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河南大学硕士学位论文利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究姓名：刘凤利申请学位级别：硕士专业：材料学指导教师：张承志2011-06 摘要随着环境和可持续发展的需要，再生混凝土作为一种绿色环保型建筑材料已经得到了广泛的重视。国内外学者对其展开了大量的试验研究，并取得了一定的成果，但对再生骨料的研究主要集中于废旧混凝土和废砖，与我国陶瓷大国的国情不符，我国陶瓷产量，从20世纪90年代初开始，一直处于世界第一。全国陶瓷废料的年产量估计在1000万吨以上，另外还有大量因建筑物拆除、装修和日常生活等过程中产生的废陶瓷。利用废陶瓷制备再生骨料并将其用于建材行业可以很好地解决资源和环境的协调发展问题，而国内外关于将废陶瓷用于再生混凝土的研究又鲜见报道。鉴于此，本文结合我国细砂、特细砂资源丰富却未被广泛应用的现状，将这两种极其丰富的资源结合起来，研究其对再生砂浆、混凝土基本性能的影响，旨在探索科学利用这些资源的方法。主要研究内容如下：首先，对材料的基本性能进行了试验研究与分析，发现陶瓷再生骨料与天然骨料主要差别在于：(1)粒型不同。天然骨料颗粒一般比较圆润光滑；而陶瓷再生骨料由于由破碎而成，一般具有棱角。(2)吸水率不同。天然骨料较为致密，吸水率较小；陶瓷再生骨料由于其多孔性，因而吸水率较大。根据这些差异和经济性要求，结合特细砂的特点，扬长避短，确定了将废陶瓷破碎成较粗颗粒，部分取代特细砂的基本思路。第二，通过多种方法探讨了陶瓷再生粗砂与特细砂的合理掺量。为进一步地研究奠定了基础。第三，通过两个方面的研究来揭示陶瓷再生骨料的作用。一是以相同用水量的试验研究，揭示陶瓷再生骨料的行为特征。研究发现，陶瓷再生骨料的棱角粒型有利于骨料与水泥石之间的机械啮合，陶瓷再生骨料的高吸水率有效地改善了界面过渡区的性能，这些都对强度的提高有积极的作用。二是以相同稠度的试验研究，探讨科学利用的方式。研究中也暴露了陶瓷再生骨料需水量大的缺点，这将使得砂浆的水胶比大幅度地提高，导致强度大幅度地降低。而且这一作用远大于它的积极作用。然而，通过将陶瓷再生骨料与特细砂有效地级配，使得它的缺点得到显著地改善。在这些研究的基础上，探索出一条科学利用陶瓷再生骨料的有效途径。I 第四，通过正交试验，研究了陶瓷再生粗砂取代率、水胶比、粉煤灰取代率三因素对砂浆流动性、力学性能和干缩性能的影响。确定了优化配比方案。通过试验发现：水胶比和陶瓷再生粗砂取代率是影响再生砂浆各种性能的主要因素。粉煤灰取代率对抗压、抗折强度有较大劣化作用，应该根据工程设计强度要求，通过配合比设计确定合理掺量，以满足工程要求的同时达到节能利废的目的。对抗压强度的影响：水胶比的劣化作用大于陶瓷再生粗砂取代率的增强作用，而随着陶瓷再生粗砂取代率的增大会引起砂浆需水量增大，达到所需流动性时使水胶比增大，故对抗压强度要求较高的实际工程，陶瓷再生粗砂取代率不宜过大。但二因素对抗折强度的影响与上述结果相反，因此，对抗折强度要求较大的情况，可适当提高陶瓷再生粗砂取代率，这对提高砂浆韧性、减少开裂也是有利的。第五，对陶瓷再生骨料和水灰比对再生混凝土性能的影响进行了试验研究，试验结果显示：随着陶瓷再生粗砂取代率的增加，再生混凝土表观密度呈规律性地降低，其表观密度低于天然骨料混凝土的表观密度；通过基于自由水灰比的配合比设计方法，再生混凝土均可以获得与天然骨料混凝土基本一致的流动性，并具有较好的保水性和粘聚性；再生混凝土的立方体抗压和劈裂抗拉的破坏过程与破坏形态大致与普通混凝土相似，破坏面基本上均出现在骨料和水泥石之间，属于粘结破坏。再生混凝土的立方体抗压强度大于普通混凝土的立方体抗压强度。陶瓷再生砂的使用对提高再生混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度是有利的；水灰比对再生混凝土立方体抗压强度的影响规律与普通混凝土水灰比理论相似，即灰水比与陶瓷再生骨料混凝土立方体抗压强度呈较好的线性关系，但由试验数据确定的回归系数与普通混凝土鲍罗米公式中的回归系数有差异。故《普通混凝土设计规程》不宜直接用于陶瓷再生骨料混凝土的配合比设计。本文的研究为废陶瓷在再生混凝土中的应用和特细砂资源的有效利用提供了重要的参考。关键词：废陶瓷，再生混凝土，特细砂，科学利用II ABSTRACTRecycledconcreteisakindofgreenbuildingmaterial.Withtheneedofenvironmentandsustainabledevelopment，recycledconcretehasreceivedconsiderableattention.Manyscholars，athomeorabroad，makealotofexperimentalresearchesonit，andhavemadecertaintheoreticalachievement.But，researchesofrecycledaggregatemainlyfocusonwasteconcreteandwastebrick，itisn’tconformtothesituationinourcountry.Inbeginningof1990，theproductionofceramicinchinaranksfirstintheworld.China’sannualoutputofthewasteceramicthatproducedduringceramicproductionapproximatestoover10milliontons.Inaddition，therearecountlesswasteceramicthatproducedduringthedemolitionanddecorationofthebuildinganddailylife.Thereuseofthewasteceramicasnewbuildingmaterialsisbeneficialtoacoordinateddevelopmentofresourcesandenvironment.Atpresent，thereisalittleliteratureaboutthewasteceramicusedasaggregatetoproducerecycledaggregateconcrete.Inthissituation，thispaper，considersthesituationthatchinahasrichresourcesofultrafinesand，butithasn’tbeenwidelyused，combinesthesetworesources，discussestheinfluencetothebasicpropertiesoftherecycledmortarandrecycledconcrete，Aimingatexploringthescientificmethodofutilizingthosetwokindsofresources.Themaincontentsofthispaperareintroducedasfollows.Firstly，thebasicpropertiesofmaterialsaretestedandfindthatrecycledaggregate(producedbyceramic)differsfromnatureaggregateinthefollowingpoints：Oneisthatthegraintypeisdifferent.Thegraintypeofnatureaggregateisusuallyslippery，yetrecycledaggregate(producedbyceramic)isangularbecauseoftheproductionprocess；Theotherdifferentisthewaterabsorptionrate.Natureaggregateiscompactandhassmallerwaterabsorptionrate.Yetrecycledaggregate(producedbyceramic)haslargerwaterabsorptionratebecauseofplentyofpores.Basedonthosepointsandtherequirementofeconomy,combinedthecharacteristicsofultrafinesand，enhancingstrongpointsandavoidingweaknesses，thebasicthoughtofcrushingceramicintocoarsesandandusingittoreplacepartofultrafineIII