可控性低強度材料及其工程應用

張宏洲　王麗玫　楊錦輝　譚永波

【摘? ?要】? ?可控性低強度材料（CLSM）是一種主要用于回填的自密實功能性材料。介紹可控性低強度材料的特點，對其應用領域、配置方法、主要原材料、性能及工作性能進行了分析，討論了該材料在我國推廣應用的情況。

【關(guān)鍵詞】? ?可控性低強度材料; 工作性能; 工程應用

Applications of Controllable Low-Strength Material（CLSM）

Zhang Hongzhou1，2， Wang Limei1，2， Yang Jinhui1 ， Tan Yongbo1

（1.Langfang Normal University， Langfang 065000， China; 2.Langfang Geotechnical Physical and Mechanical Performance Testing Laboratory， Langfang 065000， China）

【Abstract】? ? Controllable low strength materials （CLSM） emerged in the 1990s， it is a relatively new type of material. This paper introduces the controlled the characteristics of low strength materials， its application field， configuration method， main material， material performance and working performance are analyzed， and the paper also discusses its application in China.

【Key words】? ? ?controllable low-strength material; performance; the engineering application

〔中圖分類號〕? TU521? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）02- 0097- 03

1? ? ?可控性低強度材料的主要特點

可控性低強度材料（CLSM）是一種上世紀90年代后在北美及中國臺灣地區(qū)廣泛使用的功能性填充材料。據(jù)美國混凝土協(xié)會（ACI）的定義，可以根據(jù)不同的配合比控制其強度，其抗壓強度應小于[8.3MPa]。為方便開挖當前使用的可控性低強度材料無側(cè)限抗壓強度應小于[2.1MPa]。可控性低強度材料不是傳統(tǒng)意義上的混凝土，也不是普通填土，而是一種能自密實的填充材料，具有較好的自流平性能，不需要振搗、壓實，方便施工，適合填充狹窄空間，幾乎不存在開裂和沉降［1］。可控性低強度材料的綜合成本要高于普通填土，但有優(yōu)良的工作性能。

（1）可直接使用項目所在地材料，包括各類固體廢棄物，如粉煤灰、礦渣、混凝土再生骨料等拌制符合使用要求的CLSM；混合料可通過混凝土攪拌運輸車運至現(xiàn)場，實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，質(zhì)量均一穩(wěn)定。可以通過調(diào)整配合比，滿足不同工況要求。可以通過調(diào)整配合比獲得不同流動性的混合料；通過增加水泥或粉煤灰的比例增加強度；通過添加外加劑調(diào)整硬化時間等性質(zhì)；通過添加發(fā)泡劑，生產(chǎn)輕質(zhì)、絕緣材料。

（2）其承載能力一般高于壓實土或顆粒填料，用作永久性結(jié)構(gòu)填充，28天抗壓強度達[8.3MPa]。CLSM的滲透性較差，因此抗侵蝕能力更強。相比傳統(tǒng)填料，CLSM在填筑中沒有空洞，在靜載或動載作用下幾乎不會產(chǎn)生沉降，尤其適合路面小面積的填補。

（3）與普通填土相比，CLSM施工不需用振搗壓實設備，易于填筑，快速硬化，可以有效減少道路鋪裝時間，可以快速恢復路面交通；CLSM強度低，可在保證回填強度的情況下采用常規(guī)工具開挖。

（4）使用CLSM填筑可以在保證填筑質(zhì)量的前提下減小開挖溝槽寬度，減少了開挖回填工作量。施工人員可以在溝槽外施工，不用進入溝槽，避免了溝槽垮塌可能造成的傷害，施工相對較安全。當溝槽內(nèi)有積水時，CLSM可以把溝槽里的積水置換排除，減少對水泵的需求。冬季填筑CLSM時，可以使用加熱預拌方法。

