一种混凝土再生碎石骨料的分级方法

摘要

本发明公开了一种混凝土再生碎石粗骨料的分级方法，包括如下步骤：1)根据现有规范要求，初步确定评价再生碎石粗骨料性能的评估指标；然后采用统计学分析方法，确定筛选后的评估指标；2)根据筛选后的评估指标，进一步结合强度评价手段，划分不同评估指标类型的等级区段；3)根据筛选后的评估指标对再生碎石粗骨料进行相关评估指标的性能测试，得再生碎石粗骨料的性能评价参数；并根据步骤2)所得等级区段，实现对混凝土再生碎石粗骨料的快速、高效分级。本发明提供的多层次划分再生碎石粗骨料质量的联合分级标准，可有效指导各等级下再生碎石粗骨料在实际工程中的快速、高效应用。

说明书

技术领域

本发明属于建筑固废再生应用技术领域，具体涉及一种再生碎石骨料的分级方法。

背景技术

自二十世纪中叶以来，我国的建筑与交通行业迅猛发展，天然碎石需求量呈上升态势，与此同时，一些老旧的建筑、道路、桥梁等混凝土设施经拆除之后产生了大量的建筑固废，据相关资料统计，我国每年产生的建筑垃圾超过35亿吨，并以每年10％的速度增长。我国的建筑业面临着两个主要方面的问题：一是天然碎石资源匮乏；二是产生大量的建筑垃圾被运往城市周边简单填满或露天处理，对环境带来了严重污染。对废弃混凝土的再生利用的研究有重大意义，既可以缓解资源困乏的问题，也可以解决建筑垃圾填满堆放问题，改善生态环境。

国外发达国家对废旧混凝土的再生利用研究相对较早，对再生骨料分级研究已取得较好的成果，并制定了相关的再生骨料质量标准和规范。(RILEM)国际材料与结构研究实验室联合会，通过测量再生粗骨料吸水率、表观密度、有机物含量对再生粗骨料进行分级；日本在1994年颁布《再生混凝土材料质量试行条例》，通过压碎指标和吸水率对其进行分级；丹麦在1990年颁布法规修正案，依据回收的混凝土强度进行分级；BS(英国标准)和ASTM也对应用于不同工程的再生骨料各项指标进行了划分，主要划分指标为最低表观密度、最大吸水率、最大针片状含量、最大冲击值、最大氯含量、最大硫酸盐含量。

我国现行的《GB 25177-2010混凝土用再生粗骨料》规范，对微粉和泥块含量、吸水率、针片状含量、有害物质含量、杂物含量、坚固性、压碎指标、表观密度和空隙率各单指标下的再生骨料进行了等级划分，但指标太多，实际分级起来操作复杂，不利于工程实践，也未对各等级下的再生粗骨料的工程应用实践做出指导。综于以上几点，制定一套适用于工程实践，能够对再生粗骨料筛分优选，并对再生粗骨料适用范围的有指导作用的分级方法有重大意义，进一步促进再生骨料在混凝土中的使用，提高再生混凝土的利用层次和比率。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有再生碎石粗骨料质量等级的指标过多、区间划分不明确，缺乏具有工程指导作用的等级划分方法等问题和不足，提供一种简便、高效的再生碎石骨料的分级方法，基于指标相关、显著性性分析，对现行规范中指标进行筛选，并采用概率统计的方法，提供一种多层次的划分再生碎石粗骨料质量的联合分级标准，可有效指导各等级下再生碎石粗骨料在实际工程中的应用，有效解决当前利用再生粗骨料所得再生混凝土在结构层次应用率低等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种混凝土再生碎石粗骨料的分级方法，包括如下步骤：

1)根据现有规范要求，初步确定评价再生碎石粗骨料性能的评估指标；然后采用统计学分析方法，确定筛选后的评估指标；

2)根据筛选后的评估指标，进一步结合强度评价手段，划分不同评估指标类型的等级区段；

3)根据筛选后的评估指标对再生碎石粗骨料进行相关性能测试，得再生碎石粗骨料的性能评价实测参数；再根据所得实测参数和步骤2)所得等级区段，实现对混凝土再生碎石粗骨料的快速、高效分级。

