粉煤灰對可控性低強度材料流動性的影響研究＊

萬海飛，王 華，牛智勇

（宿州學院資源與土木工程學院，安徽 宿州 234000）

改革開放以來，中國的經濟發展步入快車道，伴隨著基礎建設工程的迅猛發展，這些工程在施工過程中產生大量工程渣土[1-3]。現階段工程渣土的處置方式多以填埋堆放為主，造成了日益嚴重的垃圾圍村和圍城現象，對環境帶來惡劣影響。可控性低強度材料（Controlled Low Strength Materials，CLSM）是一種在自重作用下無需或少許振搗下，可自行填充，形成自密實結構的替代傳統回填材料的水泥基低強度回填材料[4-5]。

可控性低強度材料是一種新型的回填材料，具有強度低、流動性好、自流平且能有效利用工程渣土、建筑垃圾和工業廢棄物，原材料來源廣、制備簡單、易于澆筑、堅固耐用、可快速恢復交通、可全天候施工等優點[6-8]。可應用于管道工程、路基工程、涵洞及回填工程中，是一種通用的、應用廣泛的結構性工程材料[9]。

基于宿州學院校外的學府大道正在施工，并產生大量工程渣土，研究出適合宿州學院學府大道施工工程的可控性低強度材料，有利于實現學府大道工程渣土的資源化利用，既能減少工程渣土外運和堆棄，又能有效節約用于管溝回填的天然骨料。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：水泥在混凝土中具有膠凝作用，水泥凈漿的質量對混凝土的性能起決定性的作用，但由于集料占據混凝土中的大部分體積，集料的質量對水泥混凝土的性能也有很大影響。采用的P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥由宿州海螺水泥廠生產。

細骨料：骨料主要作用是組成骨架結構，使得制備的材料具有一定的強度。由于要制備低強材料，因此選用細骨料。采用宿州學院學府大道的建筑垃圾細料（d＜4.75 mm）。經過破碎烘干，過篩出小于4.75 mm的渣土用于制備。

水：水和膠凝材料成漿后，在水中硬化、保持和繼續發展其強度的適應本次試驗的膠凝材料。

粉煤灰：在混凝土中摻加粉煤灰可節約水泥和細骨料、減少用水量、改善流動材料拌和物的和易性。采用淘寶美仕博旗艦店所生產的325目F類I級粉煤灰、325目F類Ⅱ級粉煤灰、325目F類Ⅲ級粉煤灰、325目C類I級粉煤灰、325目C類Ⅱ級粉煤灰、325目C類Ⅲ級粉煤灰。

減水劑：采用淘寶萬山集團生產的萘系減水劑。

1.2 試驗方法

測試可控性低強度材料流動性的測定儀器是以ASTM規定的圓柱測試桶，本次試驗使用高度為150 mm、內徑為75 mm的測試桶，如圖1所示。

圖1 測試桶

首先制備可控低強材料。測量前，將稱量完成的原材料根據配合比設計充分拌制均勻。將圓柱測試桶放在透明的亞克力板上，用鐵鋤把制備好的流動材料倒入圓柱測試桶中，該過程無需振搗壓實。然后刮平圓柱測試桶上方和周圍的殘渣，以及清理移動過程中在亞克力板周圍的流動性材料。將圓柱測試桶輕輕提起，待其穩定不變后，測量最大坍落擴展直徑及與之垂直的直徑，并記錄結果。為減少偶然誤差，每組試驗需重復開展3次，試驗后并計算3次平均值作為測試結果。

2 試驗過程及結果

2.1 配合比

本研究使用不同種類及質量的粉煤灰來減少拌和物的成本用量并增加流動性，考慮到減水劑會對可控性低強度材料長時間的強度影響，固定減水劑用量為摻量水泥用量的1%。其中水固比為拌和水與固體拌和物的質量比為固定的0.30。水膠比是單位混凝土中水與膠凝材料的質量之比。本次試驗采用的再生骨料占比為0.8，灰膠比是水泥與膠凝材料的比值，本次采用的灰膠比為0.4、0.5和0.6。

2.2 試驗過程

為了更好地研究粉煤灰對可控低強材料流動性的影響，避免其他因素對試驗結果產生影響。本次試驗采用控制變量法，控制水固比為0.3，減水劑摻量占比為1%，再生骨料占比為0.8不變，只改變膠凝材料粉煤灰的級別和種類。共設計6組試驗，組1采用F類I級粉煤灰，組2采用F類Ⅱ級粉煤灰，組3采用F類Ⅲ級粉煤灰，組4采用C類I級粉煤灰，組5采用C類Ⅱ級粉煤灰，組6采用C類Ⅲ級粉煤灰，每組試驗均包含3種灰膠比。試驗6種類型的粉煤灰在灰膠比分別為0.4、0.5、0.6時制備的可控性低強度材料流動性的強弱。試驗結果均采用3次試驗取平均值，減少試驗的偶然誤差。表1為粉煤灰不同種類和級別制備的可控性低強度材料流動性試驗結果。

