建筑垃圾細料生產流動化回填材料的性能

魏建軍, 張金喜,王建剛

(1. 北京工業(yè)大學 北京市交通工程重點實驗室，北京 100024;2. 黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院，哈爾濱 150050)

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建筑垃圾細料生產流動化回填材料的性能

魏建軍1,2, 張金喜1,王建剛1

(1. 北京工業(yè)大學 北京市交通工程重點實驗室，北京 100024;2. 黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院，哈爾濱 150050)

摘要：以灰砂比0.03、0.05和0.08，粉砂比0、0.05、0.1、0.15和0.2為設計參數(shù)，對建筑垃圾回填材料進行設計。通過試驗對回填材料的流動性(流動度、泌水率)、無側限抗壓強度以及應力應變曲線、本構關系模型和彈性模量等進行研究。研究結果表明：回填材料的流動度受水固比影響較大，兩者接近線性關系；流動度在200～250 mm范圍，泌水率在4%～8%之間；回填材料抗壓強度與灰砂比和水固比之間存在很好的冪指數(shù)關系；回填材料應力應變曲線形狀與普通混凝土的相似，在此基礎上提出回填材料的本構關系模型；回填材料無側限抗壓強度與彈性模量之間存在很好的指數(shù)關系。

關鍵詞：建筑垃圾細料；流動化回填材料；本構關系；應力應變曲線；彈性模量

建筑垃圾細料是建筑垃圾在回收利用過程中經分揀，破碎、篩分后得到的粒徑范圍在0～5 mm的集料。目前，建筑垃圾細料主要來源有兩個：一是拆遷后的廢磚混結構，二是廢棄的混凝土或鋼筋混凝土結構。磚混結構生產的建筑垃圾細料主要是破碎的粘土磚和水泥砂漿顆粒和粉末，其中粘土磚的成分較多。廢棄混凝土結構生產的建筑垃圾細料中主要是破碎的水泥砂漿顆粒和骨料顆粒以及粉末等(如圖1、圖2所示)。由磚混結構生產的建筑垃圾細料因其強度低，吸水量大等原因多用于生產再生磚。

圖1　磚混結構生產的建筑垃圾細料Fig.1　Recycled brick and concrete

1原材料和配合比

文中的建筑垃圾細料流動化回填材料(以下簡稱為回填材料)主要由建筑垃圾細料、水泥、粉煤灰和水組成。建筑垃圾細料來自某建筑垃圾處理廠中磚混結構經處理后得到的0～5 mm的細料。通過現(xiàn)場取樣，利用德國產X射線衍射儀(型號：BRUKER D8 Advance)對其成分進行分析，結果見圖3。

圖3　建筑垃圾的X射線衍射圖Fig.3　X-ray diffraction pattern of brick and concrete

由圖3可見樣品中SiO2的衍射峰最高，這主要是因為磚混結構中含有大量的粘土磚所致。其次是CaCO3，說明細料中含有水泥砂漿或水泥漿磨碎顆粒成分較多。表1列出建筑垃圾細料的篩分試驗結果。

表1　建筑垃圾細料通過百分率

試驗中的水泥采用河北燕新建材有限公司生產的鉆牌P.O42.5R普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為山東德州華能電廠生產的F類Ⅲ級粉煤；水是自來水。

采用灰砂比、粉砂比和水固比3個參數(shù)對建筑垃圾回填材料進行配合比設計?；疑氨?cement-to-sand ratio, C/Sa)是指回填材料中水泥質量與建筑垃圾質量之比。灰砂比與回填材料中水泥用量有關，對回填材料的強度影響較大。粉砂比(fly ash-to-sand ratio, FA/Sa)指回填材料中粉煤灰質量與建筑垃圾質量之比。粉砂比表達了回填材料中粉煤灰的用量。粉煤灰對回填材料的黏聚性有一定影響。水固比(water-to-solid ratios, W/So)是指回填材料中水的質量與水泥、粉煤灰和建筑垃圾質量總和之比。水固比大小與回填材料的用水量有關。根據(jù)對具有后期可開挖性回填材料強度的規(guī)定[11]，試驗中設計了3個灰砂比:0.03、0.05、0.08,同時設計了5個粉砂比：0、0.05、0.1、0.15、0.2和3個水固比：0.31、0.32、0.33。