（5）普通填土回填時要求分層填筑、分層壓實、分層檢測密實度，CLSM可自密實，不需分層檢測密實度，施工質(zhì)量易控制。

2? ? ?可控性低強度材料的應用

CLSM的主要用途是作為結(jié)構(gòu)填土或回填土代替填充土。由于不需要壓實，而且可以被設計成流體狀，所以非常適合在填充和壓實填料困難的情況下使用。如果是未來可能要二次開挖的區(qū)域，回填材料的強度可以被限制在[2.1MPa]以下。

2.1? ?應用領域

可控性低強度材料主要應用領域包括：（1）回填，例如管溝、溝槽、空洞、基礎［2］；（2）既有建筑物地基加固；（3）保溫工程；（4）路基，用于基層和底基層；（5）管床，可以作為各類管道優(yōu)良的墊層材料，能夠有效填充管道下部的孔隙，并提供一定的支撐；（6）抗侵蝕，在堤防拋石和大壩溢洪道下的溢流池中，常采用CLSM來固定巖塊，抗侵蝕；（7）空洞填充，隧道、地下工程、礦井、采空區(qū)治理；（8）核設施；（9）橋梁改造時臨時管涵的回填。

2.2? ?制備

（1）原料

傳統(tǒng)的可控性低強度材料的制備原料主要包括水、水泥、粉煤灰、骨料及外加劑。除此之外，還可以采用一些非標準材料，比如說爐渣、鋼渣、建筑渣土、鑄造用砂、電石渣、煤矸石、再生混凝土骨料等，在采用此類材料時，一定要通過試驗確定適宜的配合比，保證混合料的性質(zhì)［3］。

（2）配合比

為了方便使用，美國各州的交通部門制定出了在本區(qū)域內(nèi)實用的建議配合比，如表1所示［4］，但是在具體工程中還要結(jié)合工程要求進行優(yōu)化。

雖然美國混凝土協(xié)會（ACI）已經(jīng)建議了常規(guī)情況下的配合比，但是可控性低強度材料的配合比主要是根據(jù)具體工程的需要，通過試配確定。通過試驗，確定出較好滿足強度、流動性、密度等要求的混合料。

3? ? ?混合料性質(zhì)

可控性低強度材料的性質(zhì)介于土和混凝土之間，它的制備過程、設備和混凝土非常相似，主要的性質(zhì)又近似于土，混合料的性質(zhì)主要由混合料的配比所決定，主要性質(zhì)如下。

3.1? ?流動性

流動性是可控性低強度材料區(qū)別于其他材料的一個根本性質(zhì)，它保證可控性低強度材料不通過振搗就可以有效填充滿空洞。流動性的測試采用的是ASTM D 6103標準，采用[75×150mm]圓筒試驗，根據(jù)可控性低強度材料散布直徑的大小分為三類［2］：低流動性，散布直徑小于150mm；中流動性，散布直徑在150mm到200mm之間；高流動性，散布直徑大于200mm。

3.2? ?離析

與混凝土類似，當可控性低強度材料流動性是通過單純加水獲得時，容易發(fā)生離析現(xiàn)象，可以通過增加粉體材料，如水泥、粉煤灰比例的方式避免此類問題的發(fā)生。

3.3? ?沉降

沉降主要發(fā)生在混合料填筑之后，是由于可控性低強度材料中的水分被與之接觸的物質(zhì)（比如土層）吸附，或滲透至表面造成，沉降值由滲水的數(shù)量決定。可以通過優(yōu)化混合料配合比，添加外加劑以減少用水量等方式控制沉降。

3.4? ?硬化時間

硬化時間通常可以表示為可上人時間，主要有混合料中的膠凝材料的種類和數(shù)量決定。影響硬化時間的因素還包括：與CLSM接觸的土層滲透率和飽和度；CLSM的含水量；CLSM的比例；混合物和環(huán)境溫度；濕度；填充深度等。通過調(diào)配，混合料的硬化時間可縮短至1小時，一般的混合料硬化時間是3-5小時。