上述方案中，步骤1)所述统计学分析方法包括指标相关性和显著性分析；具体分析步骤如下：

1)对初步确定的评估指标的数据进行归一化处理，消除指标量纲不同对结果造成的影响，其中，对逆向指标采用公式(1)处理：

对正向指标采用公式(2)处理：

式中X

得到指标归一化矩阵Z

2)采用Pearson相关系数分析各种初步确定的评估指标之间(两两之间)以及初步确定的评估指标与抗压强度之间的相关性，筛选去除与抗压强度不相关(Pearson相关系数为0.4以下)的评估指标；将具有一定相关性的指标作为分级指标，在对再生粗骨料进行分级时，分级指标间具有相关性对不同分级指标落入同一或相邻等级区间是有利的；其中Pearson相关系数采用公式(4)：

其中z

3)分别建立抗压强度与剩余评估指标之间的一元线性回归方程，进一步删除回归系数较低(低于5)的评价指标，方程见式(5)：

y＝az

式中，y为抗压强度，z

4)采用权重计算对筛选得到的评价指标进行验证，具体步骤包括：

根据式(6)和式(7)计算评估指标间的冲突性T

式中，ρ

然后根据式(8)计算经步骤2)筛选得到的评估指标的信息量权重：

进一步筛选信息量权重大于20％的评估指标作为本发明采用的评估指标。

上述方案中，所述规范要求包括现行规范《GB 25177-2010混凝土用再生粗骨料》等。

上述方案中，步骤1)中初步确定的评估指标包括微粉和泥块含量、吸水率、杂物含量、坚固性、压碎指标、表观密度和空隙率等。

上述方案中，所述再生碎石粗骨料通过将废弃混凝土进行破碎、筛分至粒径为4.75(不包括4.75mm)～31.5mm(不包括31.5mm)符合规范要求的连续级配；其中杂物含量小于1％、针片状含量低于10％、有害物质含量低于规范限度。

上述方案中，所述筛选后的评估指标为表观密度、压碎指标和吸水率。

上述方案中，所述抗压强度为特定强度等级(C20、C30、C40或C50)对应标准混凝土试件标准养护28d后的抗压强度。

优选的，所述标准混凝土试块的配方要求包括：

(1)C20级标准混凝土中，各组分及其所占容重包括：水160～170kg/m

优选为：水166kg/m

(2)C30级标准混凝土中，各组分及其所占容重包括：水173～183kg/m

优选为：水178kg/m

(3)C40级标准混凝土中，各组分及其所占容重包括：水163～173kg/m

优选为：水168kg/m

(4)C50级标准混凝土中，各组分及其所占容重包括：水155～165kg/m

优选为：水160kg/m

上述方案中，步骤2)中将评估指标等级(再生碎石粗骨料质量等级)划分为：I级、II级、III级、IV级、V级5个等级；所述强度等级依据再生混凝土相较于普通混凝土强度损失率划分，I级＜5％，II级＜10％，III级＜20％，IV级＜30％，V级≥30％。

上述方案中，步骤2)中所述指标类型的等级区段划分方法包括如下步骤：根据各等级再生碎石粗骨料在百分百取代率条件下制得的再生混凝土相较于天然混凝土在28d标准养护下的强度损失率，并采用概率统计方法对不同评估指标类型的等级区段进行划分；其中再生混凝土和天然混凝土采用的配方体系采用标准混凝土试块要求；再生混凝土采用的骨料为再生碎石粗骨料，天然混凝土采用的骨料为级配相同的天然骨料。

