西部高海拔地区再生陶瓷混凝土抗冻–融循环耐久性研究

把碎瓷砖变成更坚韧的道路

在全球范围内，建筑和翻新工地产生的大量破碎瓷砖最终被填埋。与此同时，寒冷高海拔地区的道路、桥梁和建筑反复经历冻融循环，这会逐步损坏常规混凝土。本研究探讨一种双赢的方案：将废弃瓷砖研磨并掺入混凝土，既回收了顽固的废料，又有望建造更能抵抗严寒气候的结构。

为何冻融会破坏混凝土

混凝土看似坚固，实则内部遍布微小孔隙和毛细裂缝。当水渗入并在随后结冰时，会像堵住的管道里的冰那样膨胀。每一次冻融循环，这种膨胀与收缩都会撬开微裂缝、削弱胶结的水泥，并剥落表面颗粒。多年累积下来，这种缓慢的内部风化会把坚硬的构件变成松散、渗漏的材料。对于那些在长时间内气温在冰点附近波动的高海拔地区，理解并减缓这种损伤对确保基础设施安全与长寿至关重要。

从破碎瓷砖到新混凝土

研究人员检验了破碎陶瓷能否替代混凝土中一部分通常使用的砂状细骨料。他们制备了六组混凝土试块，逐步将陶瓷颗粒的比例从0%（普通再生混凝土）增加到100%，即所有细骨料均来自废瓷砖。这些试块先被充分浸水，然后反复冷冻至约−18 °C并回温到略高于冰点，每个循环持续四小时。每经过30个循环，团队称重试块以统计脱落的材料量，并测量声波通过性的变化，这是一种对内部刚度和裂缝非常敏感的指标。

在20%处找到最佳点

结果显示出明确的规律。所有试块的刚度随着循环次数增加而下降，表明内部损伤在累积，但下降速率与陶瓷含量密切相关。掺20%陶瓷颗粒的混凝土表现最为耐久：在性能降至公认标准以下前，大约能承受398次冻融循环。显微图像显示，早期损伤主要局限于薄薄的表层区，而内部仍然致密且结合良好。与典型再生砂相比，陶瓷颗粒吸水率更低、开放孔隙更少，有助于减少混凝土的吸水量及结冰时的膨胀强度。

然而，超过20%替代比例后，耐久性显著下降。在高陶瓷含量下，光滑的瓷砖表面与周围水泥结合不良，产生更多空隙和弱界面。这些空隙成为水结冰膨胀的微型蓄水池，促成裂缝网络的扩展。在80%以及尤其是100%陶瓷含量时，试块出现快速的表面剥落和深层开裂，在300次循环的测试窗口内无法避免严重损伤。对每个颗粒周围薄界面区的精细测量显示，随着陶瓷含量增加，该界面区变得更厚且更具多孔性，从而削弱了混凝土的整体强度。

预测混凝土的服役寿命

仅知道20%陶瓷含量最佳还不够；工程师还需估算这种混凝土在现实环境中的安全服役期。为此，作者将刚度和质量的逐步损失视为一种缓慢发展的随机过程。利用最初用于描述漫游粒子的数学工具，他们构建了一条可靠性曲线，展示随着冻融循环次数增加，混凝土仍能满足性能目标的概率如何下降。对表现最好的配合比，分析表明其在可靠性降至保守安全阈值之前可承受约383次循环，而在其性能被视为耗尽之前约为398次循环。

对寒冷地区建设的意义

从实际角度看，研究表明将破碎瓷砖作为细骨料的约五分之一可以把废弃物转化为在寒冷高海拔地区耐久混凝土的有价值成分。在这一比例下，瓷砖有助于限制吸水和内部冰害；超过该比例则会引入过多弱点，反而加速失效。通过将实验室试验与寿命预测模型结合，该工作既给出了配方建议，也提供了供设计者使用的预测工具，便于建造更耐久且减少施工废料的道路与结构。未来研究将考察这种优化混凝土对其他长期威胁（如侵入性盐分和二氧化碳）的耐受性，进一步澄清其在可持续基础设施中的角色。

引用: Kuan, P., Heyuqiu, L. & Yaping, L. Study on freeze–thaw cyclic durability of reclaimed ceramic concrete in western high altitude region. Sci Rep 16, 12952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42770-y

关键词: 再生混凝土, 陶瓷瓷砖废料, 抗冻–融耐久性, 寒冷地区基础设施, 材料使用寿命