表1 試驗設計及流動性測試結果表

2.3 試驗結果分析

本試驗研究粉煤灰的種類和類別對可控性低強度材料的影響，試驗分析對照每一組試驗時，控制水固比、減水劑摻量和粉煤灰的種類和級別，對比灰膠比在0.4、0.5、0.6時的流動性。

圖2是6種粉煤灰作用下不同灰膠比的可控低強材料的流動性。

圖2 6種粉煤灰作用下不同灰膠比的可控低強材料的流動性

由圖可以明顯看到，6種粉煤均表現出隨著灰膠比增加而流動性減小的趨勢，這說明無論采用哪種粉煤灰，灰膠比增加會導致材料流動性降低，且在3種灰膠比中，在0.4時均能取得最好的流動性。同時還可以發現，當灰膠比保持不變時，隨著粉煤灰等級變化，材料的流動性減小的趨勢。以灰膠比為0.4為例，在6種粉煤灰的作用下，混合材料的流動性分別為242 mm、238 mm、237 mm、212 mm、208 mm和204 mm。在F類I級粉煤灰的作用下，混合材料的流動性達到最大值。

由此可知粉煤灰的等級越高，混合材料越能取得較好的流動性。得出控制其他變量時，灰膠比在0.4時，制備出的可控性低強度材料的流動性強于灰膠比為0.5、0.6時的流動性材料。

同時，結合表1和圖2數據，在F類I級粉煤灰作用下，灰膠比為0.4、0.5和0.6時，流動性分別為242 mm、214 mm和203 mm；F類I級粉煤灰在3種灰膠比下流動性差別為16.12%。在F類Ⅱ級粉煤灰作用下，灰膠比為0.4、0.5和0.6時，流動性分別為238 mm、208 mm和198 mm；F類Ⅱ級粉煤灰在3種灰膠比下流動性差別為16.8%。在F類Ⅲ級粉煤灰作用下，灰膠比為0.4、0.5和0.6時，流動性分別為237 mm、206 mm和194 mm；F類Ⅲ級粉煤灰在3種灰膠比下流動性差別為18.1%。在C類I級粉煤灰作用下，灰膠比為0.4、0.5和0.6時，流動性分別為212mm、187 mm和171mm；C類I級粉煤灰在3種灰膠比下流動性差別為19.34%。在C類Ⅱ級粉煤灰作用下，灰膠比為0.4、0.5和0.6時，流動性分別為208 mm、184 mm和168 mm；C類Ⅱ級級粉煤灰在3種灰膠比下流動性差別為19.23%。在C類Ⅲ級粉煤灰作用下，灰膠比為0.4、0.5和0.6時，流動性分別為204 mm、191 mm和169 mm；C類Ⅲ級級粉煤灰在3種灰膠比下流動性差別為17.16%。由結果可知，在F類I級粉煤灰作用下，水膠比的變化對混合材料流動性的影響不大。在其他粉煤灰的作用下，水膠比的變化對混合材料的影響較大。另由試驗結果可知，當灰膠比、水固比、減水劑摻量和再生骨料占比相同時，粉煤灰級別對制備出的流動性材料影響很小，F類I級粉煤灰和F類Ⅲ級粉煤灰的流動性差別為2.1%，C類I級粉煤灰和C類Ⅲ級粉煤灰的流動性差別為3.9%。

3 結論

控制水固比、減水劑摻量和粉煤灰的種類和級別，對比灰膠比在0.4、0.5、0.6時的流動性，灰膠比為0.4制備出的F類I級粉煤灰可控性低強度材料流動性最好。

粉煤灰的等級越高，混合材料越能取得較好的流動性。控制水固比、減水劑的摻量、再生骨料占比以及灰膠比，變化粉煤灰的種類時發現：F類粉煤灰對比與C類粉煤灰制備出的可控性低強度材料的流動性更高，且流動性強度提升約為15.7%。

控制水固比、減水劑的摻量、再生骨料占比以及灰膠比，變量為粉煤灰的級別時，F類粉煤灰和C類粉煤灰的級別對制備出的可控性低強度材料的流動性影響很小，F類I級粉煤灰和F類Ⅲ級粉煤灰的流動性差別僅為2.1%，C類I級粉煤灰和C類Ⅲ級粉煤灰的流動性差別為3.9%。