建筑垃圾細(xì)料生產(chǎn)流動(dòng)化回填材料的性能

魏建軍 張金喜 王建剛

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(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)建筑垃圾回填材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)回填材料的流動(dòng)性（流動(dòng)度、泌水率）、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及應(yīng)力應(yīng)變曲線、本構(gòu)關(guān)系模型和彈性模量等進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：回填材料的流動(dòng)度受水固比影響較大，兩者接近線性關(guān)系；流動(dòng)度在200～250 mm范圍，泌水率在4%～8%之間；回填材料抗壓強(qiáng)度與灰砂比和水固比之間存在很好的冪指數(shù)關(guān)系；回填材料應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀與普通混凝土的相似，在此基礎(chǔ)上提出回填材料的本構(gòu)關(guān)系模型；回填材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間存在很好的指數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：建筑垃圾細(xì)料；流動(dòng)化回填材料；本構(gòu)關(guān)系；應(yīng)力應(yīng)變曲線；彈性模量

中圖分類號(hào)：TU52；U416.212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2016）03-0096-08

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

建筑垃圾細(xì)料是建筑垃圾在回收利用過(guò)程中經(jīng)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(xì)料主要來(lái)源有兩個(gè)：一是拆遷后的廢磚混結(jié)構(gòu)，二是廢棄的混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。磚混結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的建筑垃圾細(xì)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(jié)構(gòu)生產(chǎn)的建筑垃圾細(xì)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(jié)構(gòu)生產(chǎn)的建筑垃圾細(xì)料因其強(qiáng)度低，吸水量大等原因多用于生產(chǎn)再生磚。

流動(dòng)化回填材料是以0～5 mm細(xì)料為基礎(chǔ)，加入適當(dāng)比例的水泥、粉煤灰，加水制備出可以實(shí)現(xiàn)自流平和自密實(shí)功能的材料。與傳統(tǒng)回填材料土相比，流動(dòng)化回填材料具有無(wú)需壓實(shí)，無(wú)沉降的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）定義了一類材料稱為可控低強(qiáng)度材料（Controlled low-strength materials，簡(jiǎn)稱 CLSM），它具有自流平、自密實(shí)性特點(diǎn)，主要用于管溝回填、橋臺(tái)背回填等工程。CLSM屬于流動(dòng)化的回填材料。目前對(duì)流動(dòng)化回填材料的研究主要集中在對(duì)細(xì)料選用上。文獻(xiàn)[1-5]研究了以粘土為細(xì)料制備流動(dòng)化回填材料的流動(dòng)性、濕密度和強(qiáng)度性能。Du[6]研究了天然砂（concrete sand）、鑄砂（foundry sand）、底灰（bottom ash）制備的CLSM在流動(dòng)性、需水量和強(qiáng)度方面的不同。鮑遠(yuǎn)琴[7]、Sivakumar[8]研究了利用爐底灰制備流動(dòng)化回填材料的流動(dòng)性、沉降性、收縮性和強(qiáng)度等性能。邵鈺清等[9]、賈東東[10]對(duì)建筑垃圾細(xì)料用于回填材料的工作性和抗壓強(qiáng)度與CBR之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。目前對(duì)流動(dòng)化回填材料性能研究主要集中在流動(dòng)性和強(qiáng)度方面，而對(duì)流動(dòng)化回填材料在荷載作用下的破壞形式、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，模量大小等力學(xué)性能研究較少。本研究采用建筑垃圾細(xì)料制備流動(dòng)化回填材料。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)這種回填材料的流動(dòng)性（流動(dòng)度、泌水）和力學(xué)性能（強(qiáng)度、模量、破壞形態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等）進(jìn)行研究。研究成果對(duì)建筑垃圾細(xì)料回填材料在工程中應(yīng)用有重要意義。

1 原材料和配合比

文中的建筑垃圾細(xì)料流動(dòng)化回填材料（以下簡(jiǎn)稱為回填材料）主要由建筑垃圾細(xì)料、水泥、粉煤灰和水組成。建筑垃圾細(xì)料來(lái)自某建筑垃圾處理廠中磚混結(jié)構(gòu)經(jīng)處理后得到的0～5 mm的細(xì)料。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣，利用德國(guó)產(chǎn)X射線衍射儀（型號(hào)：BRUKER D8 Advance）對(duì)其成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。

試驗(yàn)中的水泥采用河北燕新建材有限公司生產(chǎn)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(chǎn)的F類Ⅲ級(jí)粉煤；水是自來(lái)水。