sandisdetermined.Secondly，thesuitableproportionofthecoarsesand(producedbyceramic)replacingultrafinesandisdiscussedbyavarietyofmethods.Thatlaysthegroundworkforfurtherstudy.Thirdly，twoaspectsofresearcharecarriedoutinrevealingtheeffectofrecycledaggregate(producedbyceramic).Oneisthatrevealingthebehavioraltraitofrecycledaggregate(producedbyceramic)byexperimentalstudyonsamequantityofwater.Theresultsindicate：Theangulargraintypeofrecycledaggregate(producedbyceramic)isbeneficialtothebitebetweenaggregateandhardencementpaste.Thehighwaterabsorptionrateofrecycledaggregate(producedbyceramic)canimproveeffectivelythepropertiesofInterfacialTransitionZone(ITZ).Thosehavepositiveeffectonimprovingstrength.Anotheristhatexploringthescientificmethodofutilizingrecycledaggregate(producedbyceramic)byexperimentalstudyonsameconsistency.Therecycledaggregate’sshortcomingofhighwaterdemandisexposedduringthestudy.ThatwouldincreaseW/Bratiotoalargeextentandcauseagreaterdepressionofstrength.Anditplaysamuchlargerrolethanitspositiverole.However，thedrawbackofrecycledaggregate(producedbyceramic)wasimprovedmarkedlybymixingrecycledaggregate(producedbyceramic)withultrafinesandatproperratios.Basedonthoseresearches，abetterwayofscientificutilizingrecycledaggregate(producedbyceramic)wasexplored.Fourthly，basedonorthogonaltest，thefactorsinfluencingtheworkability，mechanicalpropertiesandshrinkageofthemortar，suchastherecycledaggregatereplacementratio，thewater-binderratioandtheflyashreplacementratio，wereinvestigated.Theoptimumconditionsdeterminedbyorthogonalexperimentswerereceived.Theresultsindicate：W/Bratioandtherecycledaggregatereplacementratioaremainfactorswhichinfluencethepropertiesofrecycledmortar.Theincreasingoftheflyashreplacementratiomayworsenthecompressionstrengthandtensionstrengthofthemortar.Thus，accordingtothedesignrequiredstrengthclass，theflyashreplacementratioshouldbedeterminedbythedesignofmixedproportionofmortar.Soitcanreachthepurposeofsaveenergyandreusethewasteandsatisfytheprojectrequestatthesametime.Consideredfromtheeffectsoffactorsonthecompressionstrength，W/Bratioisdisadvantageoustoitbuttheeffectsoftherecycledaggregatereplacementratioisentirelydifferent，andtheeffectsofW/Bratioisgreaterthantheeffectsoftherecycledaggregatereplacementratio.Yet，theIV increaseoftherecycledaggregatereplacementratiocouldincreasemixwaterofmortar.Thus，goodflowpropertyhaslargerW/Bratiodemands.So，totheprojectwhichrequesthighcompressionstrength，therecycledaggregatereplacementratioshouldnotbetoolarge.Butthetwokeyfactorsaffecttheflexuralstrengthinareversemanner.So，totheprojectwhichrequesthighflexuralstrength，therecycledaggregatereplacementratiomaybeincreasedproperly.Thatbenefitstheincreaseofmortartenacityandthereducingofmortarcrack.Finally，theeffectsofreplacementratioofrecycledaggregate(producedbyceramic)andW/Cratioontheperformanceofrecycledconcreteareinvestigatedbyexperimentalstudy.Theresultsindicate:Withtheincreasingofreplacementratioofrecycledaggregate(producedbyceramic)，theapparentdensityofrecycledconcreteisreducedregularly.Anditislowerthantheapparentdensityofordinaryconcrete.UsingthemethodsofmixturedesignbasedonfreeW/Cratio，theflowabilityofrecycledconcreteisbasicallyconsistenttotheflowabilityofordinaryconcrete.Moreover,ithasgoodretentionperformanceandcohesiveness.Thefailuremodelandprocessofcubiccompressivetestandthesplittingtensiletestissimilartothatofordinaryconcrete.Thefailuresurfacebasicallycomesintobeingbetweenaggregateandhardencementpaste.Anditbellowstobondingdamage.Thecubiccompressivestrengthofrecycledconcreteisgreaterthanthatofordinaryconcrete.Theusingofrecycledaggregate(producedbyceramic)isfavorabletoimprovethecubiccompressivestrengthandthesplittingtensilestrength.LawofW/Cratioinfluenceonthecubiccompressivestrengthofrecycledconcreteissimilartothatofordinaryconcrete.Thatis，therelationofC/Wratioandcubiccompressivestrengthshowsagoodlinearrelationship.Buttheregressioncoefficientobtainedfromexperimentdataisdifferentfromthatofordinaryconcrete.Specificationformixproportiondesignofordinaryconcretecan’tbeuseddirectlyformixproportiondesignofrecycledconcretemadebyrecycledceramicaggregate.Theresearchesinthepaperwouldprovideimportantreferencefortheapplicationofwasteceramicinrecycledconcreteandtheeffectiveutilizationofultrafinesandresources.KEYWORDS：wasteceramic，recycledconcrete，ultrafinesand，scientificutilizationV 第一章绪论第一章绪论1.1研究背景和意义1.1.1天然砂资源分布极度不均且日益匮乏21世纪，水泥基材料仍是世界范围内应用最广泛、使用量最大的建筑材料之一。细骨料（即砂）是其中的主要组分之一，砂是地域性很强的建筑材料，有的地区资源丰富，而有的地区则资源很少或者基本没有。另外，砂是附加值低、重量大的大宗商品，其运输距离一般不宜过远。在东部发达城市如上海市基本没有砂资源，所有的建设用砂都要依靠外地的供应来满足需求，砂的来源一般是长江沿线如湖南、湖北、江西、江苏等地经水运的砂。而江河沿线的采砂作业又受到水利部门尤其是季节和水情的较大影响，因而生产也不稳定，市场波动较大。运输距离对砂的价格影响也很大。过去，一般是几十公里的运输距离，运输成本相对较低。现在由于城市建设和环境的改变，砂消耗量大，导致砂资源骤减或枯竭而形成了砂产地与使用地的距离不断加大，有的运输距离已经超过数百公里，如上海使用福建的砂运距达上千公里。这些城市只有依靠远距离或者超远距离运输来满足市场需求，无形之中增加了使用成本，导致砂市场价格迅速上涨。另外，大量超载超重的运输工具造成交通运输压力迅速上升，形成交通拥堵，也加重了环境污染。作为当今产量最高的人造材料，水泥基材料所需水泥、骨料等材料的数量是相当惊人的。与水泥相匹配使用的建筑用砂、石的年用量已经从改革开放初期1978年的3亿多吨达到了2008年的约70亿吨。而砂是短时间内不可再生的，经过几十年的开采，我国不少地区的砂资源已经大为减少或者接近枯竭，天然砂的质量也明显下降。我国天然砂资源多是细砂，混凝土用的中、粗砂品种已不能满足需要。在各省会或者发展较快的地区，周边100公里左右的砂、石资源已经大为减少或枯竭。如济南的长清县，原来的砂资源较为丰富，但近年来已经枯竭。再如宁波市的陆地天然砂资源枯竭，需要使用海上开采再经淡化处理的海砂或者远距离海上运输来的陆地砂。还有福建省供应出口的闽江砂，经过数十年的开采，加之水情和季节等方面的限制等原因，砂资源和砂的品质也快速减少和下降。由于资源枯竭或者减少、产品品质下降或者规格不符合要求，出现了[1]不能满足工程需要的现象，尤其不能满足高质量混凝土性能的需要。研究开发替代骨1 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究料资源势在必行。1.1.2固体废弃物数量日益增加固体废物是指在生产建设、日常生活和其他活动中产生的污染环境的固态、半固态[2]的废弃物质，通俗地说，就是“垃圾”。城市不断扩大，工业不断发展，人口日益增加，各种固体废弃物的处置问题凸显出来。据统计，全世界每天排放的城市固体废弃物[3]达2700万吨，年产量约100亿吨；全国陶瓷生产过程中废料的年产量估计在1000万吨以上，另外还有大量因建筑物拆除、装修和日常生活等过程中产生的废陶瓷；我国每年煤矸石的排放量约1.4亿吨，历年的积存量已超过20亿吨；粉煤灰是以煤为燃料的发电厂的工业废料。我国是世界上第三大粉煤生产国，仅电力工业的年粉煤灰排放量已逾亿吨，但目前的利用率仅在38%左右；建（构）筑物无论是在新建还是拆除过程中，都会产生大量的含有混凝土、金属、木材、陶瓷、玻璃、塑料等成分的建筑副产品——固[4]体废弃物，建筑废弃物占工业废弃物的比例高达40%左右。我国是世界上每年新建建筑数量最大的国家，消耗了全世界40%的水泥和钢材；同时，我国建筑垃圾的产量已占到城市垃圾总量的30%-40%，全国每年都要产生数亿吨废弃混凝土，废弃混凝土清运和堆放过程中易造成粉尘，严重污染大气，形成了二次污染；而且，这些废弃物中含有大量的建筑用胶、涂料、油漆等难以降解的高分子聚合物材料和有害重金属元素，而目前我国的废弃混凝土绝大部分未经任何处理，通常采用露天堆[5]放或填埋，既占用了大量耕地又对土壤质量造成破坏。另外，地震等自然灾害致使大面积的建筑物、道路、桥梁等基础设施的破坏，也会产生大量建筑垃圾。据统计，2008年的汶川地震产生的建筑垃圾约3亿吨。固体废弃物中含有大量能源和各种资源，如法国空想社会主义者傅立叶所说“垃圾是放错了地方的财富”，毫无疑问，实现废弃物资源化，是人类社会得以协调发展的必要趋势，有利于人类社会的进步和生存环境的改善。土木工程随着人类社会的进步而不断发展，已成为国民经济的支柱产业。土木工程材料的显著特点是用量大。将固体废弃物再生利用并用于建筑材料已取得了初步成绩，仍具有广阔的研究应用前景。1.1.3发展循环经济是必然趋势人口膨胀、资源短缺和环境恶化是当今人类社会面临的三大问题。对于环境恶化、资源匮乏的关注，使得一些学者和产业界开始考虑改变资源流通模式。从传统的资源—2 第一章绪论—消费——垃圾场的线性流通模式，向资源——消费——再生利用的环行流通模式转变。天然资源库在不断地减少或贫化，而各种废弃物构成的再生资源库正在迅速的增长[6]。循环经济（cycliceconomy）是指将生产所需的资源通过回收、再生等方法再次获得使用价值，实现循环利用，减少废弃物排放的经济生产模式。在传统经济中，人们以越来越高的强度把地球上的物质和能源开发出来，在生产加工和消费过程中又把污染和废物大量地排放到环境中去，对资源的利用往往是粗放的和一次性的，通过把资源持续不断地变成废物来实现经济的数量型增长，导致了许多自然资源的短缺与枯竭，并酿成了灾难性的环境污染后果。与此不同，循环经济倡导的是一种建立在物质不断循环利用基础上的经济发展模式，它要求把经济活动按照自然生态系统的模式，组织成一个“资源——产品——再生资源”的物质反复循环流动的过程，使得整个经济系统以及生产和消费的过程基本上不产生或者只产生很少的废弃物，其特征是自然资源的低投入、高利用和废弃物的低排放，从而根本上消解长期以来环境与发展之间的尖锐冲突。我国从20世纪90年代起引入了关于循环经济的思想。此后对于循环经济的理论研究和实践不断深入。2008年8月全国人大常委会通过，2009年1月1日起实施《循环经济促进法》。循环经济是符合可持续发展理念的经济增长模式，它抓住了当前我国资源相对短缺而又大量消耗的症结，对解决我国资源对经济发展的瓶颈制约具有迫切的现实意义。21世纪中后期，再生资源将成为我们资源需求的主要来源之一。目前我国在资源再生利用方面的主要障碍是缺少有效的组织，未形成产业规模，缺少技术研发。我国在废物的再回收、再利用、再循环方面存在较大的潜力，大力发展资源再生产业，尽快出台相关政策，形成产业规模，会较大地缓解我国资源紧缺、浪费巨大、污染严重的矛盾。1.2再生混凝土国内外研究现状及存在的问题对再生混凝土技术的研究源于第二次世界大战期间，战争带来了大量的废弃物，在战后，许多欧洲国家面临着严重的废弃物处理问题。