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

中圖分類號：TU52；U416.212

文獻標志碼：A 文章編號：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。

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

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。

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?；疑氨龋╟ement-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。

2.2 單軸壓縮試驗

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，無需振搗。48 h后試件脫模，放入標養(yǎng)室養(yǎng)生28 d后進行單軸抗壓試驗。為了得到抗壓試件的應力應變全曲線，采用UTM-100型萬能材料試驗機進行加載，測試試件的應力應變曲線和破壞荷載。加載方式按《公路土工試驗規(guī)程》JTG E40—2007中T0148中的規(guī)定進行。

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。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)據放到一起進行分析（如圖6）。將圖6中數(shù)據進行相關分析，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。

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）。

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））。

3.4 應力應變全曲線分析

圖8中曲線是對52個試件的試驗曲線整理后得到的回填材料典型應力應變曲線。根據曲線特點可將其分成5個階段：OA、AB、BC、CD和D段后。A點是過O點切線與曲線的交點；B點是曲線的峰值點；C點和D點為曲線下降段中直線部分延伸與下降段曲線的交點。OA段中應變與應力按比例增加，材料表現(xiàn)為彈性。AB段中，應力隨應變的增加而增加，應變增加速率大于應變的。材料表現(xiàn)為彈塑性。在接近峰值點B時，會有裂縫出現(xiàn)。裂縫一般為縱向裂縫或斜裂縫（如圖9（a））。BC段中，應力隨應變增加而下降，但下降緩慢。試件中裂縫數(shù)量不斷增加。CD段為應力隨應變按比例下降階段。此時裂縫數(shù)量基本恒定但裂縫寬度不斷增加（如圖9（b））。曲線過了D點以后，試件裂縫已經張開到一定程度，應力隨應變增加變化很小，但試件沒有完全破碎（如圖9（c）），仍有很小的殘余強度。

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）。可見，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。

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。

4）利用混凝土的本構關系模型對回填材料的應力應變曲線進行擬合，通過調整參數(shù)得到適用于回填材料的本構關系模型。

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。

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（編輯 王秀玲）