废弃瓷砖骨料与硅灰协同改性混凝土的力学性能与耐久性研究

《Next Materials》：Behaviour of concrete made with waste porcelain and silica fume

【字体：大中小】 时间：2026年11月03日 来源：Next Materials 4.7

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　　混凝土作为全球需求量最大的建筑材料，其生产过程中对天然粗骨料（NA）的过度开采及水泥生产所产生的大量CO?排放引发了严峻的环境问题。为缓解资源消耗与废弃物堆积压力，利用废弃瓷砖（WP）替代天然骨料并辅以硅灰（SF）部分替代水泥，成为制备可持续混凝土的潜在途径。

混凝土作为全球需求量最大的建筑材料，其生产过程中对天然粗骨料（NA）的过度开采及水泥生产所产生的大量CO?排放引发了严峻的环境问题。为缓解资源消耗与废弃物堆积压力，利用废弃瓷砖（WP）替代天然骨料并辅以硅灰（SF）部分替代水泥，成为制备可持续混凝土的潜在途径。然而，废弃骨料的物理力学特性与天然骨料存在差异，其掺入可能对混凝土性能产生不利影响。本研究系统探讨了以废弃瓷砖（WP）按30%、50%及100%比例替代天然粗骨料（NA），同时以硅灰（SF）按0%、10%及20%比例替代水泥的协同效应。共制备10组混凝土配合比（含对照组），在恒定水胶比（w/b）为0.45、目标28天抗压强度为40?MPa的条件下，采用绝对体积法进行配合比设计，并依据各骨料含水率与吸水性调整拌合用水量，未添加高效减水剂。试验涵盖新拌混凝土坍落度、力学强度、抗冲击能量及耐磨性能。结果表明，单独掺入WP或与SF复合掺入均对新拌混凝土坍落度产生不利影响，尤其在高替代率下更为显著。仅以WP替代NA时，各替代水平下混凝土强度均出现下降，其中100%替代水平下强度降幅具有统计学显著性。掺入10%SF可小幅提升混凝土强度；进一步提高SF掺量至20%时，强度增幅更为明显，其中M8配合比（30%WP+20%SF）的抗压强度较对照组提高3.76%，劈裂抗拉强度提高1.08%，但差异未达统计学显著水平（p?>?0.05）。然而，M8的抗折强度提高8.28%、抗冲击能量提高18.91%、磨损质量损失降低30.61%，上述改善均具有统计学显著性（p?

废弃瓷砖与硅灰协同改性混凝土的性能研究解读

一、研究背景与问题提出

混凝土作为全球应用最广泛的建筑材料，其生产高度依赖天然粗骨料（NA）的开采以及水泥的制备。天然骨料多取自河床与采石场，过度开采导致栖息地丧失与自然资源枯竭；同时，水泥生产过程中石灰石煅烧及高能耗工序贡献了约8%的人为CO?排放。另一方面，建筑拆除与生产环节产生的大量废弃瓷砖（WP）多被直接填埋，造成严重的资源浪费与环境负担。将废弃瓷砖作为骨料替代天然骨料用于混凝土生产，兼具资源循环与环境保护双重意义。然而，废弃骨料在物理力学特性上与天然骨料存在差异，其掺入可能削弱混凝土性能，如降低强度、劣化耐久性。已有研究表明，单独使用废弃瓷砖骨料会导致混凝土抗压与抗拉强度下降，且随着替代率提高降幅增大。为弥补上述性能损失，硅灰（SF）因其高火山灰活性与微细颗粒填充效应，被广泛用作水泥的部分替代材料，可显著改善混凝土微观结构与力学性能。尽管WP与SF各自在混凝土中的应用已有报道，但二者协同作用对混凝土综合性能的影响，尤其在伊拉克地区的应用尚缺乏系统研究。因此，本研究旨在探讨WP与SF复合替代对混凝土新拌性能、力学强度、抗冲击能量及耐磨性能的协同效应，并确定最优替代比例，为废弃物基混凝土的工程应用提供数据支撑。