2試驗過程

2.1流動度和泌水試驗

進行流動度和泌水試驗的目的是分析回填材料流動度與水固比之間的關系、流動度與泌水率之間的關系。以一個配合比的試驗過程為例說明：取烘干的建筑垃圾細料2 000 g。按灰砂比、粉砂比加入水泥和粉煤灰。將混合料倒入砂漿攪拌鍋中低速攪拌1 min。向攪拌鍋中逐漸加水進行攪拌。當拌合物的流動狀態(tài)接近目標流動度時，對拌合物進行流動度測試，記錄用水量和水固比。取出一部分拌合料放入燒杯中進行泌水量測定，計算泌水率。按回填工程對回填材料流動度的要求[11-13]，試驗中設計的流動度范圍在200～300 mm之間。試驗中按流動度200、240和300 mm進行了測試。

流動度測試方法是按ASTM D6103,“Standard Test Method for Flow Consistency of Controlled Low Strength Material”進行(如圖4)。ASTM D6103中用于測試流動度的圓筒尺寸為75 mm×150 mm。泌水試驗按《公路工程水泥與水泥混凝土試驗規(guī)程》JTG E30—2005中T0528試驗方法進行。

圖4　流動度測試試驗Fig.4　Fluidity test of

2.2單軸壓縮試驗

3試驗結果分析

3.1流動度與水固比的關系

流動度試驗共得到56組水固比與流動度的數(shù)據(jù)。將試驗結果先繪出圖5中的流動度與水固比關系曲線?？梢钥闯?，每個灰砂比的關系圖中，5個粉砂比下的流動度與水固比關系曲線基本呈線性變化。曲線變化的趨勢相同，彼此之間很接近。當流動度在200～300 mm之間，3個關系圖中水固比的變化范圍也相同，在0.31～0.38之間。這說明灰砂比和粉砂比對流動度與水固比的關系，沒有產生很大的影響。因此，可以將這56組數(shù)據(jù)放到一起進行分析(如圖6)。將圖6中數(shù)據(jù)進行相關分析，發(fā)現(xiàn)流動度與水固比之間有很好的線性關系，相關系數(shù)達到0.82。說明這種回填材料的流動度受水固比影響較大，兩者之間接近線性關系。流動度受灰砂比和粉砂比的影響較小。

圖5　3種灰砂比時流動度與水固比關系Fig.5　Relationship of fluidity and water-to-solid rate with different cement-to-sand

圖6　流動度與水固比關系圖Fig.6　Relationship of fluidity and water-to-solid

3.2流動度與泌水率的關系

圖7為回填材料不同流動度的泌水率分布情況。由圖7可見，各個粉砂比回填材料測得的泌水率值與流動度之間沒有很好的數(shù)學規(guī)律可循。因此，可以考慮按統(tǒng)計規(guī)律對這些數(shù)據(jù)進行處理。首先,將泌水率按4%～6%、6%～8%、8%～10%、10%以上劃分成4個范圍；流動度按2.1節(jié)中設計的目標流動度劃分成3個范圍:190～220 mm、220～250 mm和250～270 mm。然后,統(tǒng)計出落在不同流

動度范圍和泌水率范圍內的泌水率值出現(xiàn)次數(shù)(見表2)。最后，根據(jù)表2中相應次數(shù)的多少確定出流動度與泌水率的關系表(見表3)。

圖7　不同流動度下泌水率試驗結果分布圖Fig. 7　Distribution of bleeding test resultswith different

關于流動化回填材料的泌水性能，目前對泌水的大小沒有一個明確限值，根據(jù)經驗通常認為8%以下的泌水率是可以接受的。按圖7中泌水率與流動度的分布情況，可以看出流動度在200～250 mm以內，建筑垃圾回填材料的泌水率是可以控制在8%以內。

表2　不同流動度范圍泌水率出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計結果(次)