上述方案中，利用概率统计方法划分等级区段的步骤包括：首先将强度损失率等级划分为[0～5)％(I级)、[5～10)％(II级)、[10～20)％(III级)和[20～30)％(IV级)这四个等级，分别测试利用不同评估指标(表观密度、压碎指标或吸水率)的再生粗骨料制备再生混凝土时相对天然混凝土的强度损失率，得到对应散点数据；按照统计在不同强度损失率等级条件下，各个评价指标区间之间的散点数量占比(占总散点数量的百分比)首次超过60％的评估指标对应的数值(对应区间的上限值)作为对应的等级区段端值。

上述方案中，所述划分等级区段的步骤具体包括：首先针对[0～5)％的强度损失率等级要求，将首次累计散点数量占比超过60％对应吸水率区间的上限值作为I级评估指标的等级划分端值；再依次确定II级～IV级评估指标的等级划分端值，以前一等级的等级划分端值为起点，将后续散点数量占比之和首次超过60％对应吸水率区间的上限值作为该等级级评估指标的等级划分端值；最后以IV级等级划分端值以上的取值要求作为V级评估指标的划分要求。

进一步地，当对表观密度进行等级划分时，由于混凝土的强度损失率整体随表观密度的增加而降低，因此，表观密度按表观密度递减的趋势进行等级划分，且对中以小于以IV级等级划分端值的取值要求作为V级表观密度评的划分要求。

上述方案中，所述不同评估指标类型的等级区段要求为：

(1)表观密度；I级，＞2600kg/m

(2)压碎指标；I级，＜9％；II级，＜12％；III级，＜15％；IV级，＜20％；V级，≥20；

(3)吸水率；I级，＜2％；II级，＜3％；III级，＜6％；IV级，＜8％；V级，≥8。

上述方案中，以三类评价指标中等级最差的一项作为该批次再生粗骨料的质量等级。

进一步地，当表观密度取值2450～2600kg/m

进一步地，根据步骤2)所得等级区段，可进一步划定再生碎石粗骨料适用的工程强度混凝土的范围，具体包括：I级适用于C50及以下混凝土；II级适用于C40及以下混凝土；III级适用于C30及以下混凝土；IV级适用于C20及以下混凝土；V级适用于非结构混凝土。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明首先基于现行规范初步确定评价再生碎石粗骨料性能的评估指标，采用相关性、显著性分析并结合再生碎石粗骨料在各指标下的分布特点对评估指标进行筛选，筛选得到的评价指标，既符合实际也为工程实践带来便利；

2)本发明在筛选评价指标的基础上，进一步基于同配合比再生混凝土相较于天然混凝土的强度损失率并结合概率统计划分手段，进一步划定再生骨料的等级区间，划分的等级区间有利于工程实践，可简便、快速、高效地指导再生骨料的实际工程应用；

3)本发明进一步给出了各等级下再生粗骨料所能制得混凝土的强度范围，对指导工程实践有重要意义，有效促进再生碎石粗骨料在混凝土中的高效应用，提高再生混凝土的利用层次和比率。

附图说明

图1为再生粗骨料吸水率与混凝土立方体抗压强度散点图；

图2为再生粗骨料压碎指标与混凝土立方体抗压强度散点图；

图3为再生粗骨料表观密度与混凝土立方体抗压强度散点图；

图4为再生粗骨料空隙率与混凝土立方体抗压强度关系图；

图5为再生粗骨料坚固性与混凝土立方体抗压强度关系图；

图6为再生粗骨料吸水率与强度损失率的统计散点图；

图7为再生粗骨料压碎指标与强度损失率的统计散点图；

图8为再生粗骨料表观密度与强度损失率的统计散点图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中，采用的再生粗骨料来自于汉阳区建筑弃料再生材料厂、湖北惠迪再生资源开发利用有限公司的5种不同批次(分别对应实施例中的批次1、批次2、批次3、批次4和批次5)再生粗骨料，粒径为4.75～31.5mm，在实验室经筛分得到5～25mm连续级配；