20世纪50年代，前苏联和德国等国家为了处理大量废弃混凝土，同时为城市重建提供新的资源，相继开展了再生混凝土[7]技术的研究工作。从一般意义上讲，再生混凝土骨料（recycledconcreteaggregate，RCA），简称再生3 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究骨料(recycledaggregate)是指将废弃混凝土块经破碎、分级并按一定的比例混合后形成的骨料。而利用再生骨料作为部分或全部骨料配制的混凝土，称为再生骨料混凝土(recycledaggregateconcrete，RAC)，简称再生混凝土(recycledconcrete)。从广义上讲，再生混凝土骨料是指经过特定处理、破碎、分级并按一定的比例混合后形成的，满足配制不同性能和使用要求混凝土的骨料。这些用于生产再生骨料的材料还包括碎砖瓦、陶瓷、玻璃、[8]炉渣、矿物废料、石膏等固体废弃物。再生骨料混凝土技术可实现对固体废弃物的再加工，形成新的建材产品，从而既能使有限的资源得以再利用，又解决了部分环保问题。这是发展绿色混凝土，实现建筑资源环境可持续发展的主要措施之一。目前，再生混凝土新技术是世界各国共同关心的课题，已成为国内外工程界和学术界关注的热点和前沿问题之一。从材料层面来看，国内外研究主要集中在对再生骨料和再生混凝土的相关研究等方面。现就国内外研究现状分述如下。1.2.1再生骨料的研究现状对再生骨料的研究包括再生混凝土骨料的生产工艺、性能、质量或分级标准等方面的研究。1）再生骨料生产工艺研究由固体废弃物制备再生骨料的过程，即将不同的切割破碎设备、筛分设备、传送设备和除去杂质的设备合理地组合在一起，共同完成破碎、筛分和除去杂质等工作，最后得到符合质量要求的再生粗骨料和再生细骨料的过程。国内外科研机构针对再生骨料的生产工艺做了大量的研究工作，代表性的有：“三破三筛”、“加热研磨法”和“湿处理法”等。但针对不同固体废弃物特点的再生骨料破碎设备还相对欠缺。[9]Shigeyoshi设计了对废弃混凝土块的“三破三筛”工艺，在该生产工艺中，首次破碎使用颚式破碎机，后两次破碎使用带有较强研磨效果的破碎机，每次破碎后紧跟着一次筛分。此工艺的特点是不受原生混凝土强度的影响，能获取不同粒径的再生骨料，废[10]弃混凝土的利用率较高。Shima提出了加热研磨法工艺，与其他生产工艺相比，该工艺中增加了加热和机械磨损两道工序。当废弃混凝土加热到300℃时，附着在废弃混凝[11]土块上的水泥砂浆变脆，再通过机械磨损，可以将水泥砂浆有效的分离。水中和等研究了废弃混凝土在热与机械力作用下结构和性能的变化，试验研究了用热-机械力分[12]离制备高品质再生骨料的技术措施，也取得了良好的效果。欧洲和美国采用湿处理法4 第一章绪论生产再生骨料，其原理是在处理前，首先用脉冲水流冲过材料混合物，利用材料密度不同去除杂质。与一般的处理方法相比，该方法可以有效消除废弃混凝土中的泥屑、有机物质以及碎砖等杂质。在去除杂质或分离砂浆方面，国内也取得了一定的进展，其中肖[13]建庄等通过在再生骨料生产工艺中加入冲洗工序来清除粘土、淤泥、细屑等杂质，取[14]得了较好的效果。李惠强和杜婷在再生骨料一级破碎后，利用填充型加热装置加热，再进行二级破碎，使粘附在原生骨料表面的水泥石粘结较差的部分，或在一级破碎中已带有损伤裂纹的水泥石脱落，相对提高了再生骨料的强度。2）再生骨料性能及其强化研究与天然骨料一样，再生骨料按颗粒大小也可分为再生粗骨料（大于4.75mm）和再生细骨料（0mm-4.75mm）。再生混凝土和普通混凝土相比，主要区别是再生骨料和天然骨料的性能存在差异，对再生骨料性能及其强化研究，是获得高品质再生混凝土的基础。目前研究的主要结论：再生骨料表观密度、堆积密度较小，吸水率和压碎指标较大。和天然骨料相比，再生骨料表面粗糙，棱角较多，并且骨料表面还包裹着相当数量的水泥砂浆(孔隙率大、吸水率高)，再加上混凝土块在解体、破碎过程中由于损伤积累使再生骨料内部存在大量微裂纹，这些因素都使再生骨料的吸水率和吸水速率增大，而且密度和表观密度比普通混凝土低。同时，再生骨料密度、表观密度、吸水率等物理特性，与废混凝土母体的强度、配比、使用时间、使用环境及地域等因素有关。但，目前对再生骨料的研究，较多的是实验室内人工破碎的再生混凝土骨料，对于来源于建筑垃圾的其他母体的再生骨料，例如再生陶瓷骨料等的研究较少。由于再生骨料具有孔隙率高、吸水性大、强度低等特征，目前其应用范围还很窄，主要用来配制中低强度等级的混凝土。为拓宽其应用范围，许多学者对再生骨料进行了改性强化研究。主要有以下几种方案：①机械活化：目的在于破坏弱的再生颗粒或除去粘附于再生颗粒表面的水泥砂浆。俄罗斯的试验表明：经球磨机活化的再生骨料质量大[15]大提高。②酸液活化：将再生骨料置于酸液如冰醋酸、盐酸溶液中，利用酸液与再生骨料中的水泥水化产物Ca(OH)2反应，起到改善再生骨料颗粒表面结构的作用。俄罗斯的研究人员利用5％浓度的冰醋酸和3％浓度的盐酸溶液对再生粗骨料的改性问题进行了研究。③化学浆液处理：采用较高标号水泥和水按一定比例调成素水泥浆液，在其中掺入适量的其它物质如超细矿物质(如粉煤灰、硅粉等)、防水剂或硫铝酸钙类膨胀剂。5 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究并用浆液对再生骨料进行浸泡、干燥等处理，以改善再生骨料的孔隙结构来提高再生骨[16]料质量。杜婷等选用水泥外掺Kim粉等4种不同性质的高活性超细矿物质掺合料的浆液对再生粗骨料进行了强化试验，结果表明，由强化后的再生粗骨料配制的混凝土，其强度能得到不同程度的提高。④水玻璃溶液处理：用液体水玻璃溶液浸渍再生骨料，利用水玻璃与再生骨料表面的水泥水化产物Ca(OH)2反应生成的硅酸钙胶体来填充再生[17]骨料孔隙，使再生骨料的密实度有所改善。程海丽等利用水玻璃对再生骨料进行了强化试验研究，总结出了水玻璃对再生骨料的改性机理。3）再生骨料质量分级标准研究不同母体来源的再生骨料性能差异较大，如果不加以分级就用来配制混凝土，势必将增大再生混凝土性能的离散性。各国分级标准如下：①国际材料与结构试验研究协会(RILEM)对再生粗骨料的分级标准1998年，RILEM发行了新版再生混凝土规范，将再生粗骨料分为3个等级，并给出各个等级骨料的适用范围：Ⅰ级骨料主要来源于砌体工程；Ⅱ级骨料主要来源于废混凝土；III级骨料由再生粗骨料和天然粗骨料混合而成，其中再生粗骨料最大取代率为20%，且Ⅰ级再生粗骨料的含量不得超过10%。再生粗骨料的各项性能要求及适用范围[18]见表1-1。表1-1RILEM对再生粗骨料的要求饱和面干饱和面干表饱和面干允许配制的饱和面干表观密度吸水等观密度<2200表观密度再生混凝土3表观密度<1000kg/m率33级kg/m颗粒的<1800kg/m颗最高强度等/(kg/m3)颗粒的最大含/%最大含量/%粒的最大含量/%级量/%Ⅰ1500—10120C15Ⅱ20001010.510C50Ⅲ24001010.53无限制注：表中C15，C50为中国混凝土强度等级。②日本再生粗骨料的分级标准日本将再生粗骨料按吸水率大小分为3级，1997年日本建筑部门规定的的再生粗骨[19]料分级标准见表1-2。6 第一章绪论表1-2日本规范中再生粗骨料的分级项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类吸水率/%≤33-55-7③其他国家再生粗骨料的分级标准情况英国、德国等其他国家也分别从再生粗骨料来源、压碎指标、饱和面干表观密度、吸水率、取代率等方面对再生粗骨料的应用做了具体限定。④中国再生粗骨料的分级标准建议[20]同济大学肖建庄等基于大量试验数据，同时参考了国外再生粗骨料的分级标准，建议将我国再生粗骨料分为Ⅰ、Ⅱ两级，见表1-3。表1-3中国再生粗骨料分级标准建议饱和面干表观密度吸水率砖含量(按质量计)再生混凝土最大等级3/(kg/m)/%/%允许强度等级Ⅰ级≥2400≤7≤5C40Ⅱ级≥2200≤10≤10C251.2.2再生混凝土性能的研究现状再生混凝土的性能研究主要包括工作性、力学性能和耐久性能等方面。主要成果如下：1）工作性在同样水胶比条件下，由于再生骨料比天然骨料表面粗糙、孔隙多、吸水率大，从[21]而导致再生混凝土的流动性较差，而其保水性与黏聚性则得到增强。达到同样坍落度时，再生骨料混凝土需水量增加，这对制备高强度再生混凝土是不利的。因此，不少学[22]者对再生骨料混凝土工作性改性方面做了研究，邱怀中等研究表明，再生骨料经聚合物溶液和MS高效防水剂处理后，可明显提高再生混凝土拌合物的流动性。