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摘要：建筑垃圾清运和堆放过程中易造成粉尘、污染大气、占用耕地、污染土壤。但建筑垃圾中也含有各种资源，实现建筑垃圾资源化是可持续发展的趋势，将建筑垃圾用作再生骨料是一个主要研究方向。本文分析了水胶比、建筑垃圾再生粗砂取代率和粉煤灰取代率对砂浆性能的影响，并通过正交层次分析、方差分析和综合评分法，得出再生砂浆的最佳配合比。
关键词：建筑垃圾；再生混合砂；砂浆性能；正交试验
当前，我国正处于基础建设蓬勃发展时期，每年大量的施工建设和拆迁改造工程不可避免地产生数亿吨建筑垃圾，如不尽快加以处理和利用，必将给社会、环境和资源带来不利影响。因此，建筑垃圾资源化利用问题已得到社会各界的高度关注。另外，建筑垃圾破碎后不仅会产生再生粗骨料，也会产生数量可观的再生细骨料。所以，如何有效利用这些细骨料成为摆在人们面前必须妥善解决的问题。
一、建筑垃圾的危害
建筑垃圾指人们在从事拆迁、建设、装修、修缮等建筑业的生产活动中产生的渣土、废旧混凝土、废旧砖石及其他废弃物的统称。按产生源分类，建筑垃圾可分为工程渣土、装修垃圾、拆迁垃圾、工程泥浆等；按组成成分分类，建筑垃圾中可分为渣土、混凝土块、碎石块、砖瓦碎块、废砂浆、泥浆、沥青块、废塑料、废金属、废竹木等。另外，建筑垃圾并不是真正的垃圾，而是放错了地方的“黄金”，建筑垃圾经分拣、剔除或粉碎后，大多可作为再生资源重新利用。
二、原材料与试验方法
1、原材料。
水泥：选用P·O42.5级普通硅酸盐水泥。
砂：采用废砖再生粗砂和特细砂掺配得到的废砖再生混合砂。废砖再生粗砂由房屋拆迁过程中产生的废砖，经分拣、清洗和晒干后，由颚式破碎机破碎而得粒径为0.15～4.75mm的颗粒。特细砂为某黄河特细砂。
粉煤灰：该地区火电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，需水量比为98.6%。其他技术指标符合Ⅱ级粉煤灰的技术要求。试验用水为本地自来水。
2、正交试验设计与试验方法。本试验共3个因素，每个因素设定3个水平。废砖再生混合砂砂浆配合比采用的因素水平安排，见表1。
表1 因素水平表
对试验结果进行正交试验层次分析，得到因素极差及各因素各水平对砂浆稠度、抗压强度和抗折强度的影响权重，见表4。
表4 极差及影响权重表
极差的大小可衡量试验中相应因素对试验指标影响的大小。极差大的因素，说明其对考核指标所造成的差别大，故通常是重要因素，而极差小的因素，则往往是不重要的因素。某因素不同水平的影响权重反应了该因素水平的变化对试验指标影响的大小，同时各因素对试验结果影响程度由各水平影响权重之和的大小决定。
四、分析与讨论
1、稠度结果分析与讨论。由正交试验层次分析得出三因素的各水平对建筑垃圾再生混合砂砂浆稠度的影响权重，由其结果可知，对建筑垃圾再生混合砂砂浆的流动性影响顺序为：水胶比>建筑垃圾再生粗砂取代率>粉煤灰取代率。建筑垃圾再生混合砂砂浆的流动性随水胶比和粉煤灰取代率的增大而增大，随建筑垃圾再生粗砂取代率的增大而减小。在试验影响因素变化范围内，使建筑垃圾再生混合砂砂浆流动性最大的最优配比为A3B1C3。结果与极差分析一致。
水胶比对建筑垃圾再生混合砂砂浆的流动性影响特别显著。随着水胶比的增大，砂浆流动性增大。砂浆的流动性主要取决于浆骨比和胶凝材料浆体的稠度，水胶比增大胶凝材料浆体变稀，浆体粘度下降，流动性增强。