采用的水泥为华新水泥鄂州有限公司生产的P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；

采用的天然细骨料为连续级配的天然河砂，粒径为0.075～4.75mm；

采用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，其固含量为20％，减水率为15％，呈淡黄色液体，购于武汉市某新材料有限公司；

以下实施例中，所述混凝土再生碎石粗骨料的分级方法包括如下步骤：

1)对再生碎石粗骨料进行破碎、筛分至粒径为4.75(不包括4.75mm)～31.5mm(不包括31.5mm)连续级配；其中杂物含量小于1％、针片状含量低于10％、有害物质含量低于规范限度；

2)根据现有规范要求，初步确定评价再生碎石粗骨料性能的评估指标，初步确定的评估指标包括微粉和泥块含量、吸水率、杂物含量、坚固性、压碎指标、表观密度和空隙率；然后采用统计学分析方法，确定筛选后的评估指标为表观密度、压碎指标和吸水率；具体分析步骤包括：

2-1)参考式(1)、式(2)和式(3)对初步确定的评估指标的数据进行归一化处理，消除指标量纲不同对结果造成的影响；然后参考式(4)采用Pearson相关系数分析各种初步确定的评估指标之间(两两之间)以及初步确定的评估指标与抗压强度之间的相关性，筛选去除与抗压强度不相关(Pearson相关系数为4以下)的评估指标，其中评估指标与混凝土立方体抗压的强度散点图分别见图1～5；各评估指标之间及其与抗压强度之间的相关性分析结果见表1；

表1各评估指标之间及其与抗压强度之间的相关性分析结果

表1可以看出，从相关性角度分析，吸水率、压碎指标与抗压强度具有较大相关性，其次是堆积密度、表观密度、坚固性；微粉含量和泥块含量与抗压强度不相关(Pearson相关系数为0.4以下)，同时，再生粗骨料经过冲洗能够显著减少这两项指标含量，故筛除这两项指标；

2-2)然后分别建立抗压强度与剩余评估指标之间(吸水率、压碎指标、抗压强度、堆积密度、表观密度、坚固性)的一元线性回归方程(式5)，所得回归系数矩阵见表2；

表2回归系数矩阵

表2结果表明，各评价指标对抗压强度影响程度大小依次为压碎指标、吸水率、表观密度、坚固性、空隙率，其中空隙率和坚固性的回归系数小于5且明显小于其它各项，故进一步筛除这两项指标；筛选压碎指标、吸水率、表观密度作为本发明所述评价指标；

2-3)评价指标的验证

分别采用权重计算和各国标准对筛选得到的评价指标进行验证，具体步骤包括：

根据式(6)和式(7)计算评估指标间的冲突性T

式中，ρ

然后根据式(8)计算剩余评估指标的信息量权重；具体计算结果见表3：

表3权重计算结果

由表3可以看出；从信息量权重角度，表观密度具有较高的权重值，其余指标大致相等，同样也具有较高的权重值；

综合以上各点，本发明筛选出吸水率、压碎指标、表观密度作为再生粗骨料分级指标；

3)据筛选后的评估指标，根据各等级再生碎石粗骨料在百分百取代率条件下制得的再生混凝土相较于天然C30级标准混凝土(具体配方见表8)在28d标准养护下抗压强度的损失率，并采用概率统计方法对不同评估指标类型的等级区段进行划分，具体的等级区段划分步骤包括：

