建筑垃圾细料生产流动化回填材料的性能

魏建军, 张金喜,王建刚

(1. 北京工业大学 北京市交通工程重点实验室，北京 100024;2. 黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，哈尔滨 150050)



建筑垃圾细料生产流动化回填材料的性能

魏建军1,2, 张金喜1,王建刚1

(1. 北京工业大学 北京市交通工程重点实验室，北京 100024;2. 黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，哈尔滨 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为设计参数，对建筑垃圾回填材料进行设计。通过试验对回填材料的流动性(流动度、泌水率)、无侧限抗压强度以及应力应变曲线、本构关系模型和弹性模量等进行研究。研究结果表明：回填材料的流动度受水固比影响较大，两者接近线性关系；流动度在200～250 mm范围，泌水率在4%～8%之间；回填材料抗压强度与灰砂比和水固比之间存在很好的幂指数关系；回填材料应力应变曲线形状与普通混凝土的相似，在此基础上提出回填材料的本构关系模型；回填材料无侧限抗压强度与弹性模量之间存在很好的指数关系。

关键词：建筑垃圾细料；流动化回填材料；本构关系；应力应变曲线；弹性模量

建筑垃圾细料是建筑垃圾在回收利用过程中经分拣，破碎、筛分后得到的粒径范围在0～5 mm的集料。目前，建筑垃圾细料主要来源有两个：一是拆迁后的废砖混结构，二是废弃的混凝土或钢筋混凝土结构。砖混结构生产的建筑垃圾细料主要是破碎的粘土砖和水泥砂浆颗粒和粉末，其中粘土砖的成分较多。废弃混凝土结构生产的建筑垃圾细料中主要是破碎的水泥砂浆颗粒和骨料颗粒以及粉末等(如图1、图2所示)。由砖混结构生产的建筑垃圾细料因其强度低，吸水量大等原因多用于生产再生砖。

图1　砖混结构生产的建筑垃圾细料Fig.1　Recycled brick and concrete

1原材料和配合比

文中的建筑垃圾细料流动化回填材料(以下简称为回填材料)主要由建筑垃圾细料、水泥、粉煤灰和水组成。建筑垃圾细料来自某建筑垃圾处理厂中砖混结构经处理后得到的0～5 mm的细料。通过现场取样，利用德国产X射线衍射仪(型号：BRUKER D8 Advance)对其成分进行分析，结果见图3。

图3　建筑垃圾的X射线衍射图Fig.3　X-ray diffraction pattern of brick and concrete

由图3可见样品中SiO2的衍射峰最高，这主要是因为砖混结构中含有大量的粘土砖所致。其次是CaCO3，说明细料中含有水泥砂浆或水泥浆磨碎颗粒成分较多。表1列出建筑垃圾细料的筛分试验结果。

表1　建筑垃圾细料通过百分率

试验中的水泥采用河北燕新建材有限公司生产的钻牌P.O42.5R普通硅酸盐水泥；粉煤灰为山东德州华能电厂生产的F类Ⅲ级粉煤；水是自来水。

采用灰砂比、粉砂比和水固比3个参数对建筑垃圾回填材料进行配合比设计。灰砂比(cement-to-sand ratio, C/Sa)是指回填材料中水泥质量与建筑垃圾质量之比。灰砂比与回填材料中水泥用量有关，对回填材料的强度影响较大。粉砂比(fly ash-to-sand ratio, FA/Sa)指回填材料中粉煤灰质量与建筑垃圾质量之比。粉砂比表达了回填材料中粉煤灰的用量。粉煤灰对回填材料的黏聚性有一定影响。水固比(water-to-solid ratios, W/So)是指回填材料中水的质量与水泥、粉煤灰和建筑垃圾质量总和之比。水固比大小与回填材料的用水量有关。根据对具有后期可开挖性回填材料强度的规定[11]，试验中设计了3个灰砂比:0.03、0.05、0.08,同时设计了5个粉砂比：0、0.05、0.1、0.15、0.2和3个水固比：0.31、0.32、0.33。

2试验过程

2.1流动度和泌水试验

进行流动度和泌水试验的目的是分析回填材料流动度与水固比之间的关系、流动度与泌水率之间的关系。以一个配合比的试验过程为例说明：取烘干的建筑垃圾细料2 000 g。按灰砂比、粉砂比加入水泥和粉煤灰。将混合料倒入砂浆搅拌锅中低速搅拌1 min。向搅拌锅中逐渐加水进行搅拌。当拌合物的流动状态接近目标流动度时，对拌合物进行流动度测试，记录用水量和水固比。取出一部分拌合料放入烧杯中进行泌水量测定，计算泌水率。按回填工程对回填材料流动度的要求[11-13]，试验中设计的流动度范围在200～300 mm之间。试验中按流动度200、240和300 mm进行了测试。