表3　泌水率與流動度關系表

3.3灰砂比、水固比與抗壓強度關系

強度試驗中回填材料中粉煤灰用量按粉砂比0.1進行摻配。表4中列出9個配合比52個試件的

強度測試結果。將抗壓強度數(shù)據(jù)與灰砂比和水固比進行多元回歸分析。利用Matlab軟件對3種回歸關系：線性關系、冪指數(shù)關系、e指數(shù)關系進行了分析和驗證。結果表明：3種回歸方程的計算值與實測值之間的標準偏差S分別為0.18(線性)、0.05(冪指數(shù))和0.36(e指數(shù))。因此，可以考慮采用冪指數(shù)形式建立回填材料無側限抗壓強度與灰砂比和水固比之間的關系方程(如式(1))。

(1)

式中：fc為無側限抗壓強度；x為灰砂比(C/Sa)；y為水固比(W/So)；a，b為回歸系數(shù),a=245.5，b=5.955。

表4　回填材料強度試驗結果

圖8　建筑垃圾回填材料典型應力應變全曲線Fig.8　Typical total stress-strain curves of backfill

圖9　不同階段試件的破壞形式Fig. 9　Failure mode of different

表5　各特征點的應變與峰值應變比、應力與峰值應力比

根據(jù)表5， 灰砂比0.03和0.05的εA/εB、σA/σB比灰砂比0.08的小。說明這兩個灰砂比的彈性階段比灰砂比0.08的短，彈塑性段比0.08的長。因此，灰砂比0.03和0.05的回填材料在曲線上升階段彈塑性比較明顯，而灰砂比0.08的則表現(xiàn)出很好的彈性。此外，表4中混凝土特征點C的εC/εB比回填材料的小，σC/σB比回填材料的大，說明混凝土材料在達到峰值點后應力下降很快。而回填材料的應力在達到峰值點應力后隨著應變的增加而保持一段時間后才緩慢下降。因此，回填材料因水泥用量較小而表現(xiàn)出明顯的塑性特征。

3.5本構關系模型

材料的本構關系是利用數(shù)學模型對材料受力過程的應力應變曲線進行描述。根據(jù)表4，回填材料應力應變曲線上各特征點的位置與混凝土應力的比較接近。因此，可以采用混凝土材料的本構關系對回填材料進行模擬。目前常見的混凝土的本構方程為分段函數(shù)形式[14]。

(2)

(3)

式中：x為ε/εB;y為σ/σB;aa、ad為參數(shù)；其中aa=E0/Ep；E0為初始切線彈性模量；Ep為峰值割線變形模量；ad為描述曲線上C點和D點位置的參數(shù)。

采用式(1)、(2)中的分段函數(shù)對建筑垃圾回填材料的應力應變曲線進行擬合。首先對試驗曲線進行無量綱化處理，建立橫坐標x測(ε/εB)，縱坐標y測(σ/σB)的關系曲線。將橫坐標x測代入式(1)和(2)中，得到計算值y計。利用最小二乘原理計算y測與y計之間的標準偏差S。調整方程中的參數(shù)改變計算值y計使得標準偏差S最小。最后根據(jù)S最小時參數(shù)aa和ad確定方程的形式。

表6中列出3種灰砂比回填材料的本構方程?？梢钥闯觯夯疑氨?.03、0.05方程中參數(shù)比較接近?；疑氨?.08的上升段參數(shù)aa與前兩個灰砂比的相差較大。各個灰砂比計算的標準偏差S比較小，說明經過參數(shù)調整的本構方程與應力應變曲線擬合效果很好。圖10是3個灰砂比的試驗曲線與表5中方程的擬合情況。本構方程的建立為定量分析建筑垃圾回填材料應力應變關系提供了依據(jù)，在數(shù)值模擬該材料的力學性能上將起到重要作用。

表6　3種灰砂比回填材料的本構方程

圖10　擬合的應力應變曲線與試驗曲線Fig.10　Fitted stress-strain curves and test

3.6彈性模量

材料彈性模量由材料在荷載作用下的應力應變曲線的斜率確定?；炷敛牧喜捎脩兦€原點和σ/σB為0.4(峰值應力的40%)所對應點的連線斜率確定靜彈性模量。從表4中不同灰砂比特征點A的σA/σB比值看，不同灰砂比回填材料中A點位置有差別。因此，考慮采用起始點O與A點連線的斜率確定回填材料的彈性模量。根據(jù)文獻[15]中論述，低壓縮土的變形模量E0大約在32～80 MPa左右。試驗中3個灰砂比回填材料的彈性模量范圍在100～400 MPa之間(見表5)?？梢?，即使灰砂比0.03的建筑垃圾回填材料，其彈性模量也是土的1.25～3倍。因此，利用本文中設計的建筑垃圾回填材料在承載力上會高于壓實土。