其原因是再生骨料表面用聚合物水溶液处理、烘干后，可在表面形成薄膜，有些聚合物水溶液还会渗入到表面的孔隙中，起到了封闭或堵塞再生骨料表面孔隙的作用，从而降低吸水率，起到提高再生混凝土流动性的作用。2）力学性能再生混凝土的力学性能包括抗压强度、抗拉强度、抗折强度等。由于抗压强度与其它强度之间存在一定的相关性，对抗压强度开展的试验研究较多。再生混凝土的强度与7 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究基体混凝土的强度、再生骨料的性能、再生骨料的取代率以及再生混凝土的配合比等因素密切相关。目前，许多学者对再生混凝土的基本力学性能做了试验研究，分析影响再生混凝土强度的各种因素，结论不尽相同。现将研究结果简述如下：①基体混凝土的影响基体混凝土的强度对再生混凝土的强度有一定影响，相同条件下，再生混凝土强度[23]随基体混凝土强度的增高而增高。Hansen的试验结果表明，随着基体混凝土的强度降低，再生混凝土的强度呈下降趋势。②再生骨料的影响混凝土再生细骨料由于吸水性高，对混凝土力学性能和耐久性不利，限制了其应用。文献[24]研究表明，用再生细骨料替代天然细骨料配制的混凝土强度有明显的降低。③再生骨料取代率的影响[25]肖建庄等的研究表明，当再生骨料掺量为30%、70%和100%时，再生混凝土的28d抗压强度分别较普通混凝土平均降低24%、28%和30%左右，但是当再生粗骨料的[26]掺量为50%时，再生混凝土的强度反而高于普通混凝土。王江等的研究得到了类似的结论：取代率较小时，再生混凝土抗压强度随再生粗骨料的取代率增加而降低，再生粗骨料的取代率为50%时，再生混凝土抗压强度超过普通混凝土抗压强度，随后再生混凝[27]土抗压强度又随再生粗骨料的取代率增加而降低。王武祥研究表明，随着再生粗骨料取代天然粗骨料比例的提高，再生混凝土的强度略有降低，但降低幅度不大；而随着再[28]生细骨料取代天然细骨料比例的提高，再生混凝土的强度明显下降。而张亚梅等的试验结果表明：再生混凝土的强度高于同配合比采用天然骨料的基准混凝土。④水灰比的影响[29]朋改非通过试验得出结论：水灰比是影响再生骨料混凝土抗压强度的主要因素。当水灰比为0.6时，再生骨料混凝土的抗压强度略低于同配比的普通混凝土，且随再生骨料用量增多，抗压强度进一步下降；当水灰比为0.4或0.26时，再生骨料混凝土的抗压强度高于同配比的普通混凝土，且随再生骨料用量增多，抗压强度进一步提高。Gupta也有类似的发现。[30]此外，史巍等认为，当周围环境较干燥和自由水蒸发时，再生骨料所吸收的水分可以释放出来，保证混凝土内部在较长时间内保持一定的湿度，促进混凝土强度的发展，即起到“内养护”的作用。8 第一章绪论⑤龄期的影响大多数研究表明：再生混凝土抗压强度随龄期的发展规律与普通混凝土类似。再生混凝土强度机理可解释如下：①再生粗骨料的强度、堆积密度和表观密度均较天然骨料低，再生骨料的吸水率、压碎指标和杂质含量较高，再加上再生骨料的破碎加工过程中，内部损伤累积使再生骨料内部存在大量微裂纹等因素导致强度下降。②再生骨料表面粗糙，界面啮合能力强，一定程度上改善了界面的性能；再生骨料吸水率高，能吸收新拌水泥砂浆中多余的水份，这既降低了骨料表面水灰比，又降低了混凝土拌合物的有效水灰比。这些又将导致再生混凝土的强度提高。3）耐久性相比于同配合比的天然骨料的混凝土，再生混凝土的干燥收缩性能有较大幅度的增大，其中原因之一是再生骨料的孔隙率大，造成吸水率大，另一个原因是再生骨料的压碎指标小，抵抗变形的能力差。其收缩率随水灰比的增大而增大，收缩值明显大于天然骨料混凝土，并随着再生骨料替代天然骨料比例的增大而不断增大。再生混凝土的抗冻性随再生骨料粒径大小以及水灰比的不同而不同。再生粗骨料的[31]使用在某些情况下，其抗冻性甚至优于同配合比的天然骨料的混凝土。Malhotrah和[32]Buck先后进行了不同水灰比再生混凝土的抗冻融性试验，研究结果表明再生混凝土的抗冻融性并不低于普通混凝土，有些情况下甚至优于普通混凝土。与此相反，也有许多学者研究表明：随再生粗骨料的取代率增加，再生混凝土的碳[33][34]化深度增大、抗渗性和抗冻性降低。Limbachiya和Nishibayashi等分别通过试验证[21]明了上述观点。为改善再生混凝土的耐久性，邢振贤等进行了掺入适量粉煤灰的再生混凝土抗渗、抗冻融和抗硫酸盐侵蚀试验，试验结果表明，粉煤灰能细化再生骨料的毛细孔道，从而使再生混凝土耐久性能得以改善。1.2.3陶瓷再生混凝土的研究现状定义由废陶瓷破碎得到的再生骨料配制的混凝土为再生陶瓷骨料混凝土。国内外学者对再生陶瓷骨料混凝土做了一些研究，得出了一些有益的结论。简述如下：[35]RM.Senthamarai等采用废弃陶瓷再生粗骨料全部取代天然粗骨料（D为20mm）max进行试验，研究表明：其抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度较天然混凝土分别降低了3.8%，18.2%和6%，但其具有更低拉压比，粘聚性更好。Brito[36]和Correia[37]的试验表9 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究明：再生陶瓷骨料混凝土抗压强度和抗折强度随陶瓷再生粗骨料掺入量的增加而降低；但耐磨性能好，陶瓷再生混凝土用于非承重结构混凝土是可行的。[38]HanifiBinici采用废弃陶瓷再生细骨料（D为4mm）做不同取代率（取代率为max40%-60%）试验，结果表明：随陶瓷再生细骨料取代率的增大，再生陶瓷骨料混凝土抗压强度、耐磨性能和抗氯离子侵入能力均提高，且上述三种性能均优于相同配比的天然[39]骨料混凝土的性能。V.Lopez等利用废弃墙地砖陶瓷再生细骨料做不同取代率（取代率为10%-50%）试验，设计强度为C30，得出结论：其抗压强度随陶瓷再生细骨料取代率的增大而增大，均大于相同配比的天然细骨料混凝土的抗压强度。[40]毋雪梅等研究表明：卫生洁具再生砂和墙地板砖再生砂的性能指标都略低于天然河砂，但数值都基本符合建筑用砂国家标准中对细骨料的性能要求；再生陶瓷骨料混凝土的坍落度随着废弃陶瓷再生砂代替天然砂的比例增加而减小，且新拌再生混凝土的黏聚性不好，表现出较差的保水性；再生陶瓷骨料混凝土中随着再生砂掺量的增加，抗压强度并未明显降低甚至略有增加，但同时抗折强度却有一定程度的降低。废弃陶瓷再生砂配制的砌筑砂浆相同强度等级下抗压强度甚至比天然砂砌筑砂浆还高。[41]毋雪梅等通过试验得出结论：再生粗骨料对混凝土强度的降低程度大于再生砂的影响；不同种类骨料-水泥石界面粘结强度测定结果显示：废弃陶瓷骨料与水泥石的粘结强度远远低于水泥石的抗折强度，这说明了废弃陶瓷骨料-水泥石界面粘结区仍是混凝土中的薄弱区；通过SEM图发现：在陶瓷-水泥石界面处无明显大量的Ca(OH)2富集并形成定向排列的现象，保证了骨料与基体之间的有效粘结。[42]唐明，潘文浩研究表明：陶瓷再生砂，可以满足混凝土用砂石规范的要求，可全部取代优质河砂。其立方体抗压强度和抗折强度值均能达到设计要求，甚至可以超过同配合比的天然河砂配制的混凝土的强度；再生陶瓷骨料混凝土和天然河砂混凝土强度发展趋势一致，在其它条件相同时，混凝土的强度随着灰水比的增加而增长；陶瓷砂的加工方式对再生混凝土的强度有一定的影响，加工过程中与部分碎石混合破碎，砂的性能更为优异；再生陶瓷骨料混凝土同天然骨料混凝土一样，随龄期的增长强度不断增加，且再生陶瓷骨料混凝土的早期强度发展较快。综上可见，陶瓷再生细骨料对再生混凝土性能的影响优于陶瓷再生粗骨料，原因在于，首先，陶瓷废料一般较薄，多在3mm-10mm，若破碎颗粒较大，其釉面与水泥石粘结性能不好。其次，若破碎颗粒较大，针片状颗粒含量增大，对再生混凝土性能不利。10 第一章绪论另外，有文献表明，颗粒中小于0.075mm的微粉的含量会随陶瓷再生砂细度模数的减小而增大，破碎过细会大大增大微粉含量，既降低了废陶瓷的利用率，又增加了生产能耗，同时造成二次污染。1.2.4再生混凝土应用简况1）日本日本，2000年共产生了约4.06亿吨的工业废弃物，其中建筑废弃物0.85亿吨，约占工业废弃物总量的21%。2000年0.35亿吨废旧混凝土的再生利用率为96%，主要用[43]作路基、碎石骨料、回填土和土地开垦等。2）美国20世纪80年代中期，堪萨斯州交通厅把回收的旧混凝土作为骨料用于新建水泥路[44]面，通过多年观察发现废混凝土用于路面面层在技术上是可行的。