再生磚瓦骨料混凝土力學(xué)性能影響因素的分析

薛 飛 王永霖 崔艷玲 河南省建科院工程檢測(cè)有限公司（450000） 河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450000）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，新農(nóng)村建設(shè)工作的不斷深入，舊村改造、新村建設(shè)工作的相繼鋪開，城鄉(xiāng)大量的房屋被拆遷，房屋拆遷產(chǎn)生的碎磚瓦廢棄物也空前增加。目前，我國(guó)所拆除的房屋中磚混結(jié)構(gòu)的房屋較多，拆遷垃圾廢棄物主要由碎磚瓦組成，燒結(jié)磚瓦廢料初步預(yù)計(jì)已達(dá)總建筑垃圾量的 30%～50%[1]。

大量的碎磚瓦廢棄物引發(fā)的環(huán)境問題和社會(huì)公害很多，如將其資源化再生利用，將碎磚瓦破碎處理成為再生骨料，用來配置中低強(qiáng)度的混凝土，即形成輕骨料再生混凝土。這種混凝土具有質(zhì)量輕、應(yīng)用范圍廣、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)。廢棄物再利用一方面可以解決大量碎磚瓦廢棄物處理困難和由此引發(fā)的對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響等問題，同時(shí)節(jié)省了大量的垃圾清運(yùn)費(fèi)用和處理費(fèi)用；另一方面可以減少對(duì)天然砂石的開采，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)社會(huì)的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

再生混凝土是再生骨料混凝土的簡(jiǎn)稱，是指將廢棄的混凝土塊、廢棄燒結(jié)磚瓦塊經(jīng)過破碎、清洗、分級(jí)后，按一定的比例與級(jí)配混合形成的再生混凝土骨料，簡(jiǎn)稱再生骨料，把再生骨料以部分或者全部代替天然砂石等粗骨料的方式配制成的新型混凝土。

1 對(duì)再生骨料進(jìn)行分類

1.1 按再生骨料的來源分類

在現(xiàn)實(shí)生活中，大多數(shù)再生骨料來源于建筑垃圾。表1列出了不同結(jié)構(gòu)形式的建筑工地中建筑施工廢棄物的組成比例，其中磚混、框架及框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的單位建筑面積產(chǎn)生的施工廢料的數(shù)量分別為 50～200kg/m2、45～150kg/m2、40～150kg/m2[2]。

表1 建筑施工廢料的數(shù)量和組成

其中，P為施工廢棄物組成比例，K為施工廢棄物主要組成部分占材料購(gòu)買量的比例，Z為框架結(jié)構(gòu)建筑物中各種廢棄物成本占總廢棄物成本的比例。

1.2 按再生骨料的粒度分類

參照普通混凝土骨料的分類方法對(duì)再生混凝土骨料進(jìn)行分類。

目前，許多研究者根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ52—2006）的規(guī)定，將再生骨料按粒徑值分為粒徑大于5mm的再生粗骨料、粒徑在0.16～5.0mm的再生細(xì)骨料及在破碎過程中由水泥漿等易碎物料所產(chǎn)生的粒徑小于0.08mm（也有認(rèn)為小于 0．15mm）的再生微粉[3]。

1.3 按再生骨料的用途分類

按照再生骨料的用途可以將其分為制備混凝土再生骨料、制備磚和砌塊等墻材再生骨料、制備水泥再生骨料等。

1.4 按再生骨料的質(zhì)量等級(jí)分類

上世紀(jì)90年代，日本頒布了《再生混凝土材料質(zhì)量試行條例》，把吸水率和堅(jiān)固性作為再生骨料的指標(biāo)，并以此劃分再生骨料的質(zhì)量等級(jí)，見表2。

表2 日本再生骨料質(zhì)量等級(jí)

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原材料

試件制作所選用的材料均為河南省常用工程建設(shè)材料，各材料技術(shù)指標(biāo)符合國(guó)家、行業(yè)規(guī)范對(duì)材料參數(shù)的要求：

水泥選用P·O42.5，性能符合GB175—2007的標(biāo)準(zhǔn)要求，廠家為河南天瑞水泥；

砂采用Ⅱ區(qū)中砂，產(chǎn)地為河南滎陽(yáng)；

拌和用水為自來水；

再生磚瓦骨料選用粒徑為5～20mm連續(xù)級(jí)配，并用與拌和混凝土相同水灰比的水泥漿對(duì)其進(jìn)行包裹強(qiáng)化處理，其中各種級(jí)配的混合比例見表3。本試驗(yàn)用再生磚瓦骨料全部取代天然粗骨料。

表3 不同粒徑磚瓦骨料的配制比例

2.2 試件制作及養(yǎng)護(hù)

參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2002，文章立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)試件規(guī)格分別為 100mm×100mm×100mm、150mm×150 mm×150mm 和 100mm×100mm×300mm。 混凝土均采用靜置24h后編號(hào)拆模，拆模后的試件放在相對(duì)溫度（20℃±2℃）、相對(duì)濕度不小于95%環(huán)境下人工拌和，標(biāo)準(zhǔn)鋼模成型，振動(dòng)臺(tái)振搗密實(shí)。澆注時(shí)將混凝土拌和物一次、快速裝入試模，養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28d齡期。

2.3 儀器設(shè)備

本試驗(yàn)所用測(cè)試力學(xué)性能的試驗(yàn)設(shè)備（主要為微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)HUT-206A，量程0～2000kN）。均為經(jīng)過檢定且運(yùn)行正常的試驗(yàn)設(shè)備。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 再生磚瓦骨料混凝土的正交試驗(yàn)

