綠色可控低強材料組成與工作性能研究進展

王新岐,邵 捷,問鵬輝,曾 偉,王朝輝

(1.天津市政工程設計研究總院有限公司,天津 300392;2.長安大學公路學院,西安 710064)

0 引 言

當前,在道路工程、市政工程以及橋梁工程中,橋頭臺背及道路管廊等特殊路段回填主要采用傳統壓實填筑方法,但存在狹窄空間無法充分壓實等問題,同時可能誘發差異性沉降等病害,從而導致工程穩定性不足,服役性能下降,養護成本增加,因此亟需在無須振搗碾壓下即可充分填充狹窄空間的回填技術。可控低強材料(controlled low strength material, CLSM)是一種具有一定流動性,以及無須碾壓就能填充空隙并達到良好自密實效果的新型回填材料,能夠有效解決特殊路段回填中因壓實不足引起的工后沉降、脫空等工程問題,逐漸被應用于橋頭臺背及道路管廊等回填工程。

在現階段回填工程中,CLSM常被用于非關鍵承重部位或后期需要開挖維修的位置,其強度要求較低。因此,與混凝土相比,CLSM對原材料要求較低,這使得越來越多的材料被嘗試用于制備CLSM。此外,迫于當前日益嚴重的環境問題,多個國家和地區均出臺政策要求推動基礎設施綠色發展,強調循環利用無害化處理后的大宗固廢材料[1-3]。各國學者開始將多種固廢材料用于CLSM制備中,其中良好的工作性能是CLSM有效填充回填空間并保證回填質量的重要前提,因此對基于不同原材料的CLSM工作性能調控是研究CLSM的主要方向之一。CLSM工作性能主要包括流動度、泌水率、凝結時間等,當前國內外學者主要研究固化材料組成、固化基料組成對CLSM工作性能的影響。在固化材料組成方面,Do等[4-6]通過控制粉煤灰、石灰、石膏、礦渣的質量比制備了流動度、泌水率、凝結時間均符合要求的CLSM,并驗證了無水泥固化劑用于CLSM的可行性;Lachemi等[7]發現增加水泥窯粉塵摻量(文中摻量均為質量分數)會降低CLSM的流動度和泌水率,延長凝結時間;張雪松等[8]采用粉煤灰、水泥、減水劑、保坍劑、增稠劑制備了CLSM,其流動度、泌水率滿足輸油管道回填材料技術要求;王帥[9]采用地鐵盾構渣土替代細骨料來制備CLSM,研究水摻量、粉煤灰摻量對CLSM的流動度、泌水率等的影響。在固化基料組成方面,Etxeberria等[10]研究發現建筑垃圾再生細骨料以30%等質量替代天然骨料時,CLSM的流動度、泌水率、凝結時間等均符合要求;Yan等[11]采用燃燒底灰和疏浚淤泥作為固化基料來制備CLSM,其工作性能均滿足施工要求;Mneina等[12]發現摻入油砂廢料有利于提升CLSM的流動性;Wang等[13]發現摻入明礬污泥會顯著增加CLSM維持良好流動度時的需水量,延長凝結時間;Kuo等[14-15]研究了燃燒底灰與牡蠣殼粉作為固化基料來制備CLSM的可行性。綜上,越來越多的固廢材料被嘗試作為固化材料及固化基料來制備CLSM,但目前關于CLSM的相關研究多是以試配的方式進行,基于工作性能調控下的CLSM材料組成設計仍待深入研究。為進一步促進固廢材料在CLSM中的資源化利用,推動CLSM的工程應用,有必要系統梳理當前制備CLSM的主要材料類型,明確不同材料組成及影響因素下的CLSM工作性能演變規律,以期為科學調控CLSM工作性能提供參考。

鑒于此,本文全面調研國內外關于CLSM的相關研究,系統梳理CLSM材料組成選用情況,對比評價國內外CLSM工作性能技術指標相關規范及測試標準,探究在固化材料、固化基料、水等因素影響下CLSM工作性能演變規律,以期為基于多源固廢利用的CLSM材料組成設計奠定基礎。

