魏建軍, 張金喜,王建剛

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 北京市交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024;2. 黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

?

建筑垃圾細(xì)料生產(chǎn)流動(dòng)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(xué) 北京市交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024;2. 黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)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(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)建筑垃圾回填材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過試驗(yàn)對(duì)回填材料的流動(dòng)性(流動(dòng)度、泌水率)、無側(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

建筑垃圾細(xì)料是建筑垃圾在回收利用過程中經(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。

圖1　磚混結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的建筑垃圾細(xì)料Fig.1　Recycled brick and concrete

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。通過現(xiàn)場取樣，利用德國產(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?yàn)榇u混結(jié)構(gòu)中含有大量的粘土磚所致。其次是CaCO3，說明細(xì)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(xì)料的篩分試驗(yàn)結(jié)果。

表1　建筑垃圾細(xì)料通過百分率

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)?；疑氨?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)過程為例說明：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)行了測試。

流動(dòng)度測試方法是按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。

圖4　流動(dòng)度測試試驗(yàn)Fig.4　Fluidity test of

2.2單軸壓縮試驗(yàn)

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?？梢钥闯?，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。這說明灰砂比和粉砂比對(duì)流動(dòng)度與水固比的關(guān)系，沒有產(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。

圖5　3種灰砂比時(shí)流動(dòng)度與水固比關(guān)系Fig.5　Relationship of fluidity and water-to-solid rate with different cement-to-sand

圖6　流動(dòng)度與水固比關(guān)系圖Fig.6　Relationship of fluidity and water-to-solid

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，各個(gè)粉砂比回填材料測得的泌水率值與流動(dòng)度之間沒有很好的數(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(見表3)。

圖7　不同流動(dòng)度下泌水率試驗(yàn)結(jié)果分布圖Fig. 7　Distribution of bleeding test resultswith different

關(guān)于流動(dòng)化回填材料的泌水性能，目前對(duì)泌水的大小沒有一個(gè)明確限值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常認(rèn)為8%以下的泌水率是可以接受的。按圖7中泌水率與流動(dòng)度的分布情況，可以看出流動(dòng)度在200～250 mm以內(nèi)，建筑垃圾回填材料的泌水率是可以控制在8%以內(nèi)。

表2　不同流動(dòng)度范圍泌水率出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(次)

表3　泌水率與流動(dòng)度關(guān)系表

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))。

(1)

式中：fc為無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖8　建筑垃圾回填材料典型應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€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(diǎn)的應(yīng)變與峰值應(yīng)變比、應(yīng)力與峰值應(yīng)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(gè)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(diǎn)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(dá)到峰值點(diǎn)后應(yīng)力下降很快。而回填材料的應(yīng)力在達(dá)到峰值點(diǎn)應(yīng)力后隨著應(yīng)變的增加而保持一段時(shí)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(gòu)關(guān)系模型

材料的本構(gòu)關(guān)系是利用數(shù)學(xué)模型對(duì)材料受力過程的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行描述。根據(jù)表4，回填材料應(yīng)力應(yīng)變曲線上各特征點(diǎn)的位置與混凝土應(yīng)力的比較接近。因此，可以采用混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系對(duì)回填材料進(jìn)行模擬。目前常見的混凝土的本構(gòu)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(diǎn)和D點(diǎn)位置的參數(shù)。

采用式(1)、(2)中的分段函數(shù)對(duì)建筑垃圾回填材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合。首先對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行無量綱化處理，建立橫坐標(biāo)x測(ε/εB)，縱坐標(biāo)y測(σ/σB)的關(guān)系曲線。將橫坐標(biāo)x測代入式(1)和(2)中，得到計(jì)算值y計(jì)。利用最小二乘原理計(jì)算y測與y計(jì)之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差S。調(diào)整方程中的參數(shù)改變計(jì)算值y計(jì)使得標(biāo)準(zhǔn)偏差S最小。最后根據(jù)S最小時(shí)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(gòu)方程。可以看出：灰砂比0.03、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(gè)灰砂比的相差較大。各個(gè)灰砂比計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差S比較小，說明經(jīng)過參數(shù)調(diào)整的本構(gòu)方程與應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合效果很好。圖10是3個(gè)灰砂比的試驗(yàn)曲線與表5中方程的擬合情況。本構(gòu)方程的建立為定量分析建筑垃圾回填材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系提供了依據(jù)，在數(shù)值模擬該材料的力學(xué)性能上將起到重要作用。

表6　3種灰砂比回填材料的本構(gòu)方程

圖10　擬合的應(yīng)力應(yīng)變曲線與試驗(yàn)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(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(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，再通過該方程計(jì)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(cè)限抗壓強(qiáng)度。

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。

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)

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(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃(2014BAC07B03)；國家自然科學(xué)基金(51278016)

作者簡介：魏建軍(1973-)，男，博士(后)，主要從事路面結(jié)構(gòu)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(hào)：TU52；U416．212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764(2016)03-0096-08

張金喜(通信作者)，男，教授，博士生導(dǎo)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.