CYCLEAN公司采用微波技术，可以100％回收利用旧沥青混凝土路面料，其质量与新拌沥青混凝土路面料相同，但成本却降低了13，同时节约了垃圾清运和处理等费用，还减轻了对环境的[45]污染。据美国联邦公路局统计，美国现在己有超过20个州在公路建设中采用再生骨料，26个州允许将再生骨料作为基层材料，4个州允许将再生骨料作为底基层材料，将再生骨料应用于基层和底基层的28个州级机构中，有15个制定了关于再生骨料的规范。目前美国每年在道路维修和重建中回收的混凝土废料约为20亿吨，据有关部门预测，到[46]2020年将会达到25亿吨。3）德国德国是世界上推行环境标志最早的国家之一，它的每一个地区都有大型的建筑垃圾再生加工综合工厂，仅在柏林就建有20多个。德国LowerSaxong的一条双层混凝土公路采用了再生混凝土，该混凝土路面总厚度26cm，底层混凝土19cm采用再生混凝土；[47]面层7cm采用天然骨料混凝土。德国有望将80%的再生骨料用于10%-15%的混凝土工程中。4）中国1990年，上海第二建筑工程公司在市中心的“华亭”和“霍兰”两项工程的7幢高2层建筑(总建筑面积13万m，为剪力墙或框剪结构)的施工过程中，将结构施工阶段产生的建筑垃圾，经分拣、剔除并把有用的废渣碎块粉碎后，与标准砂按1：1的比例拌和11 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究作为细骨料，用于抹灰砂浆和砌筑砂浆，砂浆强度可达到5MPa以上。共计回收利用建筑废渣480吨，节约砂子材料费1.44万元和垃圾清运费3360元，扣除粉碎设备等购置[48]费，净收益达1.24余万元。1991年建成通车的合宁(合肥——南京)高速公路，随着交通量和使用年限的增加，路面出现了不同类型的病害。在合宁高速公路的养护维修过程中，再生混凝土也得到了2充分利用，用再生骨料代替天然骨料，利用率达到80％，每年的维修工程量为9万m-102万m，节约骨料运输费117万元-130万元，同时节省了废料占用的土地费用67万元-75[44]万元，获得了良好的社会经济效益。长安大学、同济大学等高校开展了将水泥混凝土废弃物用于道路工程基层、面层、土基及防护工程的研究，并在河南、湖北等地的旧路改造中进行了现场试验研究，此外在同济大学校内用水泥混凝土废弃物加工料建造了一条道路，昆明理工大学在新校区的建设中也利用废弃混凝土铺设了道路。“城市，让生活更美好”是2010中国上海世博会的主题。这一主题着重提出了“城市与可持续发展关系”，也就是说城市建设必须建立在可持续发展的基础上，而再生混凝土是对城市建设可持续发展的最好诠释，上海世博园区再生混凝土工程为两幢单体建22筑物，设计结构为钢结构加组合楼板，每个单体建筑面积2400m，总共4800m，楼板3厚度12cm，再生混凝土总用量500m，为上海建工材料公司生产。在2010年举行的十一届全国人大三次会议上，人大代表杜波专门就废弃混凝土回收利用向全国人大提交了建议。他建议，国家应该采取措施，尽快开展包括废弃混凝土在内的建筑垃圾回收利用工作。以废弃混凝土为例，他建议应扶持试点示范企业，在每个地区扶持几家建筑垃圾综合利用试点示范企业，专门统筹“建筑垃圾固体废弃物”业[5]务。1.2.5存在的问题1）目前再生骨料的生产工艺都存在耗能大、成本高、造成二次污染的缺点，制约了其大规模推广应用。更合理的生产工艺和配套设备有待进一步研发。2）对再生骨料的主要强化方法是添加外加剂、化学浆液浸渍或在再生混凝土中掺加矿粉、Kim粉等，但对于强化和改性的机理研究甚少，另外，上述方法虽可使再生骨料达到一定程度的强化效果，但存在的问题是强化材料费用昂贵，工艺复杂，不适合在实际工程中推广使用。3）各国仅对再生粗骨料进行了研究分级，再生骨料来源也仅限于废弃混凝土和废12 第一章绪论砖等，且也主要应用于中低强度等级再生混凝土中。对再生骨料分级和应用范围的研究还有很多工作要做。4）目前对再生混凝土强度的影响因素和机理的研究还没有统一的结论，个体试验差异、原材料差异等因素使对再生混凝土强度研究的难度增大，对再生混凝土强度机理的研究也有待进一步完善。5）对利用废弃陶瓷配制再生混凝土的研究国内少见，在破碎方法、对再生砂浆、混凝土性能影响方面也只得出一些初步结论，有待验证和进一步开展系统研究工作。同时，研究者都致力于配出粗细、级配符合Ⅱ区中砂要求的陶瓷再生砂，并将其用于再生砂浆、混凝土的研究，然而，优质陶瓷再生中砂的掺配，程序复杂，可操作、可控性不强，只适于耗材量小的试验室研究，实际应用中应有专门生产优质再生骨料的专门机构，否则难以在实际工程中大规模生产。通过简单破碎就可直接利用的陶瓷再生骨料利用方式有待思考。6）应用方面，大多集中于对废旧混凝土的研究，对其他建筑垃圾特别是废弃陶瓷的再生利用工作仍有待进一步拓展。7）为了人类社会的可持续发展，政府应该将再生资源的利用工作提上日程，尽快出台相关法律法规，在各地设立相关研发生产机构，并从政策和资金上予以鼓励和支持。尽快实现废旧资源的循环利用、解决骨料资源濒临枯竭的问题。1.3陶瓷及其基本性能和应用可行性1.3.1概念及生产普通陶瓷是用粘土(AlOSgg2iOHO2)、长石(KOAlggOS6iO,NaOAlggOS6iO)和石232222322232英(SiO)为原料，经成型、烧结而成的，其组织中主晶相为莫来石(3AlOSg2iO)，占223225%-30%，玻璃相占35%-60%，气相占1%-3%。它的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、石英等)，因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”的范畴。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。建筑陶瓷是指房屋、道路、给排水和庭园等各种土木建筑工程用的陶瓷制品。特点是强度高、防潮、防火、耐酸、耐碱、抗冻、不老化、不变质、不褪色、易清洁等。陶瓷面砖是用作墙、地面等贴面的薄片或薄板状陶瓷质装修材料，也可用作炉灶、浴池、洗濯槽等贴面材料。有内墙面砖、外墙面砖、地面砖、陶瓷锦砖和陶瓷壁画等。13 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究①内墙面砖。也称釉面砖，用精陶质材料制成，制品较薄，坯体气孔率较高。坯料组成范围：高岭土或叶蜡石为40%-65%；粘土为40%-65%；石英为20%-30%；熔剂（长石、石灰石、滑石、白云石等中的一种或几种）5%-17%。白色胚体上使用铅硼熔块透明釉，有色坯体上使用硼碱锆（锡、钛、铈）熔块乳浊釉。素烧温度为1230°C-1280°C，釉烧温度为1100°C-1160°C。②外墙面砖。由半瓷质或瓷质材料制成。分有釉和无釉两类，具有经久耐用、不退色、抗冻、抗蚀和依靠雨水自洗清洁的特点。以耐火粘土、长石、石英为坯体主要原料，在1250°C-1280°C下一次烧成。③地面砖。用半瓷质材料制成，分为有釉和无釉两种，地面砖和外墙砖向通用的墙地两用砖（又称彩釉砖、防潮砖）发展，其坯体材质相同，但产品厚度和釉的性能因用途而不同。④陶瓷锦砖。也称马赛克，是用于地面或墙面的小块瓷质装修材料。分有釉和无釉两种。一般以耐火粘土、石英和长石作制坯的主要原料，干压成型，于1250°C左右下烧成。由上可见，各种建筑陶瓷产品生产原料和烧制温度相近，而且同水泥、砂石一样，同属硅酸盐类材料，用作替代骨料资源与普通砂浆、混凝土材料具有良好的相容性。1.3.2基本性能陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结而成形的，因此陶瓷是烧结体。陶瓷材料具有密度小、弹性模量大、耐磨损等特点。陶瓷强度对应力状态特别敏感：抗拉强度低，抗弯强度较高，抗压强度很高，比抗拉强度高一个数量级。陶瓷材料还具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。陶瓷线膨胀系数很低；由于无自由电子传热、导电，是较好的绝热材料和良好的绝缘体。陶瓷结构非常稳定，是很好的耐火材料，对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质也均有较强的抵抗能力。[49]苏达根等对广东产陶瓷玻化砖废料、瓷质废料、炻质及陶质四种陶瓷废料组成与火山灰活性进行了研究，得出结论：陶瓷玻化砖废料的玻璃相含量较高，瓷质废料其次，炻质和陶质废料的玻璃相含量较低；四种陶瓷废料都具有火山灰活性，其水泥胶砂28d抗压强度比均高于62%（水泥火山灰活性混合材的要求），陶瓷玻化砖为82.1%，瓷质废料为80.8%，炻质废料为78.3%，陶质废料为77.3%。