建筑垃圾再生混合砂取代率对砂浆流动性的影响特别显著。随着取代率的增大，砂浆流动性降低。原因在于：①建筑垃圾再生混合砂表面粗糙，多棱角，流动阻力大；②再生骨料内部孔隙率高，破碎过程中又会引起损伤裂纹，颗粒表面多孔，故吸水率高，骨料吸附了部分水，降低了水胶比，即增大了胶凝材料浆体的粘度，使砂浆流动性降低：③再生骨料，特别是强度相对较低的废砖再生骨料，相对特细砂而言，其颗粒表面含大量微粉，微粉的存在增大了总表面积，需要更多的水泥浆包裹，故包裹骨料表面的水泥浆层变薄，砂浆流动性降低。
粉煤灰取代率对建筑垃圾再生混合砂砂浆的流动性影响较小，随着粉煤灰取代率的增大，砂浆流动性有增大趋势。
2、抗压强度结果分析与讨论。由正交试验层次分析得出三因素的各水平对建筑垃圾再生混合砂砂浆抗压强度的影响权重，由其结果可知，对建筑垃圾再生混合砂砂浆的抗压强度，影响顺序为：水胶比>粉煤灰取代率>建筑垃圾再生粗砂取代率。建筑垃圾再生混合砂砂浆的抗压强度随水胶比和粉煤灰取代率的增大而减小，随着建筑垃圾再生粗砂取代率的增大而增大。在试验影响因素变化范围内。使建筑垃圾再生混合砂砂浆抗压强度最大的最优配比为A1B3C1。结果与极差分析一致。
水胶比对建筑垃圾再生混合砂砂浆抗压强度的影响显著，随着水胶比的增大，砂浆抗压强度降低。原因是水胶比增大水泥石的强度降低，水泥石和骨料界面的粘结强度也相应降低，而砂浆试件的破坏主要是源于水泥石和界面过渡区的破坏，而很少发生骨料的破坏。因此，水胶比增大，砂浆抗压强度明显下降。
建筑垃圾再生混合砂取代率对建筑垃圾再生混合砂砂浆抗压强度有一定的影响，砂浆的抗压强度随着取代率的增大而增大。骨料在砂浆中起骨架作用，在所选掺量范围内，随着取代率的增大，骨料级配越好，形成的骨架越密实，有利于砂浆强度的提高。再生骨料表面粗糙、多棱角，相对特细砂而言，与水泥石具有更好的啮合力，从而提高了砂浆的强度。再生骨料的高吸水率降低了水灰比，改善了界面过渡区的性能，从而提高了砂浆强度。
粉煤灰取代率对建筑垃圾再生混合砂砂浆的抗压强度影响显著。随粉煤灰取代率的提高，砂浆抗压强度降低。原因是随着粉煤灰取代率的增大，水泥用量减少，而粉煤灰的活性小于水泥的活性。
3、抗折强度结果分析与讨论。由正交试验层次分析得出三因素的各水平对建筑垃圾再生混合砂砂浆抗折强度的影响权重，由其结果可知，对建筑垃圾再生混合砂砂浆的抗折强度，影响顺序为：水胶比>粉煤灰取代率>建筑垃圾再生粗砂取代率。建筑垃圾再生混合砂砂浆的抗折强度随水胶比和粉煤灰取代率的增大而减小，随建筑垃圾再生粗砂取代率的增大而增大。在试验影响因素变化范围内，使建筑垃圾再生混合砂砂浆抗折强度最大的最优配比为A1B3C1。结果与极差分析一致。
砂浆的抗折强度主要取决于砂浆的抗拉强度，抗拉强度主要取决于水泥石的抗拉强度和水泥石与骨料表面的粘结强度及砂浆硬化后的致密程度等。水胶比对建筑垃圾再生混合砂砂浆的抗折强度影响显著，随着水胶比的增大，砂浆抗折强度显著降低。原因是随着水胶比增大，硬化水泥石的抗拉强度降低，同时，水泥石和骨料的界面粘结强度降低，使砂浆抗折强度降低。另外，水胶比增大，由于泌水沉降作用，多余的水分更易在骨料下聚集形成水囊，并随着砂浆的凝结硬化在骨料下形成空隙，多余的水分还会形成大量泌水通道，砂浆硬化后形成连通的孔隙，砂浆试件受拉时在孔洞处易形成应力集中，从而使砂浆抗折强度显著下降。
