利用地鐵盾構渣土制備高流態充填材料

郝 彤，王 帥，冷發光

(1.鄭州大學土木工程學院，鄭州 450000;2.中國建筑科學研究院有限公司,北京 100013;3.建研建材有限公司,北京 100013)

0 引 言

地鐵開辟了人類的地下空間，減輕了地面上的擁擠，人口密集的大都市的出行難問題得到了一定的緩解。但是，隨之而來的環境問題，盾構渣土的處理問題，不得不引起重視。以鄭州市為例，根據規劃顯示，到2050年鄭州將有軌道交通線路21條，車站503座，總里程達945.2 km，若隧道區間直徑按6.4 m計算，則每千米地鐵開挖將出土約3.2萬方，僅鄭州市將出土300萬方。另據統計，截止2020年，全國將有33個城市配有177條地鐵線，總里程達到7 395 km，將出土2.3億方。然而，目前處理方式多采用粗放式堆填。地鐵盾構渣土摻加一定量的礦物類膨潤土、表面活性劑等，形成一種“塑性流動狀態”，使得堆積高度降低，占地面積大幅增加。地鐵盾構渣土正面臨著堆放難、處理難、利用難的局面。

目前，對地鐵盾構渣土利用研究較少且以制備磚和陶粒等建材為主。如文獻[1]指出利用盾構干化土、盾構固渣、煤矸石為原料，以65%～80%、10%～30%、15%～25%的質量配合比，壓制燒結成磚。其質量完全滿足GB/T 5101—2003《燒結普通磚》相關要求，強度可達18～25 MPa,凍融試驗后質量損失小于1%，無明顯變形、泛霜情況發生。文獻[2]利用土壤固化技術生產渣土免燒磚，如廣西永固磚業有限公司生產的“固化土壤多孔磚”。張騰飛等[3]以地鐵渣土為主料，粉煤灰為輔料，在一定溫度下成功燒制出900密度等級的渣土陶粒，制備的渣土陶粒呈淺棕色，表面光滑且有完好的釉質層，內部疏松多孔，呈蜂窩狀，最大孔徑在100 μm左右，且有少量的連通孔。李海斌等[4]以盾構渣土為主要原料，輔以氧化鎂混合改性，在較低溫度下制備一種強度適中、性能優異的水體除磷陶粒。高瑞曉等[5]用地鐵渣土制備出不同粒徑(10～15 mm、15～25 mm)的800密度等級渣土陶粒。文獻[6-7]均以地鐵渣土為主要原料加入水泥、生石灰等固化劑，制備出免燒陶粒，該陶粒具有成本低，節能、低碳環保等優點，所制備的免燒渣土陶粒、免蒸免燒陶粒都可用于吸附凈水以及固化重金屬離子。另外，郝彤等[8]探索了利用地鐵盾構渣土制備水泥混合材的可行性，試驗表明通過煅燒可以激發地鐵盾構渣土的活性使其活性滿足二級粉煤灰的要求。文獻[9]利用建筑渣土制備CLSM，并對其性能進行研究。

綜上，利用方式均需先烘干后利用，不利于節能減排和大規模利用。美國混凝土協會將可控低強度材料 (Controlled Low Strength Material,CLSM)定義為一種具有高流動性，在自重作用下無需或少許振搗可自行填充，形成自密實結構的替代傳統回填材料的膠凝回填材料，28 d無側限抗壓強度不得大于8.3 MPa，但須大于0.3 MPa(優質土壤的抗壓強度為0.3～0.7 MPa)[10-12]。Sheen等[13]發現低液限土制的土基控制低強度材料(CLSM)具有良好的挖掘性能，并且指出高爐礦渣部分取代水泥，可以提高流動性，但凝結時間將會延長。Anand等[14]利用高塑性土也成功制備出CLSM，并建議把流動性和密度特性作為評價CLSM可行性的兩個關鍵指標，而且將其應用到了管溝回填工程中，取得了良好的經濟和環境效益。本試驗參考國外CLSM的概念并依據盾構渣土的自身特點，提出直接利用地鐵盾構渣土制備流動度≥180 mm，泌水率5%～8%的盾構渣土-可控低強度材料代替傳統回填材料。

1 實 驗

1.1 試驗材料

水泥為河南滎陽天瑞水泥集團有限公司生產的天瑞牌P·O 42.5水泥，其各項物理性能指標均滿足國家規范GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[15]規定的指標要求；選用Ⅰ級粉煤灰，其性能指標均符合國家規范GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[16]的要求；細骨料選用級配良好的中砂，選用具有代表性地鐵盾構渣土，其顆粒級配和物理性能指標如表1和表2所示，XRD檢測結果如圖1所示。