玻璃相含量较高的陶瓷废料其水泥胶砂28d抗压强度比较高。各种具有火山灰活性的矿物会与水泥水化生成的Ca(OH)进行二次水化反应，使后期强度增长较快、增加混凝土材料的密实性、提高耐2久性。14 第一章绪论1.3.3废弃物产量及应用可行性近20年来，我国建筑卫生陶瓷行业得到飞速发展，从20世纪90年代初开始，产量一直处于世界第一。陶瓷业随着产量的增加，废料的数量越来越多，根据不完全统计，仅佛山陶瓷产区，各种陶瓷废料的年产量已经超过400万吨，而全国陶瓷废料的年产量估计在1000万吨以上，另外还有大量因建筑物拆除、装修和日常生活等过程中产生的废陶瓷。如此大量的陶瓷废料已经不是简单填埋可以解决的问题，而且随着经济的日益发展和社会的进步，环境成为人们关注的焦点，陶瓷废料的堆积挤占土地，影响当地空气的粉尘含量，而陶瓷废料的填埋耗费人力物力，还污染地下水质，目前大量的陶瓷固体废料的排放和堆积已经严重地影响我国陶瓷行业的可持续发展，如何变废为宝，化废料为资源，已经成为科技和环保部门的当务之急。真正解决陶瓷废弃物的污染问题，必须结合工程特点，开发大宗利用陶瓷废弃物的项目。世界发达国家建陶行业对陶瓷废料的处理非常重视，一方面尽量回收再利用，另一方面采用新技术将陶瓷废料用于建筑材料如水泥和墙体材料的生产使建陶厂的固体[50]废弃物排放量控制在最少。在大宗利用陶瓷废弃物的项目中，将陶瓷废弃物经破碎筛分加工制备为再生骨料，作为混凝土的骨料进行部分或全部取代天然骨料应用是一条有效的途径。1.4本地砂资源及特细砂资源分布特点开封地处黄河下游，特细砂资源丰富，中砂资源极度匮乏。一直以来工程上使用的细骨料都是从山东和河南遂平等地经长途运输来的。由于技术方面的原因，目前开封地区建筑工程中混凝土用砂皆为中、粗砂，本地特细砂资源得不到充分利用。而从山东和河南遂平运来的中、粗砂，加上运输费用，价格比开封特细砂的价格高得多。另外，我国天然砂储量多是细砂，四川、河南、上海、黑龙江、山东、北京、内蒙[51]古、宁夏、新疆、广东、广西等地都产特细砂。特别是长江中、下游地区特细砂的储量很大，但缺少细、中砂。例如重庆，地处长江、嘉陵江交汇处，建筑用砂主要来自两[52]江。其细度模数范围一般在0.5-1.5，以0.7左右居多，多属特细砂。除重庆外，沿江（如长江、嘉陵江等）地区的城市，如泸州、宜宾、南充等也有着丰富的特细砂资源，而缺少中砂、粗砂。骨料资源具有很强的地方性，各个地区都要立足于本地资源，寻求适宜的原材料来15 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究配制砂浆、混凝土，以取得最佳的经济效益和社会效益。在特细砂资源丰富地区科学合理的利用特细砂对于节约能源、降低工程造价、缩短施工工期具有显著的社会及经济效益，符合“因地制宜，就地取材”的原则。1.5课题的提出及主要研究内容1.5.1课题的提出和研究意义我国再生混凝土的研究取得了一定的成绩，但对再生骨料的研究主要集中于废旧混凝土和废砖，与我国陶瓷大国的国情不符，相关研究表明，废旧陶瓷具有许多优良的性能，具有再生利用的可行性。将其用于建材行业，一举两得，既可以处理建筑垃圾、保护环境，又可以解决天然优质骨料资源枯竭的问题。国内外已经有一些学者对废弃陶瓷用作再生混凝土粗、细骨料及其对再生混凝土性能的影响开展了研究，得出了一些有益的结论，但，研究者相对较少，结论不系统、不全面，而且，研究者们大多致力于制备粗细、级配符合要求的优质陶瓷再生骨料并用以配制砂浆、混凝土，研究其部分或全部取代天然中砂对混凝土性能的影响，没有充分结合实际情况和陶瓷骨料的特点，工艺复杂，难以具体指导工程实践。研究表明，由于陶瓷产品尺寸规格等方面的原因，将其破碎为细骨料用于生产再生砂浆、混凝土比破碎为粗骨料更具优势。但又不可过细，以免造成二次污染、增大加工成本。破碎为较粗的细骨料更符合实际情况。值得注意的是，如何与现有的地方性材料相配合，扬其所长，避其所短？还没有得到更多的关注，也未见有相关资料报导。本文充分分析陶瓷材料和特细砂的特点，将这两种极其丰富的资源结合起来，探讨科学利用的方式，既可以为建筑业开辟新的资源，又可以有效地减少环境污染，还可以改善混凝土的性能，其意义是不言而喻的，也必将带来极其显著的经济效益和社会效益。1.5.2主要研究内容与方法1）陶瓷再生粗砂、开封特细砂和天然中砂主要物理指标（如表观密度、堆积密度和细度模数等）的测定，对比陶瓷再生粗砂主要物理性能与天然骨料性能的差异，并分析产生差异的原因。为后续研究提供参考和依据。2）通过理论分析，结合现有试验数据，通过多种方法进行陶瓷再生粗砂合理掺量16 第一章绪论的推导和确定，为其他地区不同性能骨料掺混使用提供依据。3）固定用水量，对比研究陶瓷再生粗砂、开封特细砂、陶瓷再生混合砂和天然中砂砂浆稠度、抗压强度、抗折强度、脆性系数和干缩性能各龄期试验结果，分析陶瓷再生粗砂对再生砂浆工作性和力学性能等的影响，并结合陶瓷再生粗砂的性能进行分析与讨论。4）固定稠度，对比研究陶瓷再生粗砂、开封特细砂、陶瓷再生混合砂和天然中砂砂浆稠度、抗压强度、抗折强度、脆性系数和干缩性能各龄期试验结果，分析陶瓷再生粗砂对再生砂浆工作性和力学性能等的影响，并结合陶瓷再生粗砂的性能进行分析与讨论；对比陶瓷再生混合砂砂浆和天然中砂砂浆试验结果，对陶瓷再生粗砂应用可行性和科学利用方式做出初步判断。5）对上述试验砂浆试件采用不同养护方式，考察陶瓷再生粗砂由于吸水率高而引起的“内养护”作用。6）运用数理统计方法，采用正交试验，考察水胶比、陶瓷再生粗砂取代率和粉煤灰取代率三因素对再生砂浆各龄期稠度、抗压强度、抗折强度和干缩性能的影响。对试验结果进行方差分析和正交层次分析。得出各因素各水平对再生砂浆稠度及各龄期再生砂浆各强度的影响权重，对比各因素以及同一因素各水平对再生砂浆工作性、力学性能和干缩的影响。同时得到试验影响因素水平变化范围内使再生砂浆各性能达到最佳时的因素水平组合。7）采用基于自由水灰比的配合比设计方法，利用连续级配天然碎石（D为max31.5mm）和不同陶瓷再生粗砂取代率的再生混合砂配制再生混凝土（设计强度C30），考察陶瓷再生粗砂不同取代率对再生混凝土表观密度、坍落度、立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的影响规律，考察再生陶瓷骨料混凝土的破坏形态与破坏过程，并与同配合比的，细骨料为天然中砂和级配良好的陶瓷再生中砂的混凝土各性能进行对比，研究陶瓷再生混合砂用于配制再生混凝土的可行性。8）采用不同水灰比，以级配良好的陶瓷再生中砂为细骨料，用粒径为4.75mm-9.5mm的陶瓷再生粗骨料取代天然碎石（连续级配，Dmax为31.5mm）中的同粒径骨料配制再生混凝土（设计强度C30），考察水灰比变化对再生混凝土抗压强度的影响，回归抗压强度与灰水比间的关系式，确定陶瓷再生骨料对应的回归系数，为相关研究提供参照。17 第二章试验材料与试验方法第二章试验材料与试验方法2.1试验材料2.1.1胶凝材料和掺合料1）水泥开封京宇孟电水泥有限公司生产的P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能见表2-1。表2-1水泥的物理力学性能比表面积凝结时间/min抗压强度/MPa抗折强度/MPa安定性2/（m/kg）初凝终凝3d28d3d28d合格38015620925.950.74.77.82）粉煤灰采用开封火电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，需水量比为98.6%。其他技术指标符合Ⅱ级粉煤灰技术要求。2.1.2细骨料1）天然中砂天然中砂为自外地采购的河砂，见图2-1，其物理性能指标见表2-2，级配见表2-3。2）开封特细砂开封特细砂为本地黄河河砂，见图2-2，其物理性能指标见表2-2，级配见表2-3。图2-1天然中砂图2-2开封特细砂18 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究3）陶瓷再生粗砂由室内装修过程中产生的废瓷砖，经清洗、晒干后用颚式破碎机破碎而成的0.15mm-4.75mm的颗粒，见图2-3；其物理性能指标见表2-2，级配见表2-3。4）陶瓷再生中砂由陶瓷再生粗砂，用振筛机依次筛出的粒径为0.15mm-0.3mm，0.3mm-0.6mm，0.6mm-1.18mm，1.18mm-2.36mm，2.36mm-4.75mm的颗粒，然后按Ⅱ区中值掺配而成，见图2-4。