1引言

超高性能混凝土（Ultra-HighPerformanceConcrete，簡(jiǎn)稱(chēng)UHPC）是一種采用高科技工藝制成的新型建筑材料，是近年來(lái)在水泥基工程材料領(lǐng)域的一項(xiàng)重大創(chuàng)新。與普通混凝土和高性能混凝土相比，UHPC除了常用的水泥、砂石及水外，還額外加入減水劑粉煤灰以及硅粉等高活性材料，并采用低水膠比，從而大大提高了混凝土的強(qiáng)度和耐久性能。較低的水膠比（0.15＼～0.25之間）提高了混凝土強(qiáng)度和耐久性，但是水泥的水化程度往往較低[。這就意味著有大量的水泥并沒(méi)有完全水化，這部分未水化的水泥實(shí)際上并沒(méi)有完全發(fā)揮其作用，既浪費(fèi)了水泥資源，也增加了生產(chǎn)成本。工程實(shí)踐表明，科學(xué)地利用工業(yè)廢渣作為礦物摻合料，不僅可以降低水泥用量和生產(chǎn)成本，同樣在一定程度上也能改善混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性。

陶瓷廢料作為一種工業(yè)廢棄物，具有高強(qiáng)度、高硬度以及穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)，為提升混凝土的力學(xué)性能、耐久性能等提供了可能。通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)混凝土性能的定制化，滿(mǎn)足不同工程需求。自前，已有許多研究探討了陶瓷廢料在混凝土中的應(yīng)用效果和影響因素。例如，研究表明陶瓷廢料摻人混凝王中可以顯著提升混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度2；同時(shí)，陶瓷廢料的摻入還可能對(duì)混凝土的毛細(xì)吸水性、氯離子滲透性等耐久性能產(chǎn)生影響。這些研究為陶瓷廢料在混凝土中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。而將陶瓷廢料應(yīng)用到混凝土中的理論意義深遠(yuǎn)，它不僅關(guān)乎材料科學(xué)的進(jìn)步，還涉及到資源循環(huán)利用、環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展等多個(gè)層面。

2試驗(yàn)

2.1原材料

本次制備超高性能混凝土所用到的膠凝材料包括水泥、粉煤灰、硅灰以及部分陶瓷拋光廢料。其中水泥為山東菖州水泥有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為 P.052.5 的普通硅酸鹽水泥，粒徑中值為 8.16μm 。陶瓷拋光廢料購(gòu)自山東淄博某陶瓷制品有限公司，粒徑中值為10.32μm 。試驗(yàn)所用到的粉煤灰粒徑中值為13.68μm ，硅灰比表面積為 21m²/g 。各主要膠凝材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

試驗(yàn)所用骨料為連續(xù)級(jí)配的河砂，最大粒徑不超過(guò) 1.25mm ，確保了骨料在混凝土中的均勻分布和良好的工作性。經(jīng)檢測(cè)，河砂的含泥量低于 0.3% ，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有效保證了骨料的純凈度和質(zhì)量。試驗(yàn)所選用的聚羧酸系高效減水劑，減水率高達(dá)30% ，這意味著在保持混凝土強(qiáng)度不變的前提下，可以大幅度減少混凝土的用水量，從而降低混凝土的水灰比，提高其強(qiáng)度和耐久性。

2.2配合比設(shè)計(jì)及試件制備

（1）配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)制備的高性能混凝土其配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。在保持膠凝材料總用量不變的情況下，分別使用陶瓷拋光廢料來(lái)替代 10%.20% 以及 30% 的水泥用量，10%.30% 以及 50% 的硅灰， 10% ） 30% 以及 50% 的粉煤灰（以上皆為質(zhì)量百分比）。

（2）試件制備工藝

根據(jù)配合比設(shè)計(jì)要求，精確稱(chēng)量各種原材料。將稱(chēng)量好的膠凝材料和骨料低速干拌 1min ，確保二者混合均勻。加入水和減水劑，低速攪拌 3min ，確保混凝土的均勻性和穩(wěn)定性。將拌合均勻的混凝土倒入模具中，注意控制澆注速度和厚度，確?；炷脸浞痔畛淠＞呖臻g。在澆注過(guò)程中對(duì)混凝土進(jìn)行振實(shí)，以排出其中的空氣，確?；炷猎嚰拿軐?shí)度4。澆注完成后對(duì)試件進(jìn)行固化養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)過(guò)程中應(yīng)在試件表面覆蓋保鮮膜，防止早期水分流失。

2.3試驗(yàn)方法

參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019）對(duì)不同配合比、不同齡期（3d、7d、28d以及56d）混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。試件抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

公式中的 f_cc 為試件抗壓強(qiáng)度，單位為 MPa ;F為試件破壞時(shí)所遭受的荷載，單位為N；A為試件的承壓面積，單位為 mm² 。試件抗壓強(qiáng)度最終結(jié)果為三組平行試件所測(cè)試結(jié)果的平均值。

試件抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

公式中 f_f 為試件抗折強(qiáng)度，單位為 MPa ;F為試件破壞時(shí)所遭受的荷載，單位為N；1為支座間的跨度，單位為 mm;b 為試件截面寬度，單位為 mm ;h為試件截面高度，單位為 mm 。試件抗折強(qiáng)度最終結(jié)果為三組平行試件所測(cè)試結(jié)果的平均值。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

