再生砖瓦骨料混凝土力学性能影响因素的分析

薛 飞 王永霖 崔艳玲 河南省建科院工程检测有限公司（450000） 河南省建筑科学研究院有限公司（450000）

0 引言

随着我国城市化进程的不断加快，新农村建设工作的不断深入，旧村改造、新村建设工作的相继铺开，城乡大量的房屋被拆迁，房屋拆迁产生的碎砖瓦废弃物也空前增加。目前，我国所拆除的房屋中砖混结构的房屋较多，拆迁垃圾废弃物主要由碎砖瓦组成，烧结砖瓦废料初步预计已达总建筑垃圾量的 30%～50%[1]。

大量的碎砖瓦废弃物引发的环境问题和社会公害很多，如将其资源化再生利用，将碎砖瓦破碎处理成为再生骨料，用来配置中低强度的混凝土，即形成轻骨料再生混凝土。这种混凝土具有质量轻、应用范围广、耐久性高等优点。废弃物再利用一方面可以解决大量碎砖瓦废弃物处理困难和由此引发的对环境的负面影响等问题，同时节省了大量的垃圾清运费用和处理费用；另一方面可以减少对天然砂石的开采，保护生态环境，促进社会的协调、可持续发展。

再生混凝土是再生骨料混凝土的简称，是指将废弃的混凝土块、废弃烧结砖瓦块经过破碎、清洗、分级后，按一定的比例与级配混合形成的再生混凝土骨料，简称再生骨料，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 对再生骨料进行分类

1.1 按再生骨料的来源分类

在现实生活中，大多数再生骨料来源于建筑垃圾。表1列出了不同结构形式的建筑工地中建筑施工废弃物的组成比例，其中砖混、框架及框架一剪力墙结构的单位建筑面积产生的施工废料的数量分别为 50～200kg/m2、45～150kg/m2、40～150kg/m2[2]。

表1 建筑施工废料的数量和组成

其中，P为施工废弃物组成比例，K为施工废弃物主要组成部分占材料购买量的比例，Z为框架结构建筑物中各种废弃物成本占总废弃物成本的比例。

1.2 按再生骨料的粒度分类

参照普通混凝土骨料的分类方法对再生混凝土骨料进行分类。

目前，许多研究者根据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52—2006）的规定，将再生骨料按粒径值分为粒径大于5mm的再生粗骨料、粒径在0.16～5.0mm的再生细骨料及在破碎过程中由水泥浆等易碎物料所产生的粒径小于0.08mm（也有认为小于 0．15mm）的再生微粉[3]。

1.3 按再生骨料的用途分类

按照再生骨料的用途可以将其分为制备混凝土再生骨料、制备砖和砌块等墙材再生骨料、制备水泥再生骨料等。

1.4 按再生骨料的质量等级分类

上世纪90年代，日本颁布了《再生混凝土材料质量试行条例》，把吸水率和坚固性作为再生骨料的指标，并以此划分再生骨料的质量等级，见表2。

表2 日本再生骨料质量等级

2 试验

2.1 试验原材料

试件制作所选用的材料均为河南省常用工程建设材料，各材料技术指标符合国家、行业规范对材料参数的要求：

水泥选用P·O42.5，性能符合GB175—2007的标准要求，厂家为河南天瑞水泥；

砂采用Ⅱ区中砂，产地为河南荥阳；

拌和用水为自来水；

再生砖瓦骨料选用粒径为5～20mm连续级配，并用与拌和混凝土相同水灰比的水泥浆对其进行包裹强化处理，其中各种级配的混合比例见表3。本试验用再生砖瓦骨料全部取代天然粗骨料。

表3 不同粒径砖瓦骨料的配制比例

2.2 试件制作及养护

参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081—2002，文章立方体抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、轴心抗压强度及弹性模量试验试件规格分别为 100mm×100mm×100mm、150mm×150 mm×150mm 和 100mm×100mm×300mm。 混凝土均采用静置24h后编号拆模，拆模后的试件放在相对温度（20℃±2℃）、相对湿度不小于95%环境下人工拌和，标准钢模成型，振动台振捣密实。浇注时将混凝土拌和物一次、快速装入试模，养护室养护至28d龄期。

2.3 仪器设备

本试验所用测试力学性能的试验设备（主要为微机控制电液伺服压力试验机HUT-206A，量程0～2000kN）。均为经过检定且运行正常的试验设备。

3 试验方案设计

3.1 再生砖瓦骨料混凝土的正交试验

设计参照 《普通混凝土配合比设计规程》JCJ 55—2011，考虑到水灰比、砂率、用水量等因素有可能对再生砖瓦骨料混凝土的强度值产生影响，因此配合比设计采用正交试验设计进行互掺，选取水灰比、砂率、单位用水量3个因素，每个因素有4个变化值，即 4个水平，取L16(43)正交表，如表4、表5所示，以模拟实际工程中废弃砖瓦骨料混凝土的组成和现场混凝土组成不同的变动情况。

