再生磚瓦骨料混凝土力學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有限公司（450000） 河南省建筑科學研究院有限公司（450000）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，新農村建設工作的不斷深入，舊村改造、新村建設工作的相繼鋪開，城鄉大量的房屋被拆遷，房屋拆遷產生的碎磚瓦廢棄物也空前增加。目前，我國所拆除的房屋中磚混結構的房屋較多，拆遷垃圾廢棄物主要由碎磚瓦組成，燒結磚瓦廢料初步預計已達總建筑垃圾量的 30%～50%[1]。

大量的碎磚瓦廢棄物引發的環境問題和社會公害很多，如將其資源化再生利用，將碎磚瓦破碎處理成為再生骨料，用來配置中低強度的混凝土，即形成輕骨料再生混凝土。這種混凝土具有質量輕、應用范圍廣、耐久性高等優點。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的對環境的負面影響等問題，同時節省了大量的垃圾清運費用和處理費用；另一方面可以減少對天然砂石的開采，保護生態環境，促進社會的協調、可持續發展。

再生混凝土是再生骨料混凝土的簡稱，是指將廢棄的混凝土塊、廢棄燒結磚瓦塊經過破碎、清洗、分級后，按一定的比例與級配混合形成的再生混凝土骨料，簡稱再生骨料，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 對再生骨料進行分類

1.1 按再生骨料的來源分類

在現實生活中，大多數再生骨料來源于建筑垃圾。表1列出了不同結構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構的單位建筑面積產生的施工廢料的數量分別為 50～200kg/m2、45～150kg/m2、40～150kg/m2[2]。

表1 建筑施工廢料的數量和組成

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買量的比例，Z為框架結構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再生混凝土骨料進行分類。

目前，許多研究者根據《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ52—2006）的規定，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的再生細骨料及在破碎過程中由水泥漿等易碎物料所產生的粒徑小于0.08mm（也有認為小于 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 按再生骨料的質量等級分類

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

表2 日本再生骨料質量等級

2 試驗

2.1 試驗原材料

試件制作所選用的材料均為河南省常用工程建設材料，各材料技術指標符合國家、行業規范對材料參數的要求：

水泥選用P·O42.5，性能符合GB175—2007的標準要求，廠家為河南天瑞水泥；

砂采用Ⅱ區中砂，產地為河南滎陽；

拌和用水為自來水；

再生磚瓦骨料選用粒徑為5～20mm連續級配，并用與拌和混凝土相同水灰比的水泥漿對其進行包裹強化處理，其中各種級配的混合比例見表3。本試驗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 試件制作及養護

參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2002，文章立方體抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗、軸心抗壓強度及彈性模量試驗試件規格分別為 100mm×100mm×100mm、150mm×150 mm×150mm 和 100mm×100mm×300mm。 混凝土均采用靜置24h后編號拆模，拆模后的試件放在相對溫度（20℃±2℃）、相對濕度不小于95%環境下人工拌和，標準鋼模成型，振動臺振搗密實。澆注時將混凝土拌和物一次、快速裝入試模，養護室養護至28d齡期。

2.3 儀器設備

本試驗所用測試力學性能的試驗設備（主要為微機控制電液伺服壓力試驗機HUT-206A，量程0～2000kN）。均為經過檢定且運行正常的試驗設備。

3 試驗方案設計

3.1 再生磚瓦骨料混凝土的正交試驗

設計參照 《普通混凝土配合比設計規程》JCJ 55—2011，考慮到水灰比、砂率、用水量等因素有可能對再生磚瓦骨料混凝土的強度值產生影響，因此配合比設計采用正交試驗設計進行互摻，選取水灰比、砂率、單位用水量3個因素，每個因素有4個變化值，即 4個水平，取L16(43)正交表，如表4、表5所示，以模擬實際工程中廢棄磚瓦骨料混凝土的組成和現場混凝土組成不同的變動情況。

表4 正交試驗設計因素-水平表

3.2 再生磚瓦骨料混凝土試件的制作及養護

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2002進行各組再生磚瓦骨料混凝土的拌和物成型、養護等。將再生磚瓦骨料提前用水泥漿包裹強化處理后，晾曬至飽和面干狀態，采用容量為60L的攪拌機攪拌，攪拌4～6min后測其坍落度。然后將拌和物一次裝入試模，采用振動臺成型。24h后拆模，放入標準養護室養護至齡期，測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性能的試驗方法

再生磚瓦骨料混凝土試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量試驗均按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2002進行。

表5 再生磚瓦混凝土分組設計

4 試驗結果分析

4.1 極差分析法

試驗測試結果見表6，在完成試驗數據收集后，對試驗結果進行極差分析。極差分析就是在考慮A因素時，認為其他因素對結果的影響是均衡的，從而認為A因素各水平的差異是由于A因素本身引起的。文章分別計算水灰比A、砂率B、單位用水量C對再生磚瓦骨料混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強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水平之間變化時對所測指標造成的影響大，通常認為是重要因素。

表6 各因素對試驗結果的極差分析

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度、劈裂抗拉強度、彈性模量的主要因素，而砂率B、單位用水量C對再生磚瓦骨料混凝土這三個力學性能指標的影響并不大。

4.2 方差分析法

極差分析方法的優點是簡便、工作量小，缺點是判斷因素效應的精度差，且試驗條件改變所引起的數據波動和由試驗誤差所引起的數據波動沒有嚴格區分開來，也沒有提供一個標準判斷所考查因素的作用是否顯著。因此，為了彌補這些不足，我們采用方差分析的方法，通過普通因素顯著性檢驗判別各因素對指標的顯著性影響大小，計算結果見表8、表 9。

方差分析法是將因素水平的變化所引起的試驗結果的差異與誤差波動所引起的試驗結果間的差異區分開來的一種統計檢驗的數學方法。通常認為：

對于 α=0．05，若 F0.05＜FA＜F0.01，則說明因素 A 顯著；

對 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 抗壓強度方差分析表

從表 7 可以看出，F0.05＜FA＜F0.01，FC＜FB＜F0.1。

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

水灰比對抗壓強度的影響顯著，而砂率、單位用水量對抗壓強度的影響較弱。

表8 彈性模量方差分析表

從表 8 可以看出，F0.1＜FA＜F0.05，FB＜FC＜F0.1。

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

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

從表 9 可以看出，FB＜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，這與極差分析的結果完全一致；水灰比、砂率、單位用水量對彈性模量的影響均較弱。

表9 劈裂抗拉強度方差分析表

3 結論

廢棄磚瓦骨料配制再生混凝土的力學性能和影響力學性能的因素有水灰比、砂率、單位用水量。在試驗設計上分別用了兩種方法：極差分析法和方差分析法。用這兩種試驗方法作為對比，得出的結論一致：影響再生磚瓦骨料混凝土抗壓強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性能的主要因素，在劈裂抗拉強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。