针对吸水率指标；首先依次按强度损失率<5％(I级)、[5～10)％(II级)、[10～20)％(III级)和[20～30)％(IV级)的等级要求，分别测试不同再生粗骨料吸水率与强度损失率的对应关系(散点图见图6)，统计强度损失率(纵坐标)在各区段时对应的占比信息(具体见表4)，所包含的样本点在吸水率(横坐标)各区间上的分布占比：当强度损失率＜5％时，所包含的样本点在吸水率的(0,1),[1,2),[2,3),...,[7,8),[8,..)各区间所占比例分别为0％、64％、8％、...、0％、0％，以吸水率＜2％作为划分I级吸水率的等级划分端值；当强度损失率大于5％、小于10％时，所包含的样本点在吸水率的(0,1),[1,2),[2,3),...,[7,8),[8,..)各区间所占比例分别为0％、0％、62％、...、5％、0％，以I级吸水率的等级划分端值为起点，[2,3)区间内的总占比首次超过60％以吸水率＜3％作为划分II级吸水率的等级划分端值；当强度损失率大于10％、小于20％时，所包含的样本点在吸水率的(0,1),[1,2),[2,3),...,[7,8),[8,..)各区间所占比例分别为0％、0％、7％、22％、30％、28％、4％、7％、2％，以II级吸水率的等级划分端值为起点，[3,6)区间内的总占比首次超过60％，以吸水率＜6％作为划分III级吸水率的等级划分端值；当强度损失率大于20％、小于30％时，所包含的样本点在吸水率的(0,1),[1,2),[2,3),...,[7,8),[8,..)各区间所占比例分别为0％、0％、0％、0％、10％、13％、43％、30％、4％，以III级吸水率的等级划分端值为起点，[6,8)区间内的总占比首次超过60％，以吸水率＜8％作为划分IV级吸水率的等级划分端值；最后以剩余的≥8％的吸水率要求作为V级吸水率的划分要求。

吸水率最终划分的等级区段为(0,2),[2,3),[3,6),[6,8),[8,..)(对应的统计信息见表5)；

压碎指标、表观密度的划分步骤同吸水率指标；具体统计结果分别见表6～9。其中表观密度的划分过程中，划分II级、III级和IV级的结果相同，因此将2450～2600kg/m

其中再生混凝土和天然混凝土采用的配方体系采用标准混凝土试块要求(见表10)；再生混凝土采用的骨料为再生碎石粗骨料，天然混凝土采用的骨料为级配相同的天然骨料，划分不同评估指标类型的等级区段，具体见表11；

表4吸水率与强度损失率的概率统计结果

由图4可以看出，针对强度损失率(％)分别为<5、[5～10)、[10～20)和[20～30)的等级条件，累计占比率达60％以上的吸水率区间值端值分别为2％、3％、6％和8％；因此＜2、＜3、＜6、＜8和≥8的区段划分等级；

表5总占比达60％以上吸水率指标区段的概率统计结果

表6压碎指标与强度损失率的概率统计结果

表7总占比达60％以上压碎指标对应指标区段的概率统计结果

表8表观密度与强度损失率的概率统计结果

表9总占比达60％以表观密度指标区段的概率统计结果

表10不同等级标准混凝土的配合比

其中，各批次再生混凝土应根据再生粗骨料的吸水率添加附加水。

上述方案中，不同评估指标的等级区段见表1。

表11本发明所述混凝土再生碎石粗骨料不同评估指标的等级区段

4)筛选后的评估指标对再生碎石粗骨料进行相关性能测试，得再生碎石粗骨料的性能评价参数；并根据表1所述等级区段要求，实现对混凝土再生碎石粗骨料的快速、高效分级；具体应用实施例分别见实施例1～5。

实施例1

一种混凝土再生碎石粗骨料的分级方法，包括如下步骤：

1)对批次1再生骨料的压碎指标、吸水率、表观密度进行检测；其中压碎指标根据GB/T 14685-2011《建筑用卵石、碎石》中对应的测试方法进行，测得的结果为14.8％；吸水率根据根据GB/T 17431.2《轻集料及其试验方法》中对应的测试方法进行，测得的结果为4.8％，表观密度根据GB/T 14685-2011《建筑用卵石、碎石》表观密度测试方法中的液体比重天平法进行测试，测得的结果为2527kg/m

