不同類型減水劑對渣土基高流態回填材料性能的影響

譚正日，譚洪波，呂周嶺，孔祥輝，蹇守衛，馬保國

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

0 引 言

隨著我國城市化進程的加快，大量建筑垃圾不斷產生，其中建筑渣土約占建筑垃圾總量的70%[1-2]。目前，建筑渣土處理方式以堆存為主,此方式不僅占用土地，而且容易引發滑坡風險，如廣東省深圳市光明新區渣土堆存場滑坡事故[3]。因此，建筑渣土的消納利用具有重要的現實意義。

渣土基高流態回填材料是以渣土為主要原料并輔以一定摻量的固化劑和水制得的回填材料，具有高流態、自流平、自密實、可再挖掘性強等優點[4-5]。渣土基高流態回填材料既能消納大量渣土[6-7]，又能有效避免傳統回填材料壓實不夠致密，在一些狹窄回填區域易存在壓實死角等問題[8-9]。然而，渣土基高流態回填材料也存在一定局限性，如渣土吸水量大，需要較高用水量。高的用水量雖然提高了渣土基高流態回填材料的流動度，但也會導致泌水率高、凝結時間長、體積穩定性與耐久性差等問題[10-11]。一般而言，使用減水劑能獲得高流動度的同時減少用水量。Jian等[12]研究了脂肪簇減水劑對高流態回填材料的影響，結果表明，脂肪簇減水劑能通過分散渣土和水泥顆粒來降低用水量，并提高了高流態回填材料的力學性能。許多試驗研究與工程應用證明，當集料中含泥量高時，聚羧酸減水劑的減水效果會受到抑制[13-15]。李苑[16]發現聚酯類與聚醚類聚羧酸減水劑對含泥量與蒙脫土的敏感性均大于萘系減水劑。

因此，本文研究四種減水劑對渣土基高流態回填材料流動度、凝結時間、泌水率、抗壓強度等性能的影響，并比較了摻減水劑與未摻減水劑的渣土基高流態回填材料在工作性能方面的差異，為提升渣土基高流態回填材料工作性能提供技術思路。

1 實 驗

1.1 原材料

固化劑采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其各項性能均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)要求,建筑渣土取自湖北省武漢市,水泥與建筑渣土的化學組成與物相組成如表1和圖1所示，建筑渣土的粒徑分布如表2所示。減水劑采用聚羧酸減水劑(polycarboxylate superplasticizer, PCE)、脂肪族減水劑(sulfonated acetone formaldehyde, SAF)、萘系減水劑(naphthalene surperplasticizer, FDN)、三聚氰胺減水劑(melamine superplasticizer, PMS)，其中：PCE由實驗室合成，固含量為30%；SAF與FDN購自江蘇蘇博特新材料股份有限公司，SAF固含量為30%，FDN為固體粉末；PMS購自上海臣啟化工科技有限公司，固體粉末。

表1 建筑渣土和水泥的化學組成

表2 建筑渣土的粒徑分布

1.2 試驗方案

渣土基高流態回填材料由固化劑、建筑渣土、水組成。本文研究了四種減水劑及其摻量對渣土基高流態回填材料的影響。在保持相同流動度((180±5)mm)下，比較了四種減水劑與未摻減水劑的渣土基高流態回填材料在經時流動度、凝結時間、泌水率、抗壓強度等方面的差異，試驗配比設計見表3。

表3 渣土基高流態回填材料配比設計

1.3 試驗方法

流動性試驗參考ASTM D6103與《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T 8077—2012)，采用流動度測試儀(上口直徑36 mm，下口直徑60 mm，高60 mm)測試渣土基高流態回填材料的流動度。渣土基高流態回填材料的干濕密度測試參考標準ASTM D6023。泌水率按照ASTM D6023進行測試,泌水率為2 h時渣土基高流態回填材料漿體泌水體積與總體積的比值。渣土基高流態回填材料的凝結時間按照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011)測定，測試儀器為標準法維卡儀。抗壓強度試驗參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)，測試儀器為TYE-3000型壓力試驗機，加載速率為0.1 kN/s，在3 d、7 d、28 d測試成型試塊的抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 流動度與經時流動度