表4 正交试验设计因素-水平表

3.2 再生砖瓦骨料混凝土试件的制作及养护

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081—2002进行各组再生砖瓦骨料混凝土的拌和物成型、养护等。将再生砖瓦骨料提前用水泥浆包裹强化处理后，晾晒至饱和面干状态，采用容量为60L的搅拌机搅拌，搅拌4～6min后测其坍落度。然后将拌和物一次装入试模，采用振动台成型。24h后拆模，放入标准养护室养护至龄期，测试再生砖瓦骨料混凝土的其他性能。

3.3 再生砖瓦骨料混凝土力学性能的试验方法

再生砖瓦骨料混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量试验均按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081—2002进行。

表5 再生砖瓦混凝土分组设计

4 试验结果分析

4.1 极差分析法

试验测试结果见表6，在完成试验数据收集后，对试验结果进行极差分析。极差分析就是在考虑A因素时，认为其他因素对结果的影响是均衡的，从而认为A因素各水平的差异是由于A因素本身引起的。文章分别计算水灰比A、砂率B、单位用水量C对再生砖瓦骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量影响的极差值，如表7所示，极差大的说明它在三个水平之间变化时对所测指标造成的影响大，通常认为是重要因素。

表6 各因素对试验结果的极差分析

由极差表7可以看出：

影响再生砖瓦骨料混凝土抗压强度的因素的主次顺序是A、B、C，即水灰比、砂率、单位用水量；

影响再生砖瓦骨料混凝土劈裂抗拉强度、弹性模量的因素的主次顺序是A、C、B，即水灰比、单位用水量、砂率；

水灰比A是影响再生砖瓦骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量的主要因素，而砂率B、单位用水量C对再生砖瓦骨料混凝土这三个力学性能指标的影响并不大。

4.2 方差分析法

极差分析方法的优点是简便、工作量小，缺点是判断因素效应的精度差，且试验条件改变所引起的数据波动和由试验误差所引起的数据波动没有严格区分开来，也没有提供一个标准判断所考查因素的作用是否显著。因此，为了弥补这些不足，我们采用方差分析的方法，通过普通因素显著性检验判别各因素对指标的显著性影响大小，计算结果见表8、表 9。

方差分析法是将因素水平的变化所引起的试验结果的差异与误差波动所引起的试验结果间的差异区分开来的一种统计检验的数学方法。通常认为：

对于 α=0．05，若 F0.05＜FA＜F0.01，则说明因素 A 显著；

对 α=0．01，若 FA＞F0.01，则说明因素 A 高度显著；

若 F0.05＞FA＞F0.1，则说明因素 A 有一定影响；

FA＜F0.1，则因素A无显著性影响。

表7 抗压强度方差分析表

从表 7 可以看出，F0.05＜FA＜F0.01，FC＜FB＜F0.1。

各因素影响抗压强度的主次因素依次为：水灰比、砂率、单位用水量，这与极差分析的结果完全一致。

水灰比对抗压强度的影响显著，而砂率、单位用水量对抗压强度的影响较弱。

表8 弹性模量方差分析表

从表 8 可以看出，F0.1＜FA＜F0.05，FB＜FC＜F0.1。

各因素影响劈裂抗拉强度的主次因素依次为：水灰比、单位用水量、砂率，这与极差分析的结果完全一致。

水灰比对劈裂抗拉强度的影响一般，砂率、单位用水量对劈裂抗拉强度的影响均较弱。

从表 9 可以看出，FB＜FC＜FA＜F0.1。

各因素影响弹性模量的主次因素依次为：水灰比、单位用水量、砂率，这与极差分析的结果完全一致；水灰比、砂率、单位用水量对弹性模量的影响均较弱。

表9 劈裂抗拉强度方差分析表

3 结论

废弃砖瓦骨料配制再生混凝土的力学性能和影响力学性能的因素有水灰比、砂率、单位用水量。在试验设计上分别用了两种方法：极差分析法和方差分析法。用这两种试验方法作为对比，得出的结论一致：影响再生砖瓦骨料混凝土抗压强度的因素的主次顺序是水灰比、砂率、单位用水量；影响再生砖瓦骨料混凝土劈裂抗拉强度、弹性模量的因素主次顺序是水灰比、单位用水量、砂率。

由此可见，水灰比是影响再生砖瓦骨料混凝土力学性能的主要因素，在劈裂抗拉强度和弹性模量的影响因素上，单位用水量的影响要大于砂率。