粉煤灰为密度为2.1g·cm^-3、堆积密度为0.78g·cm^-3、比表面积为34cm²·g^-1、原灰标准稠度为48％、需水量比为106％的Ⅰ级粉煤灰。

一、本实施的配比试验过程：

表1为水泥石-骨料的界面粘结强度对比表

表1

可知，随水灰比降低，界面粘结强度呈上升趋势。

表2为不同颗粒级配的废瓷砖再生骨料混凝土的性能对比表

表2

可知，在保持水灰、用浆量相同的条件下，当废瓷砖再生骨料的颗粒级配在粗骨料:细骨料为3:1时制备的废瓷砖再生骨料混凝土的强度最高，最高值为26.1Mpa，该强度满足规范要求。

表3为不同浆骨比废瓷砖再生骨料混凝土的性能对比表

表3

可知，经过浆骨比的改善，废瓷砖再生骨料混凝土的坍落度最低为55mm，最高为85mm，已经达到规范要求，满足施工中对工作性的需求，同时最高强度值为31.6Mpa，达到了设计要求。

通过上述的试验，研究了颗粒级配和浆骨比对废瓷砖再生骨料混凝土的影响，已经初步实现了废瓷砖再生骨料混凝土的工作性满足施工要求，为尽可能提升废瓷砖再生骨料混凝土的力学性能。在前述试验得到的结果上，通过调整废瓷砖再生骨料混凝土的颗粒级配来测试其抗压强度。试验中保持水灰比为0.48、浆骨比0.385:0.615不变的条件，改变再生骨料的颗粒级配，并测试混凝土抗压强度。

表4为优化后的废瓷砖再生骨料混凝土抗压强度结果

表4

可知，在水灰比和浆骨比相同的条件下，不同颗粒级配下的废瓷砖再生骨料混凝土在强度和工作性两方面的差异均不大。当废瓷砖再生骨料颗粒级配10-20mm：5-10mm的比值为3:1时，废瓷砖再生骨料混凝土的强度为 32.5Mpa，坍落度为45mm，其强度和工作性均满足规范要求。

随着10mm-20mm的废瓷砖骨料的增多，流动性会变差，导致这个现象的原因可能是废瓷砖再生骨料表面积更大，不易被水泥浆包裹住，且废瓷砖的形状为方体，流动性极差，只有被水泥浆包裹住才会产生流动性。

混凝土的强度受到水泥石强度、骨料强度以及水泥石和骨料的界面强度三个方面影响，而骨料的颗粒级配的调整可以使得混凝土骨料变得密实，从而提供一定的强度，但颗粒级配的调整并没有改变上述三个方面的强度，因此混凝土强度变化不明显。同时混凝土拌合物的流动性主要由水泥浆和细小颗粒提供，水泥浆起主要作用，因此在水泥浆能够完全包裹住骨料后，颗粒级配的调整并不会明显改变其混凝土的工作性。

根据前述试验结果，当水灰比为0.48时，坍落度都大于45；同时，水灰比越低，混凝土强度越高，为了取得更好的强度性能，把水灰比降到了 0.44，确定最终配合比为水灰比0.44，浆骨比0.385:0.615，粗骨料颗粒级配为(10-20mm):(5-10mm)＝3:1。

表5为最佳配合比下废瓷砖再生骨料混凝土和原生碎石混凝土的抗压强度结果，其中C11所用粗骨料为废瓷砖再生骨料，C12所用粗骨料为原生碎石。

表5

可知：废瓷砖再生骨料混凝土的7天和28天的抗压强度分别为24Mpa 和36.9Mpa，坍落度为20mm，证明废瓷砖再生骨料混凝土在工作性和强度均能满足规范要求。原生碎石混凝土的7天和28天强度分别为17.9Mpa和 29.4Mpa，在本试验中其他条件均相同，所以影响混凝土强度主要因素是骨料本身强度以及水泥石和骨料粘结界面的强度，本试验所用废瓷砖骨料强度大于碎石骨料，但具体原因需要通过进一步试验进行研究。