1 CLSM材料組成評價

CLSM主要由固化材料、固化基料和水拌和制成。在CLSM發展初期,其原材料組成主要包括水泥、粉煤灰、砂和水,均為工程常用材料。不同固廢材料活性成分及顆粒粒徑等存在差異,使得制備的CLSM性能同樣有所區別。因此,考慮各材料在CLSM性能中發揮作用的差異性,將制備原材料分為固化材料和固化基料,系統梳理現階段CLSM制備過程中主要材料組成種類,以期為CLSM材料組成設計提供參考。

1.1 固化材料

固化材料是CLSM的重要組成部分,其與水發生水化反應后生成膠凝性水化物或膨脹性水化物,或通過離子交換、物理吸附作用減薄顆粒表面雙電子層,使其相互吸附團聚,從而使固化基料顆粒膠結成為整體,形成一定強度。CLSM不同固化材料種類及組成類型選用情況如圖1所示。

圖1 CLSM固化材料組成及選用情況[4-5, 8-73]Fig.1 Composition and selection conditions of curing materials for CLSM[4-5, 8-73]

由圖1(a)可知,在用于制備CLSM的水泥類材料中,普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥居多,其中主要包括P·O 42.5硅酸鹽水泥和Ⅰ型硅酸鹽水泥,而火山灰硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥及硫鋁酸鹽水泥選用較少。由圖1(b)可知,在用于組成CLSM固化材料的工業廢渣中,粉煤灰選用居多,按照其CaO含量可分為F類和C類,在不同類別下按照細度分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級,選用較為均衡,而礦渣、磷石膏、硅灰、廢石灰、赤泥、鋼渣等其它工業廢渣選用較少。如圖1(c)所示,CLSM固化材料組成類型主要有單一水泥、水泥+粉煤灰、水泥+工業廢渣、無水泥摻入下的工業廢渣,其中水泥+粉煤灰組合選用最多,其次是水泥,而水泥+工業廢渣組合及無水泥摻入下的工業廢渣選用較少。現今CLSM固化材料組成多以水泥、粉煤灰為基礎,以外摻或等質量替代方式添加其他工業廢渣,部分學者采用NaOH、水玻璃等堿性材料以堿激發的形式提高粉煤灰、礦渣等硅鋁材料活性,從而提高CLSM性能[68]。當前對以多源固廢為固化材料主要組成的CLSM研究相對薄弱,未來可進一步開展多源固廢基CLSM固化材料組成設計,提高CLSM固廢材料資源化利用水平。

如上所述,CLSM固化材料組成類型可分為單一水泥、水泥+粉煤灰、水泥+工業廢渣、無水泥摻入下的工業廢渣四種,不同固化材料組成及摻量如圖2所示。

圖2 CLSM的固化材料組成及摻量[4-5, 8-74]Fig.2 Composition and content of curing materials of CLSM[4-5, 8-74]

1.2 固化基料

作為CLSM材料組成部分,固化基料在CLSM中主要發揮骨架作用。在固化材料水化反應生成的膠凝作用下,固化基料顆粒交聯形成穩固結構。CLSM的固化基料組成及應用情況如圖3所示。

圖3 CLSM的固化基料組成及應用情況[4, 5, 8-16, 18-47, 49-52, 55-61, 63, 65-74, 76-77]Fig.3 Composition and application of CLSM cured materials[4, 5, 8-16, 18-47, 49-52, 55-61, 63, 65-74, 76-77]