流動度是高流態回填材料在實際應用中的重要指標之一。當W/S為0.52、C/CS為0.1時，研究了減水劑的摻量(0%～1.4%)與類型(PCE、SAF、FDN、PMS)對渣土基高流態回填材料流動度的影響，結果如圖2(a)所示。由圖2(a)可知，PCE、SAF、FDN、PMS摻量在0%～0.4%時，渣土基高流態回填材料流動度的增加并不顯著。原因是建筑渣土用量多，固化劑摻量少，減水劑被大量渣土顆粒包裹，未能發揮減水效果。當PCE摻量為0.8%時，渣土基高流態回填材料的流動度達到185 mm。比較另外三種減水劑體系，流動度達到(180±5)mm時，FDN、SAF、PMS的摻量分別為1.4%、1.0%、1.2%。此外，從圖2(a)中可以發現，隨著減水劑摻量增加，PCE的減水效果更加優異，當PCE摻量達到1.0%時，繼續提高PCE摻量對流動度的改善趨于平緩。

當C/CS為0.1、減水劑摻量為0%時，通過改變W/S(0.52～0.80)來調節渣土基高流態回填材料的流動度。圖2(b)展示了未摻減水劑體系的流動度與用水量的關系。從圖中可以發現，隨著W/S提高，未摻減水劑體系的流動度不斷增加，當流動度達到(180±5)mm時，未摻減水劑體系的W/S為0.75。

圖2 減水劑類型與未摻減水劑對渣土基高流態回填材料流動性的影響

綜上可知，在保持相同流動度((180±5)mm)下，四種減水劑對渣土基高流態回填材料的減水效果從高到低依次為PCE>SAF>PMS>FDN。未摻減水劑體系達到與四種減水劑體系相同流動度時，W/S為0.75。

為進一步探討減水劑類型對渣土基高流態回填材料流動度的影響,通過比較四種減水劑在低摻量時渣土基高流態回填材料的流動度來確定四種減水劑體系的流動度轉折點，結果如圖3所示。SAF與PMS體系的流動度轉折點出現在摻量為0.25%時，PCE與FDN體系的流動度轉折點出現在摻量為0.40%時。原因為：在PCE體系中，由于建筑渣土中存在少量蒙脫石，PCE會與蒙脫石發生插層反應[17]，PCE減水性能失效，因此PCE體系的流動度轉折點遲于SAF與PMS體系；對于FDN體系，由文獻[16]可知，FDN對蒙脫石的敏感性低，但FDN的減水率低，因此FDN體系的流動度轉折點遲于SAF與PMS體系。研究[18]表明，FDN、SAF、PMS對含泥量的敏感度較PCE低，故在相同含泥量下，減水率相近的SAF與PMS體系的流動度轉折點高于PCE體系。此外，FDN、SAF、PMS減水原理是通過靜電斥力理論使顆粒分散，而PCE減水原理主要是空間位阻效應[19]。

圖3 減水劑類型和摻量與渣土基高流態回填材料流動度轉折點的關系

在一些回填工程中，由于現場設施與條件的限制，有時需要將回填材料從攪拌站運往施工現場。這要求高流態回填材料在運輸期間仍能保持良好的流動性。圖4展示了在保證初始流動度為(180±5)mm的條件下，未摻減水劑與不同類型減水劑對渣土基高流態回填材料經時流動度的影響。由圖可知，未摻減水劑體系在2 h內保持著較好的流動度，2 h內流動度從185 mm降至140 mm，下降了24.3%。但該體系用水量大，部分自由水會從漿體內滲出，導致漿體出現分層，產生嚴重的泌水現象。FDN體系在1 h內能保持較為優異的流動性，1 h內流動度從180 mm降至160 mm，下降了11.1%。PCE體系在0.5 h內能保持良好的流動性，之后流動度迅速下降。SAF與PMS體系的流動度保持性差，隨著時間的增加流動性迅速衰減。原因是：FDN與渣土漿體具有較好的相容性，FDN體系在1 h內能保持良好的流動性；PCE與渣土漿體的相容性次之；PMS、SAF與渣土漿體的相容性最差，故PMS和SAF體系的經時流動度損失大。綜上可知，四種減水劑體系流動度保持性從優到劣依次為FDN>PCE>PMS>SAF。

