利用陶瓷废粉部分替代细骨料的可持续混凝土生产的实验研究

把碎瓷砖变成更强的混凝土

每年，全球的陶瓷砖厂都会丢弃大量开裂和裁切不合格的瓷砖。仅巴基斯坦费萨拉巴德市，年产生的陶瓷废料就超过一百万吨，其中大部分露天堆放。本研究提出了一个简单而有力的问题：与其把这些堆积物当作无用的垃圾，不如将磨碎的瓷砖掺入混凝土，以节约天然砂、降低成本，甚至提高建筑物的耐久性，是否可行？

从工厂废料到细粉末

研究人员首先走访了费萨拉巴德的几家大型陶瓷厂，以确认废料来源充足、免费且易于收集。来自三家主要工厂的破损地砖经过清洗、烘干、破碎并研磨成细粉，其颗粒尺寸与天然砂相似。化学检测显示该粉末富含二氧化硅——这正是赋予混凝土类似岩石强度的关键成分。这表明瓷砖粉末不仅是惰性填料，还有可能与水泥发生有益反应。

配制新的混凝土配方

接着，团队制备了一系列混凝土配合比，其中以体积计用陶瓷粉部分替代天然细骨料（砂）。他们设置了六个替代水平：0%（普通混凝土）、10%、20%、30%、40%和50%。对每一配比，他们测量了新拌混凝土的可施工性，并在养护后测定密度、强度和吸水性等性能。常规试验记录了抗压强度（混凝土承受压力的能力）、抗拉和抗弯强度（抵抗开裂和弯曲的能力），以及吸水性和酸性环境下的耐久性等简单检测。

寻找强度的最佳点

结果显示，适量的陶瓷粉实际上能改善性能。在约30%替代水平时，混凝土的抗压能力约提高了10%，其抗弯性能也有所提升。该水平下的吸水率下降，表明内部结构更致密、空隙更少。然而，当陶瓷含量超过30%时，这些改进被逆转：可施工性显著下降，吸水率上升，强度下降——过量粉末引入额外空隙并破坏水泥基体。就抗裂性能而言，约20%的替代率在劈裂抗拉强度上表现最佳，这表明不同类型的应力可能需要略有不同的材料配比。

混凝土内部发生了什么

为了解为什么30%效果最好，研究人员使用X射线等技术检查了硬化后的混凝土内部晶体结构。他们发现，在该比例下，富含二氧化硅的陶瓷粉有助于消耗一些无益的水泥副产物，并将其转化为更多类似胶结物的产物，从而增强结合力。陶瓷颗粒还紧密填充在砂和砾石之间，填补空隙，减少水和侵蚀性化学物质的微观通道。当陶瓷比例过高时，剩余水泥不足以形成这种胶结凝胶，结构又变得脆弱且多孔。

环境和成本效益

实验室之外，研究突出了明确的现实优势。将陶瓷废粉用于最高30%的替代可以减少对河砂的需求，而河砂开采会破坏景观和生态系统。同时，这也使大量瓷砖废料免于进入填埋场和露天堆放，减轻当地污染。以典型3立方米混凝土为例，30%陶瓷粉配合比的成本比传统混凝土约低2.3%，因为废料本身几乎没有成本。富含陶瓷的配合物在酸性侵蚀试验中表现更好，暗示在恶劣环境中具有更长的使用寿命。

对日常建筑的意义

简而言之，这项工作表明破碎的地砖不必以废弃物的方式终结生命。将其研磨成细粉并按适当比例使用，可以生产出略强、更致密、更耐用且更便宜的混凝土，同时节约天然砂并减少废弃物。对于快速发展的地区的建筑商、工程师和城市规划者来说，结论令人鼓舞：通过对当地工业余料进行审慎再利用，完全可以浇筑兼顾结构稳固与可持续发展的混凝土。

引用: Tariq, K.A., Adil, W.A., Salhi, A. et al. Experimental investigation of sustainable concrete production using ceramic waste powder as partial fine aggregate replacement. Sci Rep 16, 11659 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47927-3

关键词: 陶瓷废料混凝土, 可持续建筑材料, 再生骨料, 绿色建筑, 工业废弃物再利用