采用灰砂比、粉砂比和水固比3個(gè)參數(shù)對(duì)建筑垃圾回填材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。灰砂比（cement-to-sand ratio， C/Sa）是指回填材料中水泥質(zhì)量與建筑垃圾質(zhì)量之比?；疑氨扰c回填材料中水泥用量有關(guān)，對(duì)回填材料的強(qiáng)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(zhì)量與建筑垃圾質(zhì)量之比。粉砂比表達(dá)了回填材料中粉煤灰的用量。粉煤灰對(duì)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(zhì)量與水泥、粉煤灰和建筑垃圾質(zhì)量總和之比。水固比大小與回填材料的用水量有關(guān)。根據(jù)對(duì)具有后期可開(kāi)挖性回填材料強(qiáng)度的規(guī)定[11]，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了3個(gè)灰砂比：0.03、0.05、0.08，同時(shí)設(shè)計(jì)了5個(gè)粉砂比：0、0.05、0.1、0.15、0.2和3個(gè)水固比：0.31、0.32、0.33。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 流動(dòng)度和泌水試驗(yàn)

進(jìn)行流動(dòng)度和泌水試驗(yàn)的目的是分析回填材料流動(dòng)度與水固比之間的關(guān)系、流動(dòng)度與泌水率之間的關(guān)系。以一個(gè)配合比的試驗(yàn)過(guò)程為例說(shuō)明：取烘干的建筑垃圾細(xì)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(jìn)行攪拌。當(dāng)拌合物的流動(dòng)狀態(tài)接近目標(biāo)流動(dòng)度時(shí)，對(duì)拌合物進(jìn)行流動(dòng)度測(cè)試，記錄用水量和水固比。取出一部分拌合料放入燒杯中進(jìn)行泌水量測(cè)定，計(jì)算泌水率。按回填工程對(duì)回填材料流動(dòng)度的要求[11-13]，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的流動(dòng)度范圍在200～300 mm之間。試驗(yàn)中按流動(dòng)度200、240和300 mm進(jìn)行了測(cè)試。

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

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)

以一個(gè)配合比的試驗(yàn)過(guò)程為例說(shuō)明：取烘干的建筑垃圾細(xì)料2 000 g。按灰砂比、粉砂比和水固比加入水泥、粉煤灰和水。拌合均勻后直接倒入φ50 mm×100 mm圓柱體試模中，無(wú)需振搗。48 h后試件脫模，放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)生28 d后進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。為了得到抗壓試件的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€，采用UTM-100型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，測(cè)試試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線和破壞荷載。加載方式按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40—2007中T0148中的規(guī)定進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 流動(dòng)度與水固比的關(guān)系

流動(dòng)度試驗(yàn)共得到56組水固比與流動(dòng)度的數(shù)據(jù)。將試驗(yàn)結(jié)果先繪出圖5中的流動(dòng)度與水固比關(guān)系曲線。可以看出，每個(gè)灰砂比的關(guān)系圖中，5個(gè)粉砂比下的流動(dòng)度與水固比關(guān)系曲線基本呈線性變化。曲線變化的趨勢(shì)相同，彼此之間很接近。當(dāng)流動(dòng)度在200～300 mm之間，3個(gè)關(guān)系圖中水固比的變化范圍也相同，在0.31～0.38之間。這說(shuō)明灰砂比和粉砂比對(duì)流動(dòng)度與水固比的關(guān)系，沒(méi)有產(chǎn)生很大的影響。因此，可以將這56組數(shù)據(jù)放到一起進(jìn)行分析（如圖6）。將圖6中數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)度與水固比之間有很好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.82。說(shuō)明這種回填材料的流動(dòng)度受水固比影響較大，兩者之間接近線性關(guān)系。流動(dòng)度受灰砂比和粉砂比的影響較小。

3.2 流動(dòng)度與泌水率的關(guān)系

圖7為回填材料不同流動(dòng)度的泌水率分布情況。由圖7可見(jiàn)，各個(gè)粉砂比回填材料測(cè)得的泌水率值與流動(dòng)度之間沒(méi)有很好的數(shù)學(xué)規(guī)律可循。因此，可以考慮按統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先，將泌水率按4%～6%、6%～8%、8%～10%、10%以上劃分成4個(gè)范圍；流動(dòng)度按2.1節(jié)中設(shè)計(jì)的目標(biāo)流動(dòng)度劃分成3個(gè)范圍：190～220 mm、220～250 mm和250～270 mm。然后，統(tǒng)計(jì)出落在不同流動(dòng)度范圍和泌水率范圍內(nèi)的泌水率值出現(xiàn)次數(shù)（見(jiàn)表2）。最后，根據(jù)表2中相應(yīng)次數(shù)的多少確定出流動(dòng)度與泌水率的關(guān)系表（見(jiàn)表3）。