由圖3可知,CLSM固化基料中砂選用最多,其次是渣土,而淤泥、再生骨料、油砂廢料、碎玻璃、尾礦砂、牡蠣殼粉、廢渣、燃燒底灰和池灰等多源固廢選用較少。現今學者嘗試將更多固廢材料作為固化基料來研究CLSM的工作性能,以砂為固化基料主體,采用淤泥、渣土或其他固廢材料如尾礦砂、碎玻璃、牡蠣殼粉、燃燒底灰、油砂廢料、池灰和廢渣等質量替代CLSM固化基料組成,在其他固廢材料的固化作用下,凸顯CLSM“以廢制廢”的特點[75]。部分學者嘗試以全固廢材料作為CLSM固化材料和固化基料進行相關研究,Do等[5-6]以礦渣、磷石膏、廢石灰為固化材料、池灰為固化基料進行了100%固廢組成下的CLSM制備。目前CLSM固化基料中仍以砂、土為主要組成部分,而淤泥、建筑垃圾再生骨料等固廢應用較少,未來可針對不同固化基料自身特性來采取相應固化對策,選擇適宜固化材料及摻量,通過試配不同材料搭配組成及摻配比例來制備CLSM。

2 CLSM工作性能相關規范評價

2.1 技術指標規范對比評價

隨著CLSM的逐漸應用推廣,不同國家發布了相關技術規范。美國規范ASTM D6103—2017將CLSM流動度分為三個檔次:低流動度、一般流動度和高流動度。其中,低流動度適用于較大空間管溝、路基等回填工程;一般流動度適用于一般回填工程;高流動度適用于狹窄空間等回填工程。日本《流動化處理工法》(2007)明確提出了在澆筑式回填施工中對CLSM流動度的要求[78]。流態固化土、輕質土等自密實回填材料與CLSM相似,具有一定流動性。國內流態固化土、輕質土及CLSM相關規范也提出了流動度技術要求,《預拌流態固化土填筑工程技術標準》(T/BGEA 001—2019)采用流動度及坍落度指標規定了流態固化土工作性能要求,并基于不同應用場景提出相應性能要求;《現澆泡沫輕質土技術規程》(CECS 249:2008)、《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》(CJJ/T 177—2012)和《控制性低強度回填材料(CLSM)》(2013)均采用流動度指標規定了工作性能要求。

國內外相關規范中對CLSM流動度技術要求如表1所示。《預拌流態固化土填筑工程技術標準》(T/BGEA 001—2019)結合不同應用場景對流動度提出相應技術要求,其中管槽回填對流動度要求較路基回填高,而其他規范未進行區分;T/BGEA 001—2019中對流動度要求不低于400 mm,測定儀器為坍落度筒,其頂面Φ100 mm、底面Φ200 mm、高300 mm;而《流動化處理工法》(2007)、ASTM D6103/D6103M-17、CECS 249:2008、CJJ/T 177—2012及《控制性低強度回填材料(CLSM)》(2013)流動度要求為100～200 mm,其中CECS 249:2008、CJJ/T 177—2012及《流動化處理工法》(2007)所采用的流動度試驗圓筒Φ80 mm、高80 mm,ASTM D6103/D6103M-17和《控制性低強度回填材料(CLSM)》(2013)所采用的流動度試驗圓筒Φ75 mm、高150 mm,儀器尺寸較坍落度筒小,故規范中對流動度的技術要求較T/BGEA 001—2019中低。目前CLSM相關規范標準僅涉及流動度技術指標,而泌水率、凝結時間、收縮變形等其他工作性能尚未涉及,建議后續規范編制時全面考慮CLSM工作性能技術指標,以期為CLSM工程應用推廣提供技術指導。

表1 國內外CLSM流動度技術要求Table 1 Domestic and foreign technical requirements for CLSM flowability

2.2 性能測試標準對比評價

現階段不同國家、地區在進行CLSM工作性能試驗時尚未形成統一標準,不同性能測試標準中針對同一性能試驗采取的設備及方法差異較大。為明確不同測試標準中工作性能試驗方法間的差異,本文全面匯總CLSM工作性能指標常用測試標準,結果如表2所示。

表2 CLSM工作性能相關測試標準、試驗參數及優缺點Table 2 Test standards, test parameters, advantages and disadvantages of working performance of CLSM