二、研究内容与结论概述

研究人员设计并制备了10组混凝土配合比，以天然粗骨料（NA）为基准，分别以30%、50%及100%的废弃瓷砖（WP）进行体积替代，同时以0%、10%及20%的硅灰（SF）按质量替代水泥。所有配合比均保持水胶比（w/b）为0.45，目标28天抗压强度为40?MPa，采用绝对体积法计算配合比，依据骨料含水率与吸水性调整拌合用水量，未添加减水剂。试验涵盖新拌混凝土坍落度、28天抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、抗冲击能量（E1与E2）及B?hme磨损试验。结果表明，WP单独替代或与SF复合替代均降低混凝土坍落度，且替代率越高降幅越大，最高降幅达41.67%。仅以WP替代NA时，各替代水平下混凝土力学强度均下降，100%替代时抗压强度降低19.91%、劈裂抗拉强度降低14.51%、抗折强度降低13.68%，降幅具有统计学显著性。掺入10%SF可小幅提升强度，但100%WP替代时强度仍显著低于对照组。当SF掺量提高至20%时，30%WP替代组（M8）各项性能达到最优，抗压强度较对照组提高3.76%，劈裂抗拉强度提高1.08%，抗折强度提高8.28%，抗冲击能量（E2）提高18.91%，磨损质量损失降低30.61%。其中抗折强度、抗冲击能量及耐磨性能的改善具有统计学显著性（p?

三、关键技术方法

研究人员采用绝对体积法进行配合比设计，保持总拌合体积恒定，以废弃瓷砖（WP）按30%、50%及100%体积替代天然粗骨料（NA），以硅灰（SF）按0%、10%及20%质量替代水泥，水胶比（w/b）固定为0.45，未添加高效减水剂。骨料来源包括伊拉克埃尔比勒Khabat地区的河砂（细骨料）与河卵石（天然粗骨料），废弃瓷砖取自浴室翻新工程，经机械破碎后筛分至目标级配。拌合用水依据各骨料含水率与吸水率进行调整，以保证有效水胶比一致。新拌混凝土坍落度依据BS EN 12350-2测定；抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度分别依据BS EN 12390-3、BS EN 12390-6、BS EN 12390-5测定；抗冲击能量依据ACI 544.2R-89采用落锤法测定；耐磨性能依据BS EN 14157采用B?hme磨损法测定。每组配合比制备3个平行试样，所有测试均在28天龄期完成。

四、研究结果

新拌混凝土坍落度：WP替代NA导致坍落度下降，100%替代时较对照组降低16.67%；进一步掺入SF加剧坍落度损失，10%SF与100%WP复合时降低25%，20%SF与100%WP复合时降低41.67%。研究人员认为，WP的棱角状颗粒形态与SF的超细颗粒增大内摩擦与需水量，从而降低新拌混凝土流动性。

抗压强度：仅以WP替代NA时，各替代水平下抗压强度均下降，100%替代时较对照组降低19.91%，降幅具有统计学显著性（p??0.05）；100%WP替代时强度仍显著低于对照组14.72%。研究人员将强度下降归因于WP密度较低、颗粒呈扁平片状及表面光滑导致界面过渡区（ITZ）粘结减弱。

劈裂抗拉强度：强度变化趋势与抗压强度类似。100%WP替代时劈裂抗拉强度较对照组降低14.51%（p??0.05）。研究人员认为，WP的脆性本质与光滑表面削弱了骨料与水泥浆体的界面粘结，导致抗拉强度下降。

抗折强度：100%WP替代时抗折强度较对照组降低13.68%（p?

抗冲击能量：仅以WP替代NA时，抗冲击能量（E1与E2）随替代率提高而显著下降，100%替代时E1降低48.19%、E2降低36.94%。20%SF与30%WP复合时（M8），E1较对照组提高6.14%，E2提高18.91%，其中E2的改善具有统计学显著性（p?

耐磨性能：仅以WP替代NA时，磨损质量损失随替代率提高而增加，100%替代时较对照组增加44.90%。20%SF与30%WP复合时（M8），磨损质量损失较对照组降低30.61%，差异具有统计学显著性（p?

五、讨论与结论

研究人员指出，WP的掺入降低了混凝土新拌稠度与力学强度，主要归因于其较低的密度、棱角状颗粒形态及光滑表面导致的界面粘结减弱。SF的掺入可部分补偿上述性能损失，其超细颗粒填充水泥颗粒间空隙，并通过火山灰反应生成更多C-S-H凝胶，致密化混凝土微观结构，改善界面过渡区（ITZ），从而提升强度、抗冲击与耐磨性能。最优组合为30%WP与20%SF（M8），该配合比在抗折强度、抗冲击能量及耐磨性能方面均显著优于对照组，抗压与劈裂抗拉强度亦略高于对照组。当WP替代率超过30%时，即使保持20%SF，各项性能仍呈下降趋势，表明WP替代率存在上限。研究结论认为，30%WP与20%SF的复合掺配方案为生产兼具较高力学性能与优异抗冲击、耐磨性能的废弃物基混凝土提供了可行途径，具有显著的环境效益与工程应用价值。然而，研究人员强调，实际应用中需对原材料性能波动与生产质量控制予以充分重视，以确保混凝土性能的稳定性与可靠性。

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