通常，材料的彈性模量與抗壓強度存在一定關系。將試驗中每個配比的強度和彈性模量建立關系，經過不同形式的回歸，發(fā)現(xiàn)采用冪指數(shù)形式時強度與彈性模量之間有很好的相關性，相關系數(shù)R2為0.863 7。因此，建立了回填材料28 d無側限抗壓強度與彈性模量之間的關系方程(式(4))。實際應用中可以先得到回填材料抗壓強度，再通過該方程計算回填材料的彈性模量。

E0=283.86fc0.56R2=0.863 7

(4)

式中：E0為初始切線彈性模量；fc為回填材料28 d無側限抗壓強度。

4結論

利用試驗手段對建筑垃圾流動化回填材料的流動性(流動度、泌水率)，力學性能(無側限抗壓強度、應力應變曲線、本構方程、彈性模量)進行研究，具體結論如下：

1)建筑垃圾回填材料的流動度受水固比影響較大，兩者接近線性關系。

2)回填材料泌水率受水固比和流動度影響較大，流動度在200～250 mm以內，回填材料的泌水率變化范圍在4%～8%之間，流動度超過250 mm，泌水率在8%以上。

3)回填材料抗壓強度與灰砂比和水固比之間存在冪指數(shù)形式的關系。

5)試驗設計的3個灰砂比建筑垃圾回填材料的彈性模量范圍在100～400 MPa之間，承載力高于壓實土。

6)建立了回填材料28 d無側限抗壓強度與彈性模量之間的關系方程，為利用抗壓強度計算回填材料模量提供了依據(jù)。

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(編輯王秀玲)

Properties of flowable backfill materials using recycled fine aggregates of brick and concrete waste

Wei Jianjun1,2,Zhang Jinxi1,Wang Jiangang1

(1.Beijing Key Laboratory of Traffic Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, P.R.China;2. Department of Civil and Architecture Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, P.R.China)

Abstract:A new type of backfill materials using recycled brick and concrete waste as fine aggregates was designed with three cement-to-sand ratios (C/Sa) and five fly ash-to-sand ratios (FA/Sa). A series of measurements were conducted to investigate the fluidity and bleeding and mechanical properties including uniaxial compressive strength, stress-strain relationship, constitutive relation model and elastic modulus. The results showed fluidity had linear correlation on water-to-solid ratios(W/So); the range of the bleeding rates was in 4%～8% when the fluidity was within 200～250 mm. The compressive strengths had an exponential relationship to the cement-to-sand ratios and water-to-solid ratios. A constitutive relation model was put forward to describe the stress-strain relationship curve of backfill material on the base of the model of the concrete. The relationship between the unconfined compressive strength and elastic modulus was established, which could be used to calculate the modulus of backfill materials by the compressive strength directly.

Keywords:recycled fine aggregates of brick and concrete waste；flowable backfill materials；constitutive relation；stress-strain relationship curve；elastic modulus

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2016.03.014

收稿日期：2015-12-15

基金項目：國家科技支撐計劃(2014BAC07B03)；國家自然科學基金(51278016)

作者簡介：魏建軍(1973-)，男，博士(后)，主要從事路面結構與材料研究，(E-mail)weijianjun1116@163.com。

Foundation item：The National Science-Technology Support Plan(No.2014BAC07B03);National Natural Science Foundation of China (No.51278016)

中圖分類號：TU52；U416．212

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2016)03-0096-08

張金喜(通信作者)，男，教授，博士生導師，(E-mail)zhangjinxi@bjut.edu.cn。

Received:2015-12-15

Author brief：Wei Jianjun(1973-)，post doctorate，main research interests:pavement structure and material，(E-mail)weijianjun1116@163.com.

Zhang Jinxi(corresponding author),professor,PhD supervesor，(E-mail)zhangjinxi@bjut.edu.cn.