流动度测试方法是按ASTM D6103,“Standard Test Method for Flow Consistency of Controlled Low Strength Material”进行(如图4)。ASTM D6103中用于测试流动度的圆筒尺寸为75 mm×150 mm。泌水试验按《公路工程水泥与水泥混凝土试验规程》JTG E30—2005中T0528试验方法进行。

图4　流动度测试试验Fig.4　Fluidity test of

2.2单轴压缩试验

3试验结果分析

3.1流动度与水固比的关系

流动度试验共得到56组水固比与流动度的数据。将试验结果先绘出图5中的流动度与水固比关系曲线。可以看出，每个灰砂比的关系图中，5个粉砂比下的流动度与水固比关系曲线基本呈线性变化。曲线变化的趋势相同，彼此之间很接近。当流动度在200～300 mm之间，3个关系图中水固比的变化范围也相同，在0.31～0.38之间。这说明灰砂比和粉砂比对流动度与水固比的关系，没有产生很大的影响。因此，可以将这56组数据放到一起进行分析(如图6)。将图6中数据进行相关分析，发现流动度与水固比之间有很好的线性关系，相关系数达到0.82。说明这种回填材料的流动度受水固比影响较大，两者之间接近线性关系。流动度受灰砂比和粉砂比的影响较小。

图5　3种灰砂比时流动度与水固比关系Fig.5　Relationship of fluidity and water-to-solid rate with different cement-to-sand

图6　流动度与水固比关系图Fig.6　Relationship of fluidity and water-to-solid

3.2流动度与泌水率的关系

图7为回填材料不同流动度的泌水率分布情况。由图7可见，各个粉砂比回填材料测得的泌水率值与流动度之间没有很好的数学规律可循。因此，可以考虑按统计规律对这些数据进行处理。首先,将泌水率按4%～6%、6%～8%、8%～10%、10%以上划分成4个范围；流动度按2.1节中设计的目标流动度划分成3个范围:190～220 mm、220～250 mm和250～270 mm。然后,统计出落在不同流

动度范围和泌水率范围内的泌水率值出现次数(见表2)。最后，根据表2中相应次数的多少确定出流动度与泌水率的关系表(见表3)。

图7　不同流动度下泌水率试验结果分布图Fig. 7　Distribution of bleeding test resultswith different

关于流动化回填材料的泌水性能，目前对泌水的大小没有一个明确限值，根据经验通常认为8%以下的泌水率是可以接受的。按图7中泌水率与流动度的分布情况，可以看出流动度在200～250 mm以内，建筑垃圾回填材料的泌水率是可以控制在8%以内。

表2　不同流动度范围泌水率出现次数统计结果(次)

表3　泌水率与流动度关系表

3.3灰砂比、水固比与抗压强度关系

强度试验中回填材料中粉煤灰用量按粉砂比0.1进行掺配。表4中列出9个配合比52个试件的

强度测试结果。将抗压强度数据与灰砂比和水固比进行多元回归分析。利用Matlab软件对3种回归关系：线性关系、幂指数关系、e指数关系进行了分析和验证。结果表明：3种回归方程的计算值与实测值之间的标准偏差S分别为0.18(线性)、0.05(幂指数)和0.36(e指数)。因此，可以考虑采用幂指数形式建立回填材料无侧限抗压强度与灰砂比和水固比之间的关系方程(如式(1))。

(1)

式中：fc为无侧限抗压强度；x为灰砂比(C/Sa)；y为水固比(W/So)；a，b为回归系数,a=245.5，b=5.955。

表4　回填材料强度试验结果

图8　建筑垃圾回填材料典型应力应变全曲线Fig.8　Typical total stress-strain curves of backfill

图9　不同阶段试件的破坏形式Fig. 9　Failure mode of different

表5　各特征点的应变与峰值应变比、应力与峰值应力比

根据表5， 灰砂比0.03和0.05的εA/εB、σA/σB比灰砂比0.08的小。说明这两个灰砂比的弹性阶段比灰砂比0.08的短，弹塑性段比0.08的长。因此，灰砂比0.03和0.05的回填材料在曲线上升阶段弹塑性比较明显，而灰砂比0.08的则表现出很好的弹性。此外，表4中混凝土特征点C的εC/εB比回填材料的小，σC/σB比回填材料的大，说明混凝土材料在达到峰值点后应力下降很快。而回填材料的应力在达到峰值点应力后随着应变的增加而保持一段时间后才缓慢下降。因此，回填材料因水泥用量较小而表现出明显的塑性特征。