表1 盾構渣土顆粒級配Table 1 Particle grading of shield muck

表2 盾構渣土基本物理性能Table 2 Basic physical performance of shield muck

1.2 試驗方案設計

本試驗原料主要包括水、普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)、中砂、盾構渣土和粉煤灰制備盾構渣土-CLSM。試驗以盾構渣土和中砂為細骨料，以盾構渣土30%、40%等質量取代中砂。水泥摻量為細骨料質量的10%，礦物摻合料為外摻法，摻量同樣按細骨料質量的百分比。選用2.46、2.58、2.70、2.82四個水灰比探討不同水灰比對流動性、泌水率以及無側限抗壓強度的影響規律。同時，在水灰比2.70和2.82下探討0%、5%、10%、20%粉煤灰摻量對流動性、泌水率以及無側限抗壓強度的影響規律。

圖1 盾構渣土XRD譜Fig.1 XRD pattern of shield muck

圖2 流動性測試筒及試驗結果Fig.2 Fluidity test tube and test results

1.3 試驗方法

流動性和無側限抗壓強度是衡量CLSM的兩個最重要指標。本試驗流動性測試方法參照ASTM D6103的圓筒標準試驗方法使用φ75 mm×150 mm的圓筒測量拌合物的坍落度和擴展度，流動性測試筒及試驗結果如圖2所示。抗壓強度試驗參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，試塊尺寸為70 mm×70 mm×70 mm，分別測試其7 d和28 d抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 工作性能

作為自流平、自密實的高流態綠色填充材料，良好的流動性和保水性是必不可少的，本試驗在確定各組分摻量的基礎上，通過調節不同的水灰比將流動度控制在180～260 mm之間進行試驗研究。因此為了達到期望的CLSM流動度值，有必要對其水灰比進行研究，以此確定各組分最佳水灰比。試驗配合比如表3所示，變化趨勢如圖3和圖4所示。

表3 水灰比對CLSM流動性的影響Table 3 Effect of water-cement ratio on fluidity of CLSM

由于試驗以盾構渣土直接利用的方式摻加，在每次試驗前都先取樣烘干測含水率，然后再根據渣土含水率和水灰比確定用水量。為保證表述更加準確，在表3中用水灰比代替用水量，用盾構渣土和中砂的質量百分比代替實際使用質量，水泥摻量為10%。從圖3中可以看出,當盾構渣土摻量一定時，CLSM的流動度隨水灰比的增加而增加，對于30%的摻量，水灰比從2.46增至2.82，坍落度擴展度從205 mm增加到322 mm，增幅57.1%，且水灰比從2.70增加到2.82，增幅達到34.2%。當渣土摻量40%時，坍落度擴展度從187 mm增加到265 mm，增幅41.7%，水灰比從2.70增加到2.82，增幅為18.8%。即對于低摻量盾構渣土的CLSM來說，水灰比對流動性的影響較大，在不摻礦物摻合料的情況下設計水灰比范圍內都能夠滿足CLSM的流動性要求。泌水率作為反應材料保水性的指標之一，對于CLSM來說一般要求2 h泌水率低于5%[17]，從圖4中可以得到，泌水率也隨著水灰比的增加而增加，當渣土摻量為30%時，泌水率從6.8%增加到10.4%，增幅52.9%，與流動度變化趨勢相似,當水灰比從2.70增加到2.82時，增幅最大為25.3%。當渣土摻量為40%時，泌水率從5.2%增加到7.8%，增幅為50%。根據實際試驗現象發現，當泌水率在8%左右時拌合物未發生離析，且流動性、勻質性較好。因此，在不摻加礦物摻合料的情況下，建議水灰比為2.46～2.70，當水灰比大于2.70時其流動度和泌水率都將大幅度上升，對水的敏感度增加。

圖3 水灰比與流動度關系Fig.3 Relationship between water-cement ratio and fluidity

圖4 水灰比與泌水率關系Fig.4 Relationship between water-cement ratio and bleeding rate

可見在不摻加礦物摻合料的情況下，其泌水率基本上均大于5%，為探討礦物摻合料對流動性和泌水率的影響,本試驗在2.70、2.82兩個水灰比下對0%、5%、10%、20%粉煤灰摻量進行了研究。試驗結果如表4所示，變化趨勢如圖5和圖6所示。