由表2可知,ASTM D6103/D6103M-17中流動度試驗模具為Φ75 mm×150 mm圓筒,CLSM流動度大于200 mm,可適用于狹窄空間充填。Qian等[44]采用Φ100 mm×200 mm圓筒進行流動度試驗,并提出流動度大于250 mm時可適用于狹窄溝槽管線回填;流動度為200～250 mm,適用于一般管溝回填。《引氣砂漿和引氣灰漿的試驗方法》(JHS A313—1992)采用Φ80 mm×80 mm圓筒進行試驗,提出流動度為(180±20)mm即可滿足施工澆筑要求。不同測試標準中試驗模具尺寸及測試用CLSM體積均不同,在相同流動度下攤鋪圓餅直徑尺寸不同,導致不同規范間流動度評價標準有所區別。

當前CLSM泌水率測試主要采用美國ASTM相關規范,不同測試標準間試驗儀器尺寸不同,但泌水率定義為拌合物表面析出泌水量相對于拌合物內部含水總質量或總體積所占百分比,儀器本身容量對其無影響,進行CLSM泌水率測試時可根據自身試驗條件選用不同試驗模具。

《由抗穿透性測定混凝土混合料凝固時間的標準試驗方法》(ASTM C403/C403M—16)定義貫入阻力達到3.5 MPa時所需時間為初凝時間,達27.6 MPa時對應終凝時間,在試驗前需吸取拌合物表面泌水;《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ/T 70—2009)定義凝結時間為貫入阻力達到0.5 MPa時所需時間,未區分初凝時間及終凝時間,且拌合物表面泌水不得清除。兩者凝結時間判別標準相差較大,且貫入阻力會使試驗結果可能受測試點位置選取干擾,影響試驗精確性,ASTM C403/C403M—16中規定測試點位置與盛樣容器內壁距離在25～50 mm。ASTM D6024—2016采用落球法測定CLSM凝結時間,規定落球從特定高度下落,測量CLSM試件表面的落球壓痕,當落球壓痕直徑達到76 mm時對應時間為凝結時間。該測試方法同時可表征CLSM的承載能力,但單個試件只能進行一次落球沖擊,其試驗重復工作量較大。

3 CLSM工作性能及影響因素評價

為闡明CLSM流動度、泌水率、凝結時間及干縮等工作性能特征,將國內外CLSM工作性能相關研究進行梳理匯總,并分析其在材料組成、水、泵送時間等影響因素下的變化規律。

3.1 流動度

CLSM能夠自密實填充回填空間,流動度是其工作性能的重要評價指標之一,因此對比分析不同因素影響下CLSM流動度變化規律,以期為CLSM材料組成設計提供技術參考。

3.1.1 固化材料

不同固化材料組成對CLSM流動度影響不同,梳理總結流動度隨固化材料組成及摻量變化的演變規律,具體如圖4所示。

由圖4(a)可知,增加水泥摻量會降低CLSM流動度。新拌CLSM中的水主要為結合水和自由水,結合水主要附著在顆粒表面,對流動性影響較小,而自由水是CLSM具有流動性的主要原因[37]。水泥摻量增加,其水化反應消耗自由水量增加,CLSM內部起到潤滑作用的自由水含量減少,進而導致流動度降低。由圖4(b)可知,CLSM流動度隨著粉煤灰摻量增加而降低。在堿性反應環境中,粉煤灰與水發生二次水化反應能消耗更多自由水,導致CLSM流動度下降。賈冬冬[37]研究發現單摻硅灰能夠改善CLSM流動性,硅灰的形態效應和微集料效應比粉煤灰強,但在一定摻量粉煤灰條件下,摻加硅灰也會導致CLSM流動度降低,這主要與固相比例增加有關。由圖4(c)、(d)可知,流動度隨礦渣或鋼渣等質量替代水泥量增加而增大,原因可能是礦渣及鋼渣具有潛在活性,能延遲早期水化反應進程,降低制備初期自由水消耗量,從而提高CLSM流動度;隨著砂土比(S/M,質量比)增大,CLSM流動度降低,當拌合物中砂含量較高時,達到平衡和易性的需水量增加,從而導致CLSM流動度降低[66]。