3.5本构关系模型

材料的本构关系是利用数学模型对材料受力过程的应力应变曲线进行描述。根据表4，回填材料应力应变曲线上各特征点的位置与混凝土应力的比较接近。因此，可以采用混凝土材料的本构关系对回填材料进行模拟。目前常见的混凝土的本构方程为分段函数形式[14]。

(2)

(3)

式中：x为ε/εB;y为σ/σB;aa、ad为参数；其中aa=E0/Ep；E0为初始切线弹性模量；Ep为峰值割线变形模量；ad为描述曲线上C点和D点位置的参数。

采用式(1)、(2)中的分段函数对建筑垃圾回填材料的应力应变曲线进行拟合。首先对试验曲线进行无量纲化处理，建立横坐标x测(ε/εB)，纵坐标y测(σ/σB)的关系曲线。将横坐标x测代入式(1)和(2)中，得到计算值y计。利用最小二乘原理计算y测与y计之间的标准偏差S。调整方程中的参数改变计算值y计使得标准偏差S最小。最后根据S最小时参数aa和ad确定方程的形式。

表6中列出3种灰砂比回填材料的本构方程。可以看出：灰砂比0.03、0.05方程中参数比较接近。灰砂比0.08的上升段参数aa与前两个灰砂比的相差较大。各个灰砂比计算的标准偏差S比较小，说明经过参数调整的本构方程与应力应变曲线拟合效果很好。图10是3个灰砂比的试验曲线与表5中方程的拟合情况。本构方程的建立为定量分析建筑垃圾回填材料应力应变关系提供了依据，在数值模拟该材料的力学性能上将起到重要作用。

表6　3种灰砂比回填材料的本构方程

图10　拟合的应力应变曲线与试验曲线Fig.10　Fitted stress-strain curves and test

3.6弹性模量

材料弹性模量由材料在荷载作用下的应力应变曲线的斜率确定。混凝土材料采用应力应变曲线原点和σ/σB为0.4(峰值应力的40%)所对应点的连线斜率确定静弹性模量。从表4中不同灰砂比特征点A的σA/σB比值看，不同灰砂比回填材料中A点位置有差别。因此，考虑采用起始点O与A点连线的斜率确定回填材料的弹性模量。根据文献[15]中论述，低压缩土的变形模量E0大约在32～80 MPa左右。试验中3个灰砂比回填材料的弹性模量范围在100～400 MPa之间(见表5)。可见，即使灰砂比0.03的建筑垃圾回填材料，其弹性模量也是土的1.25～3倍。因此，利用本文中设计的建筑垃圾回填材料在承载力上会高于压实土。

通常，材料的弹性模量与抗压强度存在一定关系。将试验中每个配比的强度和弹性模量建立关系，经过不同形式的回归，发现采用幂指数形式时强度与弹性模量之间有很好的相关性，相关系数R2为0.863 7。因此，建立了回填材料28 d无侧限抗压强度与弹性模量之间的关系方程(式(4))。实际应用中可以先得到回填材料抗压强度，再通过该方程计算回填材料的弹性模量。

E0=283.86fc0.56R2=0.863 7

(4)

式中：E0为初始切线弹性模量；fc为回填材料28 d无侧限抗压强度。

4结论

利用试验手段对建筑垃圾流动化回填材料的流动性(流动度、泌水率)，力学性能(无侧限抗压强度、应力应变曲线、本构方程、弹性模量)进行研究，具体结论如下：

1)建筑垃圾回填材料的流动度受水固比影响较大，两者接近线性关系。

2)回填材料泌水率受水固比和流动度影响较大，流动度在200～250 mm以内，回填材料的泌水率变化范围在4%～8%之间，流动度超过250 mm，泌水率在8%以上。

3)回填材料抗压强度与灰砂比和水固比之间存在幂指数形式的关系。

5)试验设计的3个灰砂比建筑垃圾回填材料的弹性模量范围在100～400 MPa之间，承载力高于压实土。

6)建立了回填材料28 d无侧限抗压强度与弹性模量之间的关系方程，为利用抗压强度计算回填材料模量提供了依据。

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(编辑王秀玲)

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

基金项目：国家科技支撑计划(2014BAC07B03)；国家自然科学基金(51278016)

作者简介：魏建军(1973-)，男，博士(后)，主要从事路面结构与材料研究，(E-mail)weijianjun1116@163.com。

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

中图分类号：TU52；U416．212

文献标志码：A

文章编号：1674-4764(2016)03-0096-08

张金喜(通信作者)，男，教授，博士生导师，(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.