在水灰比、浆骨比和骨料颗粒级配都相同的情况下，因为废瓷砖再生骨料同原生碎石相比密度小，吸水性强，且由于废弃的陶瓷制品大部分是薄片状，经人工破碎筛分而得的废瓷砖再生骨料中片状颗粒较多，且颗粒表面粗糙，级配欠佳，表现出空隙率偏大，水泥浆的流动性差，所以废瓷砖再生骨料混凝土工作性不如原生碎石混凝土。

二、废瓷砖再生骨料混凝土耐久性测试结果

1、废瓷砖再生骨料混凝土早期收缩

混凝土拌合物在凝结硬化的过程中，因为水泥发生水化作用后体积减小，同时受到外界温度变化的影响，混凝土的水分被蒸发或者参与水化反应后减少，因为失水和水泥水化后体积变小，导致混凝土早期硬化过程中整体体积收缩变小。

影响混凝土收缩变形的因素有很多，主要有水泥品种及用量、掺合料、骨料性质、骨料含量、水灰比、周围环境的湿度、温度及构件尺寸等。早期收缩变形主要由水泥的变化产生，骨料主要起支撑混凝土的作用，一般不会产生收缩变形，但它能对混凝土干缩起约束作用，不同的骨料的混凝土收缩值不同，主要是由于如果骨料对于混凝土收缩的约束性越好，混凝土的收缩值越小，越有利于混凝土在实际工程中的运用。

随着混凝土技术的迅速发展，高效减水剂和矿物掺合料的应用，混凝土的水灰比与以往有所降低了，混凝土的强度等级也普遍提高，以及一些高早强新型水泥基材料的应用，使得混凝土的性能尤其是早期性能与过去传统的混凝土相比有了很大的差异。纵然现在的混凝土与过去相比有很多优势，譬如强度大幅度提高了，硬化后的混凝土的密实度也提高了，从理论上讲这对于诸如抗渗、抗冻、抗腐蚀之类的耐久性指标也相应地提高了。然而事实上并非如此，因为耐久性的提高很大程度上是在确保混凝土早期性能的基础上才可以保证的。因为早期微裂、开裂的出现为耐久性埋下了严重的隐患，尽管发现这些问题后可采取一些不久措施，但从现状来看，耐久性还是要打上折扣的。因此混凝土早期收缩对混凝土

使用过程中的耐久性产生重大影响。

表6为其他条件相同时，废瓷砖再生骨料与原生碎石骨料对混凝士早期收缩率的对比表

表6

可知，废瓷砖再生骨料混凝士的3d龄期收缩变形值在103μm左右，原生碎石混凝土的3d龄期收缩变形值在115μm左右，两者相差不大，两者的收缩值均由小逐渐变大，废瓷砖骨料再生混凝土早期收缩率小于原生碎石混凝土。

混凝土早期收缩主要由两个原因造成，一个原因是水泥水化反应造成化学收缩，一部分由于混凝土失水后自干燥造成收缩。由于试验所用废瓷砖再生骨料的本身强度大于原生碎石，所以对于混凝土的约束性要好于原生碎石混凝土，导致废瓷砖再生骨料混凝土的早期收缩性能优于原生碎石混凝土。

2、废瓷砖再生骨料混凝土抗冻性能

低温条件下水饱和混凝土容易膨胀开裂，反复冻融下高质量混凝土都会发生破坏。混凝土中本身有大量的孔隙，在一些毛细孔中有水分存在，当外界温度下降到一定程度时，混凝土中的水分就会结冰，结冰后水体积膨胀，对毛细孔壁产生压力，与此同时，混凝土的胶凝孔中含有的水分子会向压力毛细孔壁中的水冰界面处渗透，这样在毛细孔中会产生渗透压力，因此，混凝土在受冻时，其毛细孔壁会同时受到膨胀和渗透的压力作用，从而导致混凝土开裂，如果冻融循环反复进行，这些混凝土的内部裂缝会逐渐连通，使得混凝土的强度和质量开始下降，最终完全破坏。