部分學者還研究了赤泥或磷石膏對CLSM流動度的影響。孔祥輝等[79]發現CLSM流動度隨赤泥等質量替代水泥量增加而降低,赤泥比表面積較大,表面吸附自由水量增加,導致CLSM流動度降低;Do等[4]研究發現當石膏與赤泥質量比超過1時,CLSM流動度隨石膏與赤泥質量比增大而減小,石膏遇水迅速反應消耗自由水,導致流動度下降。增加固化材料摻量會降低CLSM流動度,而固化材料水化反應活性決定其影響程度。

3.1.2 固化基料

不同固化基料組成會對CLSM流動度產生影響,不同固化基料下CLSM流動度演變規律和不同固化基料下CLSM目標流動度需水量演變規律分別如圖5、圖6所示。

圖5 不同固化基料下CLSM流動度演變規律[9,32-33,40]Fig.5 Evolution law of CLSM flowability under different cured materials[9,32-33,40]

圖6 不同固化基料下CLSM目標流動度需水量演變規律[11-12]Fig.6 Evolution law of water requirement of CLSM under target flowability requirement with different cured materials[11-12]

由圖5(a)可知,隨著BSSF(baosteel slag short flow)廢渣等體積替代細骨料量增加,CLSM流動度降低,而隨著脫硫渣(desulfurization of slags, DSS)等體積替代部分細骨料量增加,CLSM流動度逐漸增大。主要原因是BSSF廢渣顆粒細度高于細骨料,CLSM內部吸附到顆粒表面的自由水量升高,流動度降低。而脫硫渣細度低于細骨料,降低了CLSM內部顆粒表面吸附自由水量,從而導致CLSM流動度增大。由圖5(b)可知,CLSM流動度隨砂土比增加而逐漸增大。土具有一定黏性,土顆粒表面吸附自由水量較砂高,隨砂土比增加土顆粒含量逐漸減少,CLSM內部自由水量增加,進而導致流動度升高[9, 32]。

由圖6(a)可知,隨著油砂廢料(treated oil sand waste, TOSW)等體積替代天然砂量增加,達到目標流動度所需用水量降低,主要原因是摻入TOSW能夠減少固化基料顆粒結合水量,降低目標流動度下的拌和需水量[12]。由圖6(b)可知,CLSM達到目標流動度所需用水量隨著燃燒底灰等質量替代疏浚淤泥量增加而降低,推測原因是疏浚淤泥比表面積較大且含有吸水性礦物,其吸水能力高于燃燒底灰,隨著疏浚淤泥摻量降低,固化基料顆粒表面吸附自由水量減少,從而降低達到目標流動度下的拌和需水量[11]。固化基料對CLSM流動度的影響主要包括顆粒細度、吸水率等,固化基料顆粒細度和吸水率較高,會對CLSM流動度會產生不良影響。

3.1.3 水

水是影響CLSM流動度的主要因素,除去部分水參與固化反應外,剩余自由水在拌和環境中起到潤滑作用,保障CLSM流動性。不同水摻量下CLSM流動度變化趨勢如圖7所示。

圖7 不同水摻量下CLSM流動度演變規律[9,25,29,32,37,58]Fig.7 Evolution law of CLSM flowability under different water content[9,25,29,32,37,58]

由圖7可知,CLSM流動度隨水摻量增加而顯著增大,且增長趨勢較為相近。此外在固化材料組成基礎上摻入一定量減水劑后,可在保證良好流動度的條件下降低水摻量,原因是減水劑具有強親水基極性,能使水泥顆粒表面形成具有潤滑作用的水膜,提高CLSM流動度[9]。CLSM流動度對拌和用水量變化十分敏感,每增加1%水摻量,CLSM流動度增幅為14～16 mm,建議后續CLSM流動度研究中控制拌和用水量梯度為1%～2%。若CLSM達到良好流動性的同時發生泌水離析,建議摻入適量減水劑以降低水摻量,保障CLSM穩定性,防止其泌水離析。