3.3 灰砂比、水固比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

強(qiáng)度試驗(yàn)中回填材料中粉煤灰用量按粉砂比0.1進(jìn)行摻配。表4中列出9個(gè)配合比52個(gè)試件的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。將抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)與灰砂比和水固比進(jìn)行多元回歸分析。利用Matlab軟件對(duì)3種回歸關(guān)系：線性關(guān)系、冪指數(shù)關(guān)系、e指數(shù)關(guān)系進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明：3種回歸方程的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的標(biāo)準(zhǔn)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與灰砂比和水固比之間的關(guān)系方程（如式（1））。

3.4 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€分析

圖8中曲線是對(duì)52個(gè)試件的試驗(yàn)曲線整理后得到的回填材料典型應(yīng)力應(yīng)變曲線。根據(jù)曲線特點(diǎn)可將其分成5個(gè)階段：OA、AB、BC、CD和D段后。A點(diǎn)是過(guò)O點(diǎn)切線與曲線的交點(diǎn)；B點(diǎn)是曲線的峰值點(diǎn)；C點(diǎn)和D點(diǎn)為曲線下降段中直線部分延伸與下降段曲線的交點(diǎn)。OA段中應(yīng)變與應(yīng)力按比例增加，材料表現(xiàn)為彈性。AB段中，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，應(yīng)變?cè)黾铀俾蚀笥趹?yīng)變的。材料表現(xiàn)為彈塑性。在接近峰值點(diǎn)B時(shí)，會(huì)有裂縫出現(xiàn)。裂縫一般為縱向裂縫或斜裂縫（如圖9（a））。BC段中，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣陆担陆稻徛?。試件中裂縫數(shù)量不斷增加。CD段為應(yīng)力隨應(yīng)變按比例下降階段。此時(shí)裂縫數(shù)量基本恒定但裂縫寬度不斷增加（如圖9（b））。曲線過(guò)了D點(diǎn)以后，試件裂縫已經(jīng)張開(kāi)到一定程度，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾幼兓苄。嚰](méi)有完全破碎（如圖9（c）），仍有很小的殘余強(qiáng)度。

3.6 彈性模量

材料彈性模量由材料在荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率確定?；炷敛牧喜捎脩?yīng)力應(yīng)變曲線原點(diǎn)和σ/σB為0.4（峰值應(yīng)力的40%）所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的連線斜率確定靜彈性模量。從表4中不同灰砂比特征點(diǎn)A的σA/σB比值看，不同灰砂比回填材料中A點(diǎn)位置有差別。因此，考慮采用起始點(diǎn)O與A點(diǎn)連線的斜率確定回填材料的彈性模量。根據(jù)文獻(xiàn)[15]中論述，低壓縮土的變形模量E0大約在32～80 MPa左右。試驗(yàn)中3個(gè)灰砂比回填材料的彈性模量范圍在100～400 MPa之間（見(jiàn)表5）。可見(jiàn)，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(shè)計(jì)的建筑垃圾回填材料在承載力上會(huì)高于壓實(shí)土。

通常，材料的彈性模量與抗壓強(qiáng)度存在一定關(guān)系。將試驗(yàn)中每個(gè)配比的強(qiáng)度和彈性模量建立關(guān)系，經(jīng)過(guò)不同形式的回歸，發(fā)現(xiàn)采用冪指數(shù)形式時(shí)強(qiáng)度與彈性模量之間有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2為0.863 7。因此，建立了回填材料28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間的關(guān)系方程（式（4））。實(shí)際應(yīng)用中可以先得到回填材料抗壓強(qiáng)度，再通過(guò)該方程計(jì)算回填材料的彈性模量。

4 結(jié) 論

利用試驗(yàn)手段對(duì)建筑垃圾流動(dòng)化回填材料的流動(dòng)性（流動(dòng)度、泌水率），力學(xué)性能（無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變曲線、本構(gòu)方程、彈性模量）進(jìn)行研究，具體結(jié)論如下：

1）建筑垃圾回填材料的流動(dòng)度受水固比影響較大，兩者接近線性關(guān)系。

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

3）回填材料抗壓強(qiáng)度與灰砂比和水固比之間存在冪指數(shù)形式的關(guān)系。

4）利用混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型對(duì)回填材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，通過(guò)調(diào)整參數(shù)得到適用于回填材料的本構(gòu)關(guān)系模型。

5）試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3個(gè)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(shí)土。

6）建立了回填材料28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間的關(guān)系方程，為利用抗壓強(qiáng)度計(jì)算回填材料模量提供了依據(jù)。

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（編輯 王秀玲）