表4 礦物摻合料對CLSM流動性的影響Table 4 Effect of mineral admixtures on fluidity of CLSM

根據水灰比對流動性的影響結果，選擇在2.70、2.82兩個水灰比下進行礦物摻合料的影響研究，試驗結果如圖5、圖6所示。從圖5(a)可以看出，當水灰比為2.70時，隨著粉煤灰摻量的增加，坍落度擴展度值從240 mm減小到195 mm，降幅18.8%；當水灰比為2.82時，隨著粉煤灰摻量的增加，坍落度擴展度值從322 mm減小到232 mm，降幅28%，且當粉煤灰摻量從10%增加到20%時，降幅分別為9.7%和12.8%。同樣，圖5(b)中表明,當水灰比為2.70時，隨著粉煤灰摻量的增加，坍落度擴展度值從223 mm減小到97 mm，降幅56.5%；當水灰比為2.82時，坍落度擴展度值從265 mm減小到178 mm，降幅32.8%,當粉煤灰摻量從10%增加到20%時，降幅分別為37.4%和22.9%。基本都隨著粉煤灰摻量的增加而減小。粉煤灰摻量對CLSM泌水率的影響規律與流動度變化規律相同，都是隨著粉煤灰摻量的增加而減小，如圖6(a)所示,當水灰比為2.70時，隨著粉煤灰摻量的增加,泌水率從8.3%減小到4.2%，降幅49.4%；當水灰比為2.82時，泌水率從10.4%減小到5.5%，降幅47.1%，粉煤灰摻量從10%增加到20%時，泌水率降幅分別為25%和19.1%。圖6(b)中，當水灰比為2.70時，泌水率從7.2%減小到2.9%，減幅59.7%；當水灰比為2.82時，泌水率從7.8%減小到4.5%，減幅42.3%，粉煤灰摻量從10%增加到20%時，泌水率降幅分別為34.1%和19.6%。

圖5 粉煤灰摻量與CLSM流動性變化關系Fig.5 Relationship between fly ash content and CLSM fluidity

圖6 粉煤灰摻量與CLSM泌水率變化關系Fig.6 Relationship between fly ash content and CLSM bleeding rate

從以上變化規律中可以得出明確的結論，對于盾構渣土的CLSM而言，當水灰比一定時，流動度隨著粉煤灰摻量的增加而減小。究其原因可能與盾構渣土的利用方式和其含有的表面活性劑有關，新拌混合物中的水主要包括充填水和自由水兩種，混合物的流動性主要取決于自由水，而充填水存在于顆粒間的空隙中對流動性基本沒有貢獻。一般情況下，由于粉煤灰的形態效應和微集料作用可以將顆粒空隙間的充填水置換出來形成自由水從而增加流動性。然而，盾構渣土與傳統的細骨料不同，本身具有黏性又因為采用直接利用的緣故其內部的充填水在表面活性劑(泡沫劑)的作用下不易排出，使得粉煤灰的形態效應和微集料效應降低，同時粉煤灰自身也需要消耗自由水，使得整體CLSM混合物的自由水減小,流動性降低。另外相對于30%盾構渣土摻量的CLSM，粉煤灰摻量對40%盾構渣土摻量的CLSM流動性影響更大，也間接證明了上述觀點。

2.2 力學性能

無側限抗壓強度作為CLSM的一個重要指標(以下簡稱抗壓強度)，一般認為28 d抗壓強度在0.3～0.7 MPa時已具有優良夯實性能，與土壤的抗壓強度相當，當用作結構回填時抗壓強度應大于2 MPa，用于路面基層、底基層或路基時抗壓強度應為1.5 MPa[18]。因此本試驗分別分析了水灰比和礦物摻合料對CLSM抗壓強度的影響。水灰比對抗壓強度的影響結果如表5所示，變化趨勢如圖7所示。

表5 水灰比對CLSM抗壓強度的影響Table 5 Effect of water-cement ratio on compressive strength of CLSM

圖7 水灰比與CLSM抗壓強度的關系Fig.7 Relationship between water-cement ratio and CLSM compressive strength

根據表5的數據繪制了水灰比與CLSM抗壓強度的變化規律圖，如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，盾構渣土摻量30%的CLSM抗壓強度隨著水灰比的增加而減小。當水灰比從2.46增加到2.82時，7 d抗壓強度從1.31 MPa減小到1.04 MPa，降幅20.6%，28 d抗壓強度從2.32 MPa減小到1.47 MPa，降幅36.7%，同一水灰比下，7 d到28 d的強度增長率分別為77.1%、68.5%、59.8%、41.3%；對40%渣土摻量CLSM來說，當水灰比從2.46增加到2.82時，7 d抗壓強度從1.51 MPa減小到1.07 MPa，降幅29.1%，28 d抗壓強度從1.95 MPa減小到1.34 MPa，降幅31.3%，同一水灰比下,7 d到28 d的強度增長率分別為29.1%、26.1%、25.6%、25.2%。

從上述分析中可以得到，水灰比對CLSM抗壓強度有一定的影響，且對28 d抗壓強度的影響更大。同時也可以初步得出隨著水灰比的增加，同水灰比7 d到28 d的抗壓強度增長率減小。另外，40%盾構渣土摻量的CLSM的7 d抗壓強度大于30%盾構渣土摻量的CLSM的7 d抗壓強度。但是，40%盾構渣土摻量的CLSM的28 d抗壓強度卻小于30%盾構渣土摻量的CLSM的28 d抗壓強度。且各個水灰比下，7 d到28 d的抗壓強度增長率均小于30%盾構渣土摻量的CLSM的抗壓強度增長率。