其物理性能指标见表2-2，级配见表2-3。图2-3陶瓷再生粗砂图2-4陶瓷再生中砂表2-2细骨料物理性能指标表观密度堆积密度紧密堆积密度含水率吸水率砂样类别333/(kgm/)/（kgm/）/（kgm/）/%/%天然中砂2869149715920.130.86开封特细砂2829145215940.20.54陶瓷再生粗砂2492105811020.086.28陶瓷再生中砂2558106311570.123.9表2-3细骨料级配不同筛孔尺寸对应累计筛余百分数/%细度砂样类别4.752.361.180.60.30.15级配区模数mmmmmmmmmmmm天然中砂4.6316.3630.3949.282.6996.192.64Ⅱ区开封特细砂000.020.8639.1785.971.26过细砂区陶瓷再生粗砂0.1657.8778.7592.0898.6299.284.26过粗砂区陶瓷再生中砂09.7430.0553.4878.9297.832.7Ⅱ区19 第二章试验材料与试验方法根据文献[53]所规定的砂的颗粒级配分区，以及各类砂的累计筛余百分率，作各类砂的级配曲线图，见图2-5。天然中砂0开封特细砂陶瓷再生粗砂20陶瓷再生中砂40Ⅱ区下限Ⅱ区上限60Ⅰ区下限Ⅰ区上限累计筛余百分率/%80Ⅲ区下限100Ⅲ区上限0.150.30.61.182.364.75筛孔尺寸/mm图2-5细骨料级配曲线由图2-5可以看出：天然中砂和陶瓷再生中砂落在Ⅱ区，级配良好；而开封特细砂落在过细砂区；陶瓷再生粗砂落在过粗砂区。5）陶瓷再生粗砂与天然砂性能对比对陶瓷再生粗砂与天然砂的性能做了对比，见表2-4，得出陶瓷再生砂的特点，并归纳如下：表2-4性能对比表观堆积紧密吸水颗粒表面砂样类别密度/密度/密度/率/%形状状态333（kg/m）（kg/m）(kg/m)天然中砂2869149715920.86球形光滑、致密、表面含泥陶瓷再生粗砂2492105811026.28棱角形、片状粗糙、多孔、表面含微粉1）颗粒偏粗且颗粒分布不均与机制砂类似，陶瓷再生粗砂在机械破碎过程中会产生粒径小于0.075mm的微粉，微粉含量随再生砂的细度模数的降低而增高，即细度模数越小微粉含量越大。微粉过多，混凝土需水量增大，强度降低，收缩增大。而且把砂破碎的越细生产成本越高。因此，再生砂通常颗粒偏粗、级配不良。理论上再生砂粗细、级配可调可控，即：筛分出不同粒径按最佳参数来掺配。但工程材料用量大，材料价格不宜过高。上述方法步骤繁杂、劳动强度大、经济性不强，配20 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究套的自动筛选、加工设备有待进一步研发，成本也会较高。因此，目前，优质再生砂仅适用于小规模试验室研究。通过简单加工、筛分就直接利用符合当前工程实际条件和经济性要求。而经过简单破碎、筛分后的再生砂通常颗粒偏粗、级配不良。2）棱角多，含片状颗粒陶瓷再生粗砂由机械破碎多为棱角形，含有片状颗粒。而天然砂经长期冲磨多呈球形。两种砂的粒形对水泥基材料性能的影响类似于碎石和卵石的影响。3）表面粗糙、多孔隙、表面含微粉陶瓷再生粗砂由机械破碎，多表面粗糙，且机械破碎过程中往往形成大量裂缝损伤，表面含微粉，而天然砂经长期自然作用表面圆滑含泥。4）吸水率高由于内部孔隙率高，表面裂纹损伤，测得本试验陶瓷再生粗砂的吸水率为6.28%，远远高于天然中砂的吸水率。5）含微粉对于天然砂而言，粒径小于0.075mm的颗粒被称为泥粉，其多为黏土、云母及有机质等杂质，这些物质会显著增大混凝土的用水量，阻碍水泥的正常水化，降低水泥石与骨料之间的粘结。而再生砂中的微粉，其物理化学性质与陶瓷母体性质完全相同，微粉含量的变化对水泥基材料性能的影响比较复杂。因此对于再生砂中的微粉应与天然砂中的泥粉区分对待。6）容重小普通混凝土材料由于容重大，既限制了结构向高层、大跨发展，又增大了下部基础的荷载，造成不利影响。陶瓷再生粗砂的表观密度小于天然砂的表观密度，有利于材料的轻质化。综上所述，陶瓷再生粗砂的性能与天然砂的性能有显著差异，对水泥基材料性能的影响既有有利的方面也有不利的方面。如何扬长避短，充分利用陶瓷再生粗砂的优点配出符合工程要求的水泥基材料？将粒径较粗的陶瓷再生砂与本地资源丰富的特细砂进行掺配，是一种可行的方法。2.1.3粗骨料33粗骨料为天然碎石（见图2-6）：表观密度：2676kg/m，堆积密度：1516kg/m，紧3密密度：1670kg/m，其级配见表2-4。符合文献[53]所规定连续级配要求。级配曲线见21 第二章试验材料与试验方法图2-7。表2-4粗骨料级配筛孔尺寸/mm31.526.519169.54.752.36分计筛余百分率/%2.5-27.5-50200累计筛余百分率/%2.5-30-8010010002040/%60天然碎石80100累计筛余百分率4.759.51931.5筛孔尺寸/mm图2-6天然碎石图2-7天然碎石级配曲线2.2试验方法1）砂浆拌制方法砂浆拌合物用砂浆搅拌机在室内搅拌。具体搅拌操作参考《试验用砂浆搅拌机》（JG/T3033-1996）。2）砂浆拌合物稠度砂浆拌合物的稠度试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/70-2009）相关规定进行。3）砂浆抗压强度与抗折强度①试件成型抗压强度与抗折强度试验采用40mm×40mm×160mm的三联钢模，试件的成型参考《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-1999），使用频率2800-3000次/min，振幅0.75mm振动台成型。②试件养护本文采用以下几种养护方式：标准养护：温度20℃±2℃、相对湿度95%以上；标22 利用废陶瓷再生砂配制再生砂浆、混凝土的试验研究准水养：水温20℃±1℃；恒温干燥养护：空调房中养护，温度20℃±3℃。③试验与结果处理抗压强度与抗折强度试验方法参考《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-1999）。抗折强度R，单位MPa，按下式计算：f1.5FLfR=（2-1）f3b式中：F—折断时施加于棱柱体中部的荷载（N）；fL—支撑圆柱之间的距离(mm)；100mm；b—棱柱体正方形截面的边长(mm)；40mm。结果精确至0.01MPa。以每组三个试件的平均值作为该组抗折强度试验结果。当三个强度值中有一个超过平均值±10%时，将其删除，以其余两个数值的平均值作为抗折强度试验结果。如有两个超过平均值的±10%时，数据作废。抗压强度R，单位MPa，按下式计算：cFcRc=(2-2)A式中：Fc—破坏时的最大荷载（N）；22A—受压部分面积(mm)；1600mm。取六个抗压强度测试值的算术平均值为试验结果，如有一个超过平均值的±10%时，将其删除，以其余五个数值的平均值作为抗压强度试验结果。如有两个超过平均值的±10%时，数据作废。4）砂浆干缩试验砂浆干缩试验，采用25mm×25mm×280mm的三联钢模，按照《水泥胶砂干缩试验方法》（JC/T603-2004）相关规定进行。水泥胶砂试件各龄期干缩率按式（2-3）计算，计算结果精确至0.001%。()LL−×1000tS=（2-3）t250式中：St—水泥胶砂试件t天龄期干缩率(%)；L—初始测量读数（mm）；0L—t天龄期的测量读数（mm）；t23 第二章试验材料与试验方法250—试件有效长度(mm)。5）混凝土坍落度及容重试验混凝土坍落度及容重试验，依照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080—2002）相关规定进行。6）混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验，依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）相关规定进行。①立方体抗压强度试验结果计算及确定按下列方法进行：Ff=(2-4)ccAf式中：cc—混凝土立方体试件抗压强度(MPa)；F—试件破坏荷载(N)；2A—试件承压面积(mm)。混凝土立方体抗压强度计算应精确至0.1MPa。以三个试块抗压强度的算术平均值作为试验结果。当三个强度值中有一个超过中间值的±15%时，取中间值作为该组试件的抗压强度值。如有两个超过中间值的±15%时，数据作废。混凝土强度等级
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