五、最优配合比
综上所述，各因素对不同指标（稠度、抗压强度、抗折强度）的影响程度不尽相同，有时甚至互相矛盾，若为达到较好的流动性，所需水胶比在常用水胶比范围内一般越大越好；而提高强度所需水胶比在常用水胶比范围内一般越小越好。因此，各指标达到较优值所对应的优选配合比一般不相同，所以根据正交试验结果采用综合评分法进行各指标相互协调、同时达到较优值的最优配合比确定过程如下。
对普通砂浆和混凝土而言，拌合物的和易性和硬化后强度是首要考察指标，且一般在工程中主要利用其抗压强度。因此，主要以稠度、28d抗压强度和28d抗折强度三个指标的正交试验结果为依据。通过综合评分法确定最优配合比，每次试验评分结果和以综合评分作为总指标进行直观分析，其算法如下。
正交试验考察稠度、28d抗压强度和28d抗折强度三个指标，采用L9（34）正交表共9个配合比，做了9次试验。每个指标都得到9个试验结果（即为该指标的论域U），不同试验结果即为U中的任一元素，令A（）表示模糊集“砂浆性能好”的隶属函数，A表示模糊集“砂浆性能好”，由于本试验3个指标皆越大越好，故当取U中最小值时，A（）=0，表明不属于模糊集A（即“砂浆性能不好”），当取U中最大值时，A（）=1表明完全属于A（即“砂浆性能好”），当试验结果中的最小值<<试验结果中的最大值时，0<A（）<1，且越接近试验结果中的最大值，即A（）越接近1，属于A的程度就越高。因此，某指标各试验结果对A（即“砂浆性能好”）隶属度A（）按公式（1）计算。
（1）
由式（1）可见，指标试验结果最大值的隶属度A（）为1，最小值的隶属度A（）为0，所以0≤指标隶属度A（）≤1。根据理论知识和实践经验取稠度、28d抗压强度和28d抗折强度的权重分别为0.4、0.4和0.2。则废弃混凝土再生混合砂砂浆每次试验的综合评分按式（2）计算：
每次试验综合评分=稠度隶属度×0.4+28d抗压强度隶属度×0.4+28d抗折强度隶属度×0.2（2）
若选取稠度、28d抗压强度和28d抗折强度的权重分别为0.3、0.4和0.3。用上述方法得到的因素主次顺序为：A（水胶比）>C（粉煤灰取代率）>B（废弃混凝土再生粗砂取代率），得到的最优组合为A：B：C=1：3：1，由此带来的砂浆流动性低的问题可通过增加由于再生骨料吸水率高引起的附加水来解决。
六、结语
总之，将建筑垃圾加工成再生骨料，与特细砂掺配成废砖再生混合砂，并将其用于配制废砖再生混合砂砂浆，既可减少天然骨料资源的消耗，又能减少建筑垃圾对土地的占用及对大气、水源和土壤的污染，还能利用特细砂资源，符合骨料“就地取材”的原则，更符合可持续发展的要求，具有较好的社会、经济和环境效益。
参考文献：
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[3]刘俊华，刘凤利，张承志.建筑垃圾再生混合砂砂浆性能正交试验研究[J].混凝土与水泥制品，2014（01）.
论文作者:赵军,冯超
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/30
标签：砂浆论文; 垃圾论文; 骨料论文; 建筑论文; 抗压强度论文; 强度论文; 正交论文; 《防护工程》2019年第4期论文;