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Assessing Engineering Properties of Concrete Produced with Broken Earthenware as a Partial Replacement of Coarse Aggregate

本研究表明，用破碎陶片替代高达10%的粗粒花岗岩骨料，所得混凝土能够满足标准工程要求且强度降低极小，这为建筑业提供了一种具有成本效益且环境可持续的解决方案，同时建议在特定的化学暴露场景下采用更高的替代率。

原作者： Samuel Amoako, Peter Paa Kofi Yalley, Elijah Kusi

发布于 2026-07-20

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原作者： Samuel Amoako, Peter Paa Kofi Yalley, Elijah Kusi

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

技术摘要：评估以破碎陶器部分替代粗骨料的混凝土工程性能

问题陈述
建筑业正面临着天然资源快速枯竭以及骨料开采成本上升的重大挑战。混凝土是全球第二大消费量最高的材料（仅次于水），其体积中 75–80% 由骨料组成。在加纳等发展中国家，过度采石导致了环境退化和生态污染。与此同时，陶瓷和陶器行业产生了大量的废弃物；陶瓷生产中约 30% 的原材料和 2% 的成品被作为废料丢弃。这些废弃物通常最终进入填埋场，并可能对地下水产生负面影响。本研究旨在通过调查使用破碎陶碗部分替代传统粗骨料（碎石）生产混凝土的可行性，来解决降低建筑成本和减轻环境影响的双重需求。

研究方法
本研究采用实验方法来评估混凝土的力学、物理及耐久性性能。

材料： 研究使用了普通硅酸盐水泥（GHACEM Super Strong 42.5R）、坑砂、碎石和破碎陶碗。用水标准遵循 BS EN 1008:2002。
配合比设计： 使用 1:2:4 的混合比例，水灰比为 0.55，设定目标强度为 25 N/mm²。
试件制备： 混凝土试件被浇筑在钢制立方体（100mm³）和圆柱体（直径 100mm × 高 200mm）模具中。碎石按重量被破碎陶器骨料部分替代，替代比例分别为 0%（对照组）、10%、20%、30% 和 40%。
养护与测试： 试件分别养护 7、14、21 和 28 天。测试项目包括：
- 密度： 根据 BS EN 12390-7:2019 进行测量。
- 抗压强度： 根据 BS EN 12390-3:2019 使用万能试验机（UTM）进行测试。
- 劈裂抗拉强度： 根据 BS EN 12390-6:2009 进行测试。
- 吸水率： 在 28 天后根据 BS EN 1881-122:2011 进行测定。
- 硫酸镁 (MgSO₄) 侵蚀： 试件在 MgSO₄ 溶液中养护 28 天，随后根据 BS EN 206-1:2000 测试其抗压强度。
数据分析： 结果使用 Microsoft Excel 和单因素方差分析（One-Way ANOVA）进行分析，以确定统计显著性（P < 0.05）。

主要结果

密度： 随着陶器替代比例的增加，密度逐渐降低。对照组（0%）在 28 天时达到了最高密度（2486.67 kg/m³），而 40% 替代组记录了最低密度（2276.67 kg/m³）。10% 替代组的密度为 2432.00 kg/m³，比对照组低 2.2%，但仍处于正常重量混凝土范围（根据 ASTM C138 为 1842–2483 kg/m³）内。
抗压强度： 强度随养护龄期增加而增加，但随替代比例提高而降低。在 28 天时，对照组记录为 27.13 N/mm²。10% 替代组记录为 26.39 N/mm²（比对照组低 2.7%），而 40% 替代组为 24.76 N/mm²。尽管存在强度下降，但除 40% 替代组外，所有试件均达到了 25 N/mm² 的目标强度，且均符合承重砌块的标准（根据 ASTM C90-22 最小值为 13.8 MPa）。
劈裂抗拉强度： 趋势与抗压强度一致，即随着替代比例上升而下降。在 28 天时，数值范围从 2.769 N/mm²（对照组）到 2.487 N/mm²（40% 替代组）不等。劈裂抗拉强度保持在抗压强度的 8% 至 15% 之间，符合标准混凝土的行为特征。
吸水率： 吸水率随替代比例的提高而增加。对照组的吸水率为 2.44%，而 10% 替代组为 2.52%（比对照组高 3.2%）。40% 替代组达到 3.19%。所有数值均低于高质量混凝土常引用的 5% 阈值，并处于 4–6% 的最佳范围内。
硫酸镁攻击： 暴露于 MgSO₄ 会导致所有试件的强度损失。有趣的是，40% 替代组表现出最高的抗性，强度损失仅为 0.3%，而对照组为 2.5%。10% 替代组的损失为 1.6%。

结论与意义
研究得出结论，破碎陶器骨料可以作为粗骨料的部分替代品。

标准符合性： 使用高达 40% 替代比例生产的混凝土在密度、强度和吸水率方面均符合 BS EN 12390:2019 和 BS 1881-122:2011 规定的工程标准。
应用建议： 作者建议将 10% 替代量 用于标准混凝土工程，因为它在强度和耐久性之间取得了平衡，且与对照组属性的偏差极小。针对高硫酸镁暴露环境，则建议使用 40% 替代量，因为 40% 的混合物在抵抗化学侵蚀方面表现出更优越的性能。
经济与环境影响： 利用破碎陶器通过使用低成本的工业废料替代昂贵的天然骨料，降低了建筑成本。此外，通过将陶瓷废料从填埋场分流并减少与骨料开采相关的生态足迹，促进了环境可持续性。

该研究证实，回收利用陶瓷废料可以在不损害承重应用所需结构完整性的前提下，提升建筑业的成本效益和环境可持续性。

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