冻融循环后，混凝土内部产生大量微裂纹导致混凝土抗压强度下降。已有研究表明，受到应力作用影响，混凝土内部最容易产生裂纹的位置是水泥石及水泥石与骨料的界面处，而骨料本身一般不容易产生裂纹[24]。混凝土的抗冻性一般以28d龄期的立方体试块水饱和后所能承受的冻融循环次数来衡量，该冻融循环次数称为抗冻标号。混凝土的抗冻性为评价混凝土耐久性的一项重要指标。

表7为废瓷砖再生骨料混凝土和原生碎石混凝土抗冻性试验结果

表7

根据GB/T50082-2009中慢冻法的规定，当强度损失率达到25％时，此时对应的冻融循环次数即为最高冻融循环次数。在进行25次冻融循环后，原生碎石混凝土的强度出现明显损失下降，而此时废瓷砖再生骨料混凝土的强度下降但远小于原生碎石混凝土的强度下降幅度，由此证明废瓷砖再生骨料混凝土的抗冻性能较强。在冻融循环25次后，原生碎石骨料混凝土其强度损失率已经接近25％，考虑到设备误差的原因，可认为原生碎石混凝土的最高冻融循环次数为25次，抗冻标号为D25。在冻融循环50次后，废瓷砖再生骨料混凝土的强度损失率才达到27％，可认为废瓷砖再生骨料混凝土的最高冻融循环次数为50次，抗冻标号为D50。废瓷砖再生骨料混凝土的质量损失率大于原生碎石混凝土。

本试验中两组混凝土水灰比相同，水灰比相同的情况下，水泥的水化程度应该相差不多，因而水泥石强度相差不大，在外界条件一样的情况下，两组混凝土的水泥石受冻损伤情况应该基本一致，故导致混凝土受冻损伤程度的差异的主要原因应该是水泥石与骨料的界面情况不同，原生碎石混凝土的 25次冻融循环后强度损失率达到23.8％，而再生骨料混凝土25次冻融循环后强度损失率为11％，表明碎石-水泥石界面的粘结能力可能不如废瓷砖再生骨料-水泥石界面。表5的试验结果也表明，在外界条件相同时，原生碎石混凝土的强度废低于瓷砖再生骨料混凝土的强度，这也间接证实了碎石-水泥石界面的粘结能力不如废瓷砖再生骨料-水泥石界面。

混凝土在受冻后的内部毛细孔壁将同时受到膨胀压力和渗透压力两种压力的作用，当受到压力过大时混凝土内部就会出现裂缝。接近混凝土表面的内部裂缝贯通后，就会使得混凝土表面剥落，导致混凝土质量下降[25]。废瓷砖再生骨料孔隙率较原生碎石大，造成混凝土内部孔隙更多，故其所受压力更大，更易引起表面剥落。因此，废瓷砖再生骨料混凝土的质量损失率要高于原生碎石混凝土。

3、废瓷砖再生骨料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能

硫酸盐侵蚀是混凝土结构受到的最常见的化学侵蚀形式。在复杂条件下，混凝土结构容易受到化学侵蚀，尤其在含酸性的地下水的地区中，混凝土结构一旦受到化学侵蚀，会导致其强度和耐久性出现下降，严重时会导致混凝土内部膨胀开裂，内部的钢筋受到锈蚀，从而使得混凝土失去结构强度。

原因为，(1)生成钙矾石晶体，由于钙矾石在化学结构上结合了大量的结晶水，其体积比原来的水化铝酸钙体积增加1.5倍，加之钙矾石的物质形态上是针状晶体，在原来水化铝酸钙的固相表面呈刺猬状析出，所有这些原因会使混凝土水泥石内部产生极大的内应力，致使混凝土在结构上遭到破坏，表面出现裂缝。