2)对照表9，将该批次再生骨料压碎指标为III级，吸水率为III级，表观密度介于2450～2600kg/m

实施例2

一种混凝土再生碎石粗骨料的分级方法，包括如下步骤：

1)对批次2再生骨料的压碎指标、吸水率、表观密度进行检测，检测方法与实施例1相同。其中压碎指测得的结果为17.9％；吸水率测得的结果为6.5％，表观密度测得的结果为2568kg/m

2)对照表9，该批次再生骨料压碎指标为IV级，吸水率为IV级，表观密度介于2450～2600kg/m

实施例3

一种混凝土再生碎石粗骨料的分级方法，包括如下步骤：

1)对批次3再生骨料的压碎指标、吸水率、表观密度进行检测，检测方法与实施例1相同。其中压碎指测得的结果为9.5％；吸水率测得的结果为1.97％，表观密度测得的结果为2685kg/m

2)对照表9，该批次再生骨料压碎指标为II级，吸水率为I级，表观密度为I级。以分级指标中等级最差的一项作为该批次再生粗骨料的质量等级，故该批再生粗骨料质量等级为II级，可应用的领域范围为C40及以下混凝土。

实施例4

一种混凝土再生碎石粗骨料的分级方法，包括如下步骤：

1)对批次4再生骨料的压碎指标、吸水率、表观密度进行检测，检测方法与实施例1相同。其中压碎指测得的结果为12.9％；吸水率测得的结果为3.7％，表观密度测得的结果为2560kg/m

2)对照表9，该批次再生骨料压碎指标为III级，吸水率为III级，表观密度介于2450～2600kg/m

实施例5

一种混凝土再生碎石粗骨料的分级方法，包括如下步骤：

1)对批次5再生骨料的压碎指标、吸水率、表观密度进行检测，检测方法与实施例1相同。其中压碎指测得的结果为18.2％；吸水率测得的结果为4.9％，表观密度测得的结果为2527kg/m

2)对照表9，该批次再生骨料压碎指标为IV级，吸水率为III级，表观密度介于2450～2600kg/m

为进一步验证本划分混凝土用再生粗骨料分级方法的科学性和可应用领域合理性，将批次1、批次2、批次3、批次4、批次5分别设计配合比制备C30、C20、C40、C30、C30、C20强度混凝土试块，具体配合比见表8，经过28d的标准养护，测得各批次再生混凝土试块强度分别为33.1MPa、26.3MPa、40.3MPa、35.1MPa、26.8MPa，可见本划分混凝土用再生粗骨料分级方法是合理的。

进一步的，将本发明所述划分混凝土用再生粗骨料的分级方法与现行规范分级方法(《GB 25177-2010混凝土用再生粗骨料》)进行对比，具体步骤包括：

根据现行规范分级方法，针对上述批次1再生骨料，其吸水率、压碎指标对应II类骨料，表观密度对应I类骨料；批次2吸水率对应III类骨料，压碎指标对应II类骨料，表观密度对应I类骨料；批次3吸水率、压碎指标、表观密度都对应I类骨料；批次4吸水率、压碎指标对应II类骨料，表观密度对应I类；批次5吸水率、压碎指标对应II类骨料，表观密度对应I类。由此可见，如果按规范来划分各批次再生粗骨料，更容易发生不同指标对应不同等级的现象，且等级差异的跨度更大，使等级划分不明确的出现。而本划分混凝土用再生粗骨料分级方法较好解决了这种现象，而且所划分的等级相较于规范更保守的评估了再生粗骨料等级，使其在实际应用中的可靠度更高。

同时，批次1、批次4、批次5采用规范划分时属于同一等级，对这三个批次再生粗骨料采用表8中相同的配合比制备C30混凝土，经过28d的标准养护，测得各批次再生混凝土试块强度分别为33.1MPa、35.1MPa、29.3MPa，可见批次1和批次4相较于批次5有明显的质量差异，而本文分级方法将批次1和批次4划分为同一级，将批次5划分为更低的一级，可见采用本发明所述混凝土用再生粗骨料分级方法有利于进一步简单、高效地指导和优化再生粗骨料的应用效果。

上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。