采用硅灰处理的粘土瓦废混凝土的力学性能和微观结构特性

《Advances in Materials Science and Engineering》：Mechanical and Microstructural Properties of Clay Tile Waste Concrete Treated With Silica Fume

陶瓷粘土瓦废料（CCTW）作为粗集料替代品与硅灰（SF）复掺对混凝土性能的影响。研究显示，15% SF掺量时混凝土28天抗压强度达22.25 MPa，较对照组提高17.1%，显著降低吸水率至4.937%，并通过SEM/EDS证实SF有效填充孔隙、优化界面过渡区（ITZ），提升抗硫酸盐性能。试验证明CCTW与SF结合可促进可持续发展，减少建筑垃圾填埋量。

　　本研究聚焦于建筑行业中日益增长的陶瓷粘土砖废料（CCTW）所带来的环境挑战，并探索其作为混凝土中天然粗骨料的替代材料的可能性。随着全球对可持续建筑材料需求的不断上升，CCTW作为一种可再利用的工业副产品，其在混凝土中的应用成为研究热点。然而，CCTW的多孔特性导致混凝土的水吸收率升高，进而影响其耐久性与结构性能。为应对这一问题，研究引入了硅灰（SF）作为活性火山灰材料，通过不同比例的掺入来优化混凝土的微观结构和性能表现。SF以其细小的颗粒尺寸和高反应活性，能够有效填充混凝土中的微孔隙，改善界面过渡区（ITZ）的密实度，从而提升混凝土的强度和耐久性。本研究旨在通过系统实验评估CCTW与SF的协同作用，探索其在可持续建筑中的应用潜力。

CCTW作为替代骨料的应用不仅有助于减少对天然资源的依赖，也降低了建筑废弃物填埋所带来的环境压力。研究指出，全球陶瓷砖产量巨大，尤其在亚洲地区，每年产生的陶瓷废弃物数量可达数百万吨，这些废弃物大多来源于制造过程中的破损和废弃产品。如果能将这些材料有效再利用，不仅可以缓解资源紧张，还能减少环境污染。然而，由于CCTW本身的物理特性，如较高的水吸收率和多孔结构，其在混凝土中的使用可能会导致性能下降，特别是结构强度和耐久性方面。因此，研究通过引入SF来弥补这一缺陷，从而提高混凝土的整体性能。

SF作为一种高活性火山灰材料，广泛应用于混凝土中以提升其性能。其细小的颗粒尺寸（约100纳米）使其能够有效填充混凝土内部的微孔隙，提高密实度，增强混凝土的抗渗性。此外，SF能够与水泥水化过程中产生的氢氧化钙（CH）发生反应，生成更多的钙硅酸盐水化物（C-S-H）胶体，从而进一步改善混凝土的微观结构。研究结果显示，当SF掺量为15%时，混凝土的抗压强度达到最佳状态，28天时达到22 MPa，远超未掺入SF的对照组。同时，15% SF掺量的混凝土表现出更低的水吸收率（4.937%）和更高的抗硫酸侵蚀能力，这表明SF在改善混凝土耐久性方面具有显著效果。

研究通过一系列实验验证了SF对混凝土性能的改善作用。其中包括抗压强度、劈裂抗拉强度、水吸收率以及抗硫酸侵蚀等关键指标的测试。这些实验覆盖了28天和90天的养护周期，以确保对混凝土长期性能的全面评估。测试结果显示，随着SF掺量的增加，混凝土的密度和强度逐步上升，但超过15%掺量后，性能开始下降，表明存在一个最佳掺量范围。这可能与SF的高比表面积导致的过度水化需求、混合均匀性问题以及可能的颗粒团聚现象有关。因此，合理控制SF掺量是实现混凝土性能优化的关键。

此外，研究还通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）对混凝土的微观结构进行了深入分析。SEM图像显示，掺入15% SF的混凝土具有更密实的微观结构，ITZ更加均匀，减少了混凝土内部的孔隙率。EDS分析进一步揭示了不同区域的元素分布情况，表明SF的加入显著提升了硅和钙的含量，这些元素在混凝土水化过程中形成更加稳定的C-S-H胶体，增强了混凝土的整体结构性能。通过这些微观结构的改善，混凝土的耐久性得到了有效提升，尤其是在对抗硫酸侵蚀方面表现突出。

研究还探讨了CCTW骨料的级配对其强度发展的影响。合理的骨料级配能够有效填充混凝土中的空隙，减少水泥浆体的需求，从而降低水灰比，提高混凝土的强度。相比之下，级配不良的骨料则会导致较多的空隙，增加水泥浆体用量，降低混凝土的密实度和耐久性。因此，选择合适的骨料级配对于优化混凝土性能至关重要。

在实际应用中，CCTW与SF的结合为建筑行业提供了一种环保且经济的解决方案。通过使用本地的陶瓷废料和硅灰，不仅降低了原材料成本，还减少了对环境的影响。然而，为了确保混凝土的性能符合工程要求，还需要进一步研究如何优化混合设计，包括SF的掺量、骨料的级配以及混合工艺的调整。此外，研究建议未来可以进一步探讨SF对混凝土其他性能的影响，如收缩性、蠕变性以及对化学侵蚀的抵抗能力，以更全面地评估其在实际工程中的应用潜力。

本研究的结论表明，SF在改善CCTW混凝土性能方面具有显著作用，尤其是在提升密度、强度和耐久性方面。15% SF掺量被确认为最优水平，能够有效弥补CCTW的缺陷。然而，研究也指出，在实际应用中需要注意SF的掺入方式，避免因过量掺入导致性能下降。同时，未来的研究可以关注如何通过添加其他外加剂（如超塑化剂）来改善混凝土的工作性，确保在不牺牲强度和耐久性的前提下实现更好的施工性能。

本研究的意义在于，为建筑行业提供了一种新的可持续材料解决方案。通过将CCTW与SF结合使用，不仅能够减少建筑废弃物对环境的负担，还能提升混凝土的性能，使其在结构应用中具有更大的可行性。这种材料的再利用不仅符合循环经济的理念，也有助于推动建筑行业的绿色转型。同时，研究强调了在实际应用中需要综合考虑多种因素，如骨料的物理特性、SF的掺入比例以及混合工艺的优化，以确保混凝土在不同应用场景下的适用性。

此外，研究还指出，虽然CCTW和SF的结合具有显著的环境和经济优势，但在实际应用中仍需进一步验证其长期性能表现。例如，研究建议未来可以探索不同环境条件下混凝土的耐久性变化，以及其在不同工程结构中的适用性。通过更广泛的研究，可以进一步明确CCTW与SF的最佳应用范围，为建筑行业的可持续发展提供更坚实的理论基础和实践指导。

总的来说，本研究为建筑行业提供了一种基于可持续理念的材料创新方案，通过将陶瓷废料和硅灰结合使用，有效解决了传统混凝土在资源消耗和环境影响方面的不足。研究结果不仅展示了这种新型混凝土的可行性，也为未来的研究和应用提供了方向。随着全球对可持续建筑需求的不断增长，这种材料的推广和应用将有助于实现建筑行业的绿色转型，并推动更高效的资源循环利用模式。