圖4 未摻減水劑與不同類型減水劑對渣土基高流態回填材料經時流動度的影響

2.2 密 度

圖5展示了不同類型減水劑和未摻減水劑與渣土基高流態回填材料干濕密度的關系。由圖可知：四種減水劑體系的濕密度相近，且濕密度與干密度差值小(<150 kg/m3)；未摻減水劑體系濕密度低，濕密度與干密度的差值大于250 kg/m3。原因是未摻減水劑體系W/S高，漿體的黏度低，使體系密度小。此外，未摻減水劑體系內存在大量自由水，自由水會隨著時間延長而滲出蒸發，導致未摻減水劑體系濕密度與干密度的差值大。在實際回填工程中，干濕密度差值大使渣土基高流態回填材料的沉陷量高，不利于工程應用。摻有不同類型減水劑的渣土基高流態回填材料干濕密度差值小，能避免體系的沉陷。

圖5 減水劑類型與干濕密度的關系

2.3 泌水率

泌水率是衡量高流態回填材料體積穩定性和保水性的重要標準。一般要求高流態回填材料在2 h內的泌水率不大于5%[20]。圖6展示了在相同流動度((180±5)mm)下，未摻減水劑和不同類型減水劑與渣土基高流態回填材料泌水率的關系。由圖可知：未摻減水劑體系泌水率為9.48%，超過了工程限定值；PCE、SAF、PMS、FDN體系泌水率分別為1.45%、1.64%、1.55%、1.32%，均符合工程要求。其中，FDN體系相比PCE、SAF、PMS體系泌水率最低。與未摻減水劑體系相比，FDN體系泌水率下降了86.1%。原因是：四種減水劑體系W/S低，渣土基高流態回填材料中自由水少，減水劑將體系中漿體顆粒包裹的水釋放出來，提高了體系流動度；未摻減水劑的高流態回填材料的W/S為0.75，該體系中的水一部分被渣土吸收和包裹，一部分來改善漿體的流動性，其中改善漿體流動性的自由水過量，導致漿體顆粒間結合并不緊密，宏觀表現為未摻減水劑體系黏度低，過量自由水易從漿體中滲出，使高流態回填材料體積穩定性和保水性差。

圖6 減水劑類型與泌水率的關系

2.4 凝結時間

凝結時間是指高流態回填材料從漿體狀態到凝結硬化狀態所需時間，凝結時間決定了高流態回填材料的應用范圍。本文研究了在相同流動度下，未摻減水劑和摻入不同類型減水劑與渣土基高流態回填材料凝結時間的關系，結果如圖7所示。由圖可知，摻入不同類型減水劑的渣土基高流態回填材料之間凝結時間差異小，四種減水劑體系的初凝時間均在9～10 h，終凝時間均在10～12 h。對比未摻減水劑體系，不同類型減水劑的摻入使渣土基高流態回填材料初、終凝時間分別降低了27.5%～32.5%、29.4%～33.9%，其中，PCE體系的凝結時間最短。未摻減水劑體系的初、終凝時間分別為808 min、936 min，PCE體系的初、終凝時間分別為545 min、619 min，PCE體系較未摻減水劑體系初、終凝時間分別縮短了32.5%、33.9%。該結果表明減水劑的加入減少了渣土基高流態回填材料的用水量，使渣土基高流態回填材料漿體更加致密，固化劑能更快地形成支撐骨架，縮短渣土基高流態回填材料的凝結時間。