粉煤灰作為一種礦物摻合料其火山灰活性對CLSM的抗壓強度具有一定的影響。為探究其影響規律，本試驗取水灰比2.70、2.82，分別對0%、5%、10%、20%的粉煤灰摻量進行研究，試驗結果如表6所示。變化趨勢如圖8所示。

從圖8可以得到,粉煤灰的加入對抗壓強度的影響較明顯，圖8(a)中當水灰比為2.70時，隨著粉煤灰摻量從0%增加到20%，7 d抗壓強度從1.17 MPa增加到1.89 MPa，漲幅61.5%，28 d抗壓強度從1.87 MPa增加到3.12 MPa，漲幅66.8%，各粉煤灰摻量下7 d到28 d強度增長率分別為59.8%、56.3%、67.7%、65.1%。當水灰比為2.82時，隨著粉煤灰摻量從0%增加到20%，7 d抗壓強度從1.04 MPa增加到1.65 MPa，漲幅58.7%，28 d抗壓強度從1.47 MPa增加到2.58 MPa，漲幅75.5%，各粉煤灰摻量下7 d到28 d強度增長率分別為41.3%、50.4%、61.3%、56.4%；圖(b)中抗壓強度隨粉煤灰摻量的變化規律與圖(a)基本相同，當水灰比為2.70時，隨著粉煤灰從0%增加到20%，7 d抗壓強度從1.29 MPa增加到2.11 MPa，漲幅63.6%，28 d抗壓強度從1.62 MPa增加到2.98 MPa，漲幅84%，各粉煤灰摻量下7 d到28 d強度增長率分別為25.6%、31.1%、40.5%、41.2%。當水灰比為2.82時，7 d抗壓強度從1.07 MPa增加到1.71 MPa，漲幅59.8%，28 d抗壓強度從1.34 MPa增加到2.36 MPa，漲幅76.1%，各粉煤灰摻量下7 d到28 d強度增長率分別為25.2%、30.8%、39.4%、38%。而且40%盾構渣土摻量CLSM的7 d抗壓強度大于30%盾構渣土摻量的，但是28 d抗壓強度、各粉煤灰摻量下的強度增長率小于30%盾構渣土摻量的，與不摻加礦物摻合料的強度發展規律相同。

表6 粉煤灰摻量對CLSM抗壓強度的影響Table 6 Effect of fly ash content on compressive strength of CLSM

圖8 粉煤灰摻量與CLSM抗壓強度的關系Fig.8 Relationship between fly ash content and CLSM compressive strength

綜上分析可得,粉煤灰的加入可明顯增強CLSM的抗壓強度且對28 d抗壓強度的影響更為顯著，隨著粉煤灰摻量的增加,其7 d到28 d的強度增長率基本呈先增加后下降的趨勢，當粉煤灰摻量為10%時強度增長率最高，隨著水灰比的增加,7 d到28 d的強度增長率降低。究其原因，隨著水灰比的增加，其自由水含量增加，未參與水化反應的自由水一部分從表面泌出，另一部分則留在試塊內部最終形成毛細孔使得抗壓強度降低，而粉煤灰的加入一方面可以參與水化反應生成更多的水化硅酸鈣凝膠，另一方面其微集料效應可以填充試塊的空隙，使得試塊內部更加密實,水化過程如圖9所示,微觀結構得到改善從而使得抗壓強度提高。

圖9 CLSM水化反應圖Fig.9 Diagram of CLSM hydration reaction

3 結 論

(1)直接利用地鐵盾構渣土以30%、40%等質量取代細骨料通過調節水灰比和粉煤灰摻量可得到坍落度擴展度在180～260 mm，泌水率5%～8%的高流態、自密實的可控低強度材料。

(2)盾構渣土-CLSM的流動性隨著水灰比的增大而增大，粉煤灰摻量的增加對CLSM的流動性具有不利影響，但可以顯著改善泌水現象，推薦水灰比為2.70～2.82，粉煤灰摻量10%。

(3)盾構渣土-CLSM的抗壓強度隨著水灰比的增大而減小，粉煤灰摻量的增加可以提高CLSM的抗壓強度，且對28 d抗壓強度影響顯著，當粉煤灰摻量為10%時,其7 d到28 d的抗壓強度增長率最高。

(4)盾構渣土-CLSM在盾構渣土30%、40%替代率下，28 d抗壓強度為1.34～3.12 MPa,可滿足路基、管道、結構等工程的回填和填充，其自密實自流平特性可彌補傳統回填材料存在填充死角的問題。