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作为填料掺入的陶瓷抛光粉对降低浆体体积和提升砂浆抗碳化与水渗透性能的影响研究

发布于：2022-11-22 09:24:22 来自：道路桥梁/桥梁工程 [复制转发]

一

研究意义

近年来，固废再利用已经成为各国关注的焦点，这不仅是因为“可持续发展”理念的深入人心，更是因为当前环境污染问题的解决已刻不容缓。陶瓷废料是固废的重要组成之一，其一方面来源于陶瓷制品的生产，一方面来自于建筑物的拆除过程。陶瓷废料由于无法降解，不仅会永久侵占土地资源，还会对土壤、水体、空气带来持续的污染。中国作为全球最大的陶瓷生产与使用国，每年所产生的陶瓷废料达到了千万吨级别，陶瓷废料产出量位居世界第一。因此，解决好陶瓷废料的再利用问题，是实现“绿水青山”中国梦的重要一环，具有重要的社会意义和经济价值。

将固废用于混凝土的生产，是实现固废大宗利用的有效途径。传统上，固废通过水泥替代法（cement replacement method，用固废替代部分水泥，见图1(a)）或骨料替代法（aggregate replacement method，用固废替代部分/全部骨料图1(b)）被重新用于混凝土。但是，这两种方法均存在一些不足：由于固废的火山灰活性往往较低，采用水泥替代法容易造成混凝土强度和耐久性降低，且水泥的替代率不高，综合效益差；采用骨料替代法，由于固废不替代水泥，不会减少水泥的使用，而一些固废（如废砖、旧混凝土块）由于自身强度不高，也会对混凝土的性能产生负面影响。近年来，香港大学关国雄教授课题组提出了一种新的固废再利用方法——“浆体替代法”（paste replacement method，见图1(c))。该方法是将固废替代一部分的浆体（水+水泥），并维持水灰比的不变来生产混凝土。前期研究表明，采用该方法，不仅可以显著降低水泥用量和提高固废利用率，还同时提升了混凝土的强度、耐久性和尺寸稳定性。本研究基于浆体替代法，用陶瓷抛光粉（ceramic polishing waste，CPW）替代部分浆体制备砂浆，并对砂浆进行了碳化与水渗透试验研究，以评估该方法对陶瓷废料的适用性并研究CPW对砂浆耐久性的影响。

图1 固废替代方法

二

研究内容

试验概况

本研究使用的原材料包括自来水、42.5普通硅酸水泥、河砂细骨料、聚羧酸高效减水剂、陶瓷抛光粉（ceramic polishing waste，CPW）。CPW是由佛山市的陶瓷企业提供的，在瓷砖抛光过程中产生的陶瓷废料。为了控制CPW的质量，对其作了简单处理：首先，将其放入烘干箱中105℃烘干8小时以去除水分；随后，用1.18 mm筛筛除过大的杂物。CPW的粒径分布如图2所示。可以看到，CPW与水泥相比，有类似的粒径分布，但平均粒径略大。

图2 水泥、CPW与细骨料的粒径分布图

通过改变水灰比（W/C ratio）和CPW掺量，制备了24组砂浆。其中，水灰比为0.40、0.45、0.50、0.55。各组砂浆的细骨料体积占比均为40%，浆体体积（水泥浆+CPW）占比为60%。运用浆体替代法，CPW被用于替代部分的水泥浆。本研究中CPW在砂浆中的体积占比为0%、5%、10%、15%、20%，也就是说对应的“水泥浆+CPW”的组合为(60% + 0%)、(55% + 5%)、(50% + 10%)、(45% + 15%)、(40% + 20%)。试验中，由于CPW的掺入会显著降低砂浆流动性，减水剂被用于补偿CPW掺入造成的流动性损失。各组砂浆的减水剂剂量通过预先开展迷你坍落扩展度试验（Okamura and Ouchi，2003）来确定，标准是“使砂浆的坍落扩展在200~300mm所需的减水剂剂量”。

为研究CPW对砂浆抗碳化性和耐水性的影响，所进行的试验包括：碳化试验（详见GB/T 50082-2009）、水吸收率试验（详见ASTM C1585-04）。此外，也采用扫描电镜（SEM）对砂浆的微观结果进行观测。

试验结果

2.1 碳化深度

如图3所示，在CPW体积相同的情况下，碳化深度随着水灰比的降低而降低。该结果是符合预期的，因为大量研究表明，水灰比是影响水泥基材料抗碳化性能的重要因素，水灰比低时，抗碳化性能好。

更重要的是，在相同水灰比下，碳化深度随着CPW体积的增加而显著降低。例如，在水灰比0.55，CPW体积从0%提高到20%时，碳化深度从7.70 mm降至2.13 mm，降幅达到了72%。这说明，用CPW替代浆体，对水泥基材料抗碳化性能有明显的提升作用。