3.5? ?可泵性

泵送是可控性低強度材料混合料的非常重要的運輸填筑方式，主要是通過調(diào)整混合料的配合比保證其可泵性，適當增加粉煤灰等膠凝材料的占比可顯著提高可泵性。

4? ? ?工作性能

4.1? ?強度

當前主要采用無側(cè)限抗壓強度表征可控性低強度材料的強度，在混合物拌制過程中的一些材料，如水泥、粉煤灰對混合物的強度影響較大，同時硬化后混合物的強度還有可能繼續(xù)增加，對后期開挖造成不利影響。

4.2? ?密度

可控性低強度材料的濕密度在[1804-][2320kg/m3]，大于一般填土，可以通過添加輕質(zhì)骨料，加入引氣劑、發(fā)泡劑等方式降低其密度［5］。

4.3? ?沉降量

對于普通的填土，即使在填筑工程中通過了壓實度的測試，后期也會產(chǎn)生沉降。可控性低強度材料在填筑后基本不會產(chǎn)生沉降。

4.4? ?保溫性能

普通的可控性低強度材料的保溫性并不好，但是添加了引氣劑、發(fā)泡劑等外加劑的可控性低強度材料（LD-CLSM）具有較好的熱工性能，可以用在對保溫性有特殊要求的工程，比如地源熱泵、供熱管溝填埋、地暖保護層等。

4.5? ?可開挖性

對于很多未來有開挖需求的工程來說，可控性低強度材料的低強度尤其重要，一般認為硬化后強度低于[0.3MPa]的材料能夠人工開挖，水泥及粉煤灰的配比對可開挖性有重大影響，同時，28天后的后期強度的增長同樣不可忽視。為了限制混合料的強度，除了可以限制膠凝材料的用量外，還可以通過加入引氣劑，增加硬化后的混合料的孔隙比。除此之外，常見的工作性能還包括滲透性、收縮性、抗剪強度、抗侵蝕性等。

5? ? ? 討論與結(jié)論

可控性低強度材料是一種工作性能良好的回填材料，但在我國大陸地區(qū)認可度不高，主要原因如下。

（1）我國大陸地區(qū)尚未制定關(guān)于可控性低強度材料的規(guī)范標準，設計、施工、質(zhì)量控制無依據(jù)。

（2）可控性低強度材料需要根據(jù)工程具體情況進行配合比調(diào)配，對施工技術(shù)人員要求高，量少不經(jīng)濟。

可控性低強度材料是一種優(yōu)良的功能性回填材料，通過配合比的調(diào)制，能夠滿足多種工況下的使用要求，適用性廣、針對性強，直接成本雖然高于普通填土，但考慮開挖成本的減少及使用效果，同時可以使用多種固體廢棄物，環(huán)保效益好，是一種很好的回填材料的選擇。

［參考文獻］

［1］ 柯睦濠，張耀中，趙秀云.可控性低強度材料的研究進展［J］.地產(chǎn)，2019（16）：26.

［2］ 張土喬， 王直民， 黃亞東. 控制性低強度材料（CLSM）在管溝回填中的應用［J］. 中國給水排水， 2006（6）：87-91.

［3］ 王棟民，羅小紅.利用工業(yè)廢棄物制備可控低強度材料（CLSM）概述［C］.第二屆全國化學激發(fā)膠凝材料研討會論文集［A］.西安：西安建筑科技大學，2007：204-210.

［4］ American Concrete Institute. Controlled Low-Strength Materials（CLSM） ［R］. ACI 229，1999.

［5］ M C Nataraja， Y Nalanda. Performance of industrial by-products in controlled low-strength materials （CLSM）［J］. Waste Management， 2008，28（7）：1168-1181.

[收稿日期]? ?2022-10-26

[作者簡介]? ?張宏洲（1981- ），男，廊坊師范學院建筑工程學院副教授，研究方向：環(huán)境巖土工程。