(2)形成石膏晶体，从Ca(OH)₂转化为石膏，体积增大1.24倍，这也将会增大水泥石的内部应力，对混凝土结构造成破坏。此外，由于该反应消耗掉了Ca(OH)₂将会使已硬化的水泥石中的水化产物Ca(OH)₂逐渐被溶解带走，破坏了水泥石中其他组分稳定存在的环境，造成水花硅酸钙的分解，因此导致混凝土的强度损失和耐久性下降。

表8为废瓷砖再生骨料混凝土和原生碎石混凝土抗硫酸盐性能比较结果

表8

可知，原生碎石混凝土和废瓷砖再生骨料混凝土都没有

明显的质量损失，原生碎石混凝土的30d强度损失率和60d强度损失率为4.6％和6.4％，废瓷砖再生骨料混凝土的30d强度损失率和60d强度损失率为4.3％和5.8％，原生碎石混凝土强度损失率均大于废瓷砖再生骨料混凝土强度损失率。

在该次试验中，原生碎石混凝土和废瓷砖再生骨料混凝土表面均没有产生明显的剥落，证明生成的侵蚀产物只对混凝土内部结构产生影响还没有对混凝土表面形成破坏。在外在条件完全一致的条件下，废瓷砖再生骨料混凝土的强度损失率小于原生碎石混凝土的强度损失率，混凝土内部因为硫酸盐离子主要与水泥的成分产生化学反应，与骨料均不产生反应，故两者受到的内部影响也几乎一样，在受到内部膨胀力的影响一样时，结合表5及表7的试验结果，均可以从宏观角度证明废瓷砖再生骨料-水泥石界面的粘结能力优于碎石-水泥石界面。

三、水泥石界面粘结性能

表10为瓷砖-水泥石和碎石-水泥石粘结界面强度比较结果

表10

可知，随水灰比降低，界面粘结强度呈上升趋势，且粘结强度与水灰比均线性相关，所有回归方程都是线性负相关。随着水灰比增大，水泥石与骨料界面的粘结强度下降，水泥石本身的孔隙增多，因此水灰比越大，混凝土强度越低。降低水灰比可以提高水泥石与骨料界面的粘结强度，从而提高混凝土强度，高致密度、低水灰比是获得高强度胶凝材料的重要途径。

表明水泥石-陶瓷界面的粘结强度高于水泥石-碎石界面，但这是宏观的抗折试验，需要通过微观试验才能进一步解释瓷砖-水泥石界面的粘结强度高于碎石-水泥石界面的原因。

表11为骨料-水泥石界面区孔结构分布对比表

表11

可知，同水灰比条件下，废瓷砖骨料-水泥石界面区平均孔径和最大孔径均最大，碎石-水泥石界面、废瓷砖-水泥石界面、水泥净浆核心区总孔体积逐渐减小。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种废瓷砖混凝土的制备及应用，其特征在于：组成成分包括水泥、粉煤灰、骨料、外加剂和水，所述水泥和所述粉煤灰比为0.44，所述水和所述骨料比为0.385或0.615；

2.根据权利要求1所述的一种废瓷砖混凝土的制备及应用，其特征在于：所述骨料由废瓷砖经破碎机破碎而成。

3.根据权利要求1所述的一种废瓷砖混凝土的制备及应用，其特征在于：所述水泥为PO·42.5硅酸盐水泥，所述水泥的化学组分包括60.11％的CaO、21.72％的SiO₂、5.72％的Al₂O₃、2.94％的Fe₂O₃、2.67％的Mg O、0.63％的K₂O、3.69％的Na₂O、2.52％的SO₃。

4.根据权利要求1所述的一种废瓷砖混凝土的制备及应用，其特征在于：所述粉煤灰为密度为2.1g·cm^-3、堆积密度为0.78g·cm^-3、比表面积为34cm²·g^-1、原灰标准稠度为48％、需水量比为106％的Ⅰ级粉煤灰。

5.根据权利要求1所述的一种废瓷砖混凝土的制备及应用，其特征在于：所述外加剂为聚羧酸减水剂。