設(shè)計(jì)參照 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JCJ 55—2011，考慮到水灰比、砂率、用水量等因素有可能對(duì)再生磚瓦骨料混凝土的強(qiáng)度值產(chǎn)生影響，因此配合比設(shè)計(jì)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行互摻，選取水灰比、砂率、單位用水量3個(gè)因素，每個(gè)因素有4個(gè)變化值，即 4個(gè)水平，取L16(43)正交表，如表4、表5所示，以模擬實(shí)際工程中廢棄磚瓦骨料混凝土的組成和現(xiàn)場(chǎng)混凝土組成不同的變動(dòng)情況。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素-水平表

3.2 再生磚瓦骨料混凝土試件的制作及養(yǎng)護(hù)

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2002進(jìn)行各組再生磚瓦骨料混凝土的拌和物成型、養(yǎng)護(hù)等。將再生磚瓦骨料提前用水泥漿包裹強(qiáng)化處理后，晾曬至飽和面干狀態(tài)，采用容量為60L的攪拌機(jī)攪拌，攪拌4～6min后測(cè)其坍落度。然后將拌和物一次裝入試模，采用振動(dòng)臺(tái)成型。24h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至齡期，測(cè)試再生磚瓦骨料混凝土的其他性能。

3.3 再生磚瓦骨料混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)方法

再生磚瓦骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)均按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2002進(jìn)行。

表5 再生磚瓦混凝土分組設(shè)計(jì)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 極差分析法

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表6，在完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。極差分析就是在考慮A因素時(shí)，認(rèn)為其他因素對(duì)結(jié)果的影響是均衡的，從而認(rèn)為A因素各水平的差異是由于A因素本身引起的。文章分別計(jì)算水灰比A、砂率B、單位用水量C對(duì)再生磚瓦骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量影響的極差值，如表7所示，極差大的說明它在三個(gè)水平之間變化時(shí)對(duì)所測(cè)指標(biāo)造成的影響大，通常認(rèn)為是重要因素。

表6 各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

由極差表7可以看出：

影響再生磚瓦骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的因素的主次順序是A、B、C，即水灰比、砂率、單位用水量；

影響再生磚瓦骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量的因素的主次順序是A、C、B，即水灰比、單位用水量、砂率；

水灰比A是影響再生磚瓦骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量的主要因素，而砂率B、單位用水量C對(duì)再生磚瓦骨料混凝土這三個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)的影響并不大。

4.2 方差分析法

極差分析方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便、工作量小，缺點(diǎn)是判斷因素效應(yīng)的精度差，且試驗(yàn)條件改變所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)和由試驗(yàn)誤差所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)沒有嚴(yán)格區(qū)分開來，也沒有提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)判斷所考查因素的作用是否顯著。因此，為了彌補(bǔ)這些不足，我們采用方差分析的方法，通過普通因素顯著性檢驗(yàn)判別各因素對(duì)指標(biāo)的顯著性影響大小，計(jì)算結(jié)果見表8、表 9。

方差分析法是將因素水平的變化所引起的試驗(yàn)結(jié)果的差異與誤差波動(dòng)所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異區(qū)分開來的一種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的數(shù)學(xué)方法。通常認(rèn)為：

對(duì)于 α=0．05，若 F0.05＜FA＜F0.01，則說明因素 A 顯著；

對(duì) α=0．01，若 FA＞F0.01，則說明因素 A 高度顯著；

若 F0.05＞FA＞F0.1，則說明因素 A 有一定影響；

FA＜F0.1，則因素A無顯著性影響。

表7 抗壓強(qiáng)度方差分析表

從表 7 可以看出，F(xiàn)0.05＜FA＜F0.01，F(xiàn)C＜FB＜F0.1。

各因素影響抗壓強(qiáng)度的主次因素依次為：水灰比、砂率、單位用水量，這與極差分析的結(jié)果完全一致。

水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響顯著，而砂率、單位用水量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較弱。

表8 彈性模量方差分析表

從表 8 可以看出，F(xiàn)0.1＜FA＜F0.05，F(xiàn)B＜FC＜F0.1。

各因素影響劈裂抗拉強(qiáng)度的主次因素依次為：水灰比、單位用水量、砂率，這與極差分析的結(jié)果完全一致。

水灰比對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響一般，砂率、單位用水量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響均較弱。

從表 9 可以看出，F(xiàn)B＜FC＜FA＜F0.1。

各因素影響彈性模量的主次因素依次為：水灰比、單位用水量、砂率，這與極差分析的結(jié)果完全一致；水灰比、砂率、單位用水量對(duì)彈性模量的影響均較弱。

表9 劈裂抗拉強(qiáng)度方差分析表

3 結(jié)論

廢棄磚瓦骨料配制再生混凝土的力學(xué)性能和影響力學(xué)性能的因素有水灰比、砂率、單位用水量。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)上分別用了兩種方法：極差分析法和方差分析法。用這兩種試驗(yàn)方法作為對(duì)比，得出的結(jié)論一致：影響再生磚瓦骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的因素的主次順序是水灰比、砂率、單位用水量；影響再生磚瓦骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量的因素主次順序是水灰比、單位用水量、砂率。

由此可見，水灰比是影響再生磚瓦骨料混凝土力學(xué)性能的主要因素，在劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量的影響因素上，單位用水量的影響要大于砂率。