將陶瓷拋光廢料分別取代 10%.20% 以及 30% 的水泥后，測(cè)試混凝土試件抗折以及抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。整體來(lái)看，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，各組試件抗折與抗壓強(qiáng)度逐漸上升。與空白組對(duì)比，隨著陶瓷拋光廢料摻入量的增大，不同齡期試件的抗折與抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)明顯降低，且養(yǎng)護(hù)28天后強(qiáng)度有持續(xù)上升的趨勢(shì)。這說(shuō)明陶瓷拋光廢料的加入，參與水化反應(yīng)水泥的數(shù)量有所降低，相同養(yǎng)護(hù)齡期試件強(qiáng)度降低的同時(shí)也延緩了強(qiáng)度高峰的到來(lái)。從圖1中還可以看出，陶瓷拋光廢料摻入量達(dá)到 20% 時(shí)，與空白組相比，養(yǎng)護(hù)28天后試件的抗折與抗壓強(qiáng)度分別下降了 17.7% 與110% ，但抗折強(qiáng)度超過(guò)了 14MPa ，而抗壓強(qiáng)度也超過(guò)120MPa 。試件依然表現(xiàn)出較高的力學(xué)性能。

硅灰顆粒細(xì)小，比表面積大，具有 SiO₂ 純度高、高火山灰活性等物理化學(xué)特點(diǎn)。當(dāng)硅灰作為礦物外加劑加入混凝土中時(shí)，能夠填充水泥顆粒之間的空隙，形成更加密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)，提高混凝土的力學(xué)性能以及耐久性能5。用陶瓷拋光廢料替代不同比例硅灰后，混凝土試件力學(xué)的性能如圖2所示。整體來(lái)看，陶瓷拋光廢料替代硅灰顯著降低了混凝土試件的力學(xué)性能。當(dāng)硅灰替代率為 10% 時(shí)，在水化反應(yīng)初期，試件的抗折和抗壓強(qiáng)度降低并不明顯。而隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，試件的力學(xué)性能明顯低于空白組試件力學(xué)性能。當(dāng)硅灰替代率持續(xù)增加時(shí)，混凝土試件在各個(gè)時(shí)期的力學(xué)性能均出現(xiàn)較大幅度的降低，最終嚴(yán)重影響了混凝土試件的抗折和抗壓強(qiáng)度。

化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這些新生成的水化產(chǎn)物能夠增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。此外，粉煤灰的微集料效應(yīng)可以填充混凝土中的微觀(guān)空隙，提高混凝土的密實(shí)度，從而進(jìn)一步增強(qiáng)強(qiáng)度。使用陶瓷拋光廢料替代不同比例粉煤灰后，混凝土試件力學(xué)的性能如圖3所示。整體來(lái)看，替代粉煤灰后試件的力學(xué)性能并沒(méi)有出現(xiàn)大幅度降低。甚至在替換 10% 的粉煤灰后，試件的抗折和抗壓強(qiáng)度反而在一定程度上有了提升。與空白組相比，養(yǎng)護(hù)28天后 10% 替代率試件的抗折強(qiáng)度由17.6MPa增加到 18.2MPa ，提升了 3.4% 。而抗壓強(qiáng)度則由135.9MPa 增加到 136.7MPa ，提升了 0.5% 。隨著粉煤灰替代率的進(jìn)一步提升，試件力學(xué)性能開(kāi)始出現(xiàn)小幅度降低，但即使粉煤灰替代率達(dá)到 50% 時(shí)，混凝土試件的抗折和抗壓強(qiáng)度依然超過(guò)了 16MPa 和 120MPa 。這主要是由于陶瓷拋光廢料的活性與粉煤灰活性具有較高的相似度，且在粒度特征上陶瓷拋光廢料甚至要小于粉煤灰。當(dāng)粉煤灰替代率較低時(shí)，在一定程度上能促進(jìn)膠凝材料水化的進(jìn)程，而當(dāng)粉煤灰替代率繼續(xù)提升時(shí)，試件的孔隙率出現(xiàn)進(jìn)一步增大的趨勢(shì)，這在客觀(guān)上導(dǎo)致了試件的力學(xué)性能出現(xiàn)小幅度下降。

4結(jié)論

1）雖然將陶瓷拋光廢料以 10% ） 20% 及 30% 比例替代水泥后，混凝土試件的抗折與抗壓強(qiáng)度隨摻入量增加而降低。但即使當(dāng)摻入量達(dá)到 20% 時(shí)，養(yǎng)護(hù)28天后的試件仍保持了較高的力學(xué)性能，抗折強(qiáng)度超過(guò)14MPa ，抗壓強(qiáng)度超過(guò) 120MPa 。

2）使用陶瓷拋光廢料以 10% 、 30% 及 50% 比例替代硅灰后，混凝土試件的力學(xué)性能呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)，對(duì)試件的抗折和抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。

3）使用陶瓷拋光廢料以 10%.30% 及 50% 比例替代粉煤灰后，混凝土試件的力學(xué)性能并未出現(xiàn)顯著降低。且在替代率為 10% 時(shí)，試件的抗折和抗壓強(qiáng)度反而有小幅提升。盡管隨著替代率的進(jìn)一步增加，試件力學(xué)性能出現(xiàn)小幅度降低，但即便替代率高達(dá) 50% ，試件的抗折和抗壓強(qiáng)度仍保持在較高水平。

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