圖7 減水劑類型與凝結時間關系

2.5 抗壓強度與開挖模量

在高流態回填材料中，抗壓強度是衡量其質量控制的重要指標，也是評定回填后可再開挖性的重要參數之一。圖8展示了未摻減水劑與摻入不同減水劑的渣土基高流態回填材料在3 d、7 d和28 d的抗壓強度。由圖可知，在3 d時，四種減水劑體系中PCE體系抗壓強度最低，PMS體系抗壓強度最高，PMS體系較PCE體系抗壓強度提高了22.9%。比較四種減水劑體系，PMS體系在3 d、7 d和28 d時抗壓強度最高，28 d抗壓強度為1.11 MPa，FDN體系在28 d時抗壓強度最低，為0.89 MPa，PMS體系較FDN體系在28 d時抗壓強度提高了24.7%。比較四種減水劑體系28 d抗壓強度，從高到低依次為PMS>PCE>SAF>FDN。上述結果表明PMS較PCE、FDN、SAF對強度的提升更為顯著。從圖8中還可以發現，未摻減水劑體系與摻入不同減水劑體系在各個齡期的抗壓強度均存在顯著差異。與未摻減水劑對比，不同減水劑的摻入使渣土基高流態回填材料28 d抗壓強度提高了162%～226%。比較未摻減水劑體系與PMS體系，未摻減水劑體系28 d抗壓強度為0.34 MPa，PMS體系28 d抗壓強度為1.11 MPa，抗壓強度提高了226%。原因是未摻減水劑體系W/S高，存在著大量自由水，部分自由水會在渣土顆粒表面形成一層水膜，這層水膜會阻止渣土顆粒通過相互吸引形成更大的渣土顆粒。此外，渣土顆粒被自由水分散，水泥在水化后生成的水化硅酸鈣不易在渣土顆粒間形成一個致密的網狀骨架，導致未摻減水劑體系內部存在大量孔隙，因而抗壓強度低。

圖8 減水劑類型與抗壓強度的關系

具有易開挖性是高流態回填材料的一個重要優點。一般而言，當高流態回填材料的28 d抗壓強度在0.3～1.1 MPa時，有利于將來開挖且不需要使用大型開挖設備。一般用開挖模量(removability modulus，RE)來衡量高流態回填材料的可開挖性，其計算公式如式(1)[21]所示。

(1)

式中：RE為開挖模量；W為28 d抗壓強度，kPa；C為28 d干密度，kg/m3。當RE<1.0時，表示該高流態回填材料具有較好的可開挖性，一般RE值越小，表示越易開挖[22]。圖9展示了減水劑類型與開挖模量的關系。由圖可知，PCE、FDN、SAF、PMS及未摻減水劑體系的開挖模量分別為0.79、0.64、0.70、0.91、0.13。結果表明摻入四種減水劑的渣土基高流態回填材料仍具有較好的人工挖掘性，在手動挖掘范圍內，人工挖掘性從難到易依次為PMS>PCE>SAF>FDN。

圖9 減水劑類型與開挖模量的關系

3 結 論

(1)在保持相同流動度((180±5)mm)下，不同類型減水劑對渣土基高流態回填材料的減水效果從高到低依次為PCE>SAF>PMS>FDN。不同類型減水劑的摻入均能有效提高渣土基高流態回填材料的流動度。

(2)在經時流動度方面，四種減水劑系體的流動度保持性從優到劣依次為FDN>PCE>PMS>SAF。FDN體系在1 h內具有更好的流動性，PCE體系在0.5 h內具有優異的流動性，SAF與PMS體系的流動性隨時間的延長迅速衰減。

(3)不同類型的減水劑均能降低渣土基高流態回填材料的泌水率。FDN體系較PCE、SAF、PMS體系泌水率最低，與未摻減水劑體系相比，FDN體系泌水率降低了86.1%。

(4)不同類型減水劑均能有效縮短渣土基高流態回填材料的凝結時間。四種減水劑體系初、終凝時間較未摻減水劑體系分別降低了27.5%～32.5%、29.4%～33.9%，其中PCE體系凝結時間最短，與未摻減水劑體系相比，初、終凝時間分別縮短了32.5%、33.9%。

(5)與未摻減水劑體系相比，不同類型減水劑的摻入使渣土基高流態回填材料的抗壓強度提高了162%～226%，其中PMS對渣土基高流態回填材料抗壓強度的提升更加顯著。四種減水劑體系仍保持了較好的人工挖掘性，在手動挖掘范圍內，人工挖掘性從難到易依次為PMS>PCE>SAF>FDN。