图3 不同水灰比下，碳化深度与CPW体积的关系图

2.2 吸水率

如图4所示，当CPW体积不改变时，初始阶段/第二阶段吸水率均随着水灰比的降低而降低。该结果是合理的，因为前人研究已经表明，水灰比是影响水泥基材料耐水性能的重要因素，水灰比低时，耐水性能好。

更有意义的是，当水灰比不变的情况下，初始阶段/第二阶段吸水率均会随着CPW体积的增加而显著降低。例如，在水灰比0.55，CPW体积从0%提高到20%时，初始阶段吸水率从14.07×10-4 mm/s1/2下降至3.71×10-4 mm/s1/2，降幅达到了73%。这表明，用CPW替代浆体，对水泥基材料抗耐水性能也有显著的提升作用。

图4 不同水灰比下，吸水率与CPW体积的关系图

2.3 微观结构

图5(a)和5(b)分别展示了0.55-0组砂浆（不掺CPW砂浆）与0.55-20组砂浆（CPW体积20%砂浆）的微观形貌图。对比两张图可以明显看到，不掺CPW的砂浆的微观形貌较为松散，有很多孔隙，而CPW体积20%砂浆的微观形貌较为致密，孔隙很少。这说明，采用浆体替代法来掺入CPW，可以改善砂浆的微观结构。

CPW可以改善砂浆微观结构的原因包括：（1）CPW的粒径介于水泥与细骨料之间，可以发挥填充效应，改善颗粒级配，从而提高堆积密实度；（2）CPW已被证明有一定的火山灰活性，可以参与水化反应，生成更多C-S-H凝胶来填充孔隙；（3）适合的减水剂剂量，也使得砂浆流动性得到保证，有助于颗粒的均匀分散和振捣密实。

图5 不同CPW体积下的砂浆微观形貌对比图

分析与讨论

3.1 水泥用量与耐久性能的同时变化情况

从前面的章节中可以发现，采用浆体替代法，CPW的再利用率可以很高（用量可以占砂浆体积20%）。不仅如此，还能在降低33%水泥用量的同时，抗碳化性能和耐水性能均有明显提高。为了更直观地观察水泥用量与耐久性能的同时变化情况，绘制了图6和图7。

从图中可见，如果采用常规降低水灰比的方法，碳化深度和初始/第二阶段吸水率是可以实现降低（即抗碳化性能和耐水性能提高），但这是通过增加水泥用量实现的，与减碳环保的理念相悖。而如果采用浆体替代法，不仅可以实现碳化深度和初始/第二阶段吸水率的显著降低，同时由于CPW替代了部分水泥，还能实现减碳降废的可持续发展目标，有更好的综合效益。

图6 不同水灰比与CPW体积下，水泥用量和碳化深度的关系图

图7 不同水灰比与CPW体积下，水泥用量和初始/第二阶段吸水率的关系图

3.2 CPW的胶凝效率

前人为了量化分析辅助胶凝材料对水泥基材料性能的作用效果，提出了“胶凝效率”（cementing efficiency）的概念（Hobbs，1988）。通常，某一辅助胶凝材料的胶凝效率用“胶凝效率因子”（cementing efficiency factor，CEF）来表示。胶凝效率因子通常是一个数值，用来衡量某一辅助胶凝材料相较于普通水泥的作用效果。若胶凝效率因子为1，说明该辅助胶凝材料与普通水泥相当；若胶凝效率因子大于1，表明该辅助胶凝材料强于普通水泥；若胶凝效率因子小于1，说明该辅助胶凝材料弱于普通水泥。

虽然陶瓷废料的火山灰活性已被证明，但其胶凝效率，特别是对水泥基材料耐久性能的胶凝效率，仍没有被很好地研究。为了研究CPW的胶凝效率，引入了有效水胶比（effective water/cementitious materials ratio，W/CMeff)）的概念（见式(1)）：

(1)

式中，α表示CPW的胶凝效率因子；mW、mC、mCPW分别表示水、水泥、CPW的单方混凝土用量。为了确定胶凝效率因子，运用了拟合分析方法，用合适的方程表征耐久性能与有效水胶比的关系，并用决定系数（R2）来评估。

对于抗碳化性能，经过拟合分析后，碳化深度与有效水胶比的关系式如式(2)所示，拟合结果与胶凝效率因子如图8所示。图中可见，CPW的抗碳化性能胶凝效率因子为0.51。这表明对于抗碳化，CPW不及普通水泥。这也间接说明，如果采用水泥替代法，掺入CPW来替代水泥，或许会对抗碳化性能有负面影响。

(2)

图8 不同CPW体积下，碳化深度与有效水胶比的关系图

对于耐水性能，经过拟合分析后，初始/第二阶段吸水率与有效水胶比的关系式分别如式(3)和式(4)所示，拟合结果与胶凝效率因子如图9所示。图中可见，CPW的耐水性能胶凝效率因子随CPW体积增加而降低，但不低于0.56，保守取值0.6。这表明对于耐水渗透，CPW略低于普通水泥。这也间接说明，如果采用水泥替代法，掺入CPW来替代水泥，在CPW高掺量时或许会对耐水性能有负面影响。