3.1.4 泵送時間

室內CLSM流動度多在拌和后即時測定,而現場施工多采用集中廠拌并通過泵送方式運輸至施工現場進行澆筑回填作業,因此需考慮泵送時間對CLSM流動度的影響。部分學者[31, 37, 63]指出,CLSM流動度隨著泵送時間延長而降低,CLSM內部水化反應持續進行并消耗自由水,從而導致CLSM流動度降低。經過3 h后流動度衰減幅度為25%～35%,其中未摻加粉煤灰的CLSM流動度降幅比摻加粉煤灰的CLSM大,原因可能是單一水泥摻加時,其水化反應會形成絮凝結構,使CLSM早期流動度降低,而粉煤灰具有滾珠潤滑作用,從而減小CLSM流動度降幅。在工程實際應用中,采用泵送方式運輸CLSM時可適當提高水摻量,使流動度達到澆筑施工要求的1.2～1.3倍,但一味增加用水量可能不利于CLSM強度形成,后續可研究其他材料組合作用下CLSM流動度隨泵送時間延長下的降低趨勢,以期減小CLSM流動度衰減幅度。

綜上所述,固化材料及水摻量等摻配比例是CLSM流動度主要影響因素,同時固化基料細度及吸水率、施工過程中泵送時間對CLSM流動度也具有一定影響。目前對CLSM流動度的研究多在單一因素影響下進行,在后續研究中應綜合考慮多因素對CLSM流動度的交互影響。

3.2 泌水率

CLSM含水率高于一般固化土,在較高水摻量下易發生泌水現象。若泌水率過高,可能會引起CLSM離析乃至內部強度分布不均勻,因此進行CLSM制備時需嚴格控制泌水率,明確不同因素影響下CLSM泌水率的變化規律。

3.2.1 固化材料

CLSM泌水率在不同固化材料組成影響下的變化規律如圖8所示。

圖8 不同固化材料下CLSM泌水率演變規律[9,16,32,37,41,80]Fig.8 Evolution law of CLSM bleeding rate under different curing materials[9,16,32,37,41,80]

由圖8(a)可知,CLSM泌水率隨粉煤灰摻量增加而降低,加入粉煤灰可有效降低泌水率,原因可能是粉煤灰具有較高的比表面積,表面吸附自由水,同時參與水化反應消耗部分自由水,從而導致CLSM泌水率降低。已有研究[8-11, 32, 74, 80]表明CLSM的2 h泌水率低于5%時可滿足施工要求,當粉煤灰摻量超過15%時,CLSM泌水率基本在5%以內。賈冬冬[37]發現粉煤灰和硅灰(silica fume, SF)雙摻對CLSM泌水率改善效果更佳,建議在粉煤灰摻量不超過10%的條件下外摻適量硅灰以降低CLSM泌水率。由圖8(b)可知,隨著粉煤灰等質量替代水泥量增加,CLSM泌水率增大。粉煤灰水化反應活性較水泥低,同時水泥摻量減少,自由水消耗量降低,進而導致CLSM泌水量增加[41]。由圖8(c)可知,新拌CLSM的泌水率隨時間延長而逐漸增大,在120 min時趨于穩定;隨著赤泥等質量替代水泥量增加,CLSM的泌水率降低,同時泌水完成所需時間減少。赤泥顆粒比表面積較水泥大,拌合物整體比表面積增大,顆粒表面吸附自由水量增加,CLSM泌水率降低[80]。

3.2.2 固化基料

不同固化基料組成對CLSM泌水率影響如圖9所示。

圖9 不同固化基料下CLSM泌水率演變規律[11-12]Fig.9 Evolution law of CLSM bleeding rate under different cured materials[11-12]

由圖9(a)可知,CLSM泌水率隨著油砂廢料等體積替代天然砂量增加而降低,油砂廢料比表面積大于天然砂,覆蓋骨料顆粒表面自由水量增加,從而減少表面泌水[12]。由圖9(b)可知,CLSM的泌水率隨著燃燒底灰等體積替代疏浚淤泥量增加而升高,推測原因是疏浚淤泥比表面積較大且含有吸水性礦物,其吸水能力高于燃燒底灰,隨著疏浚淤泥摻量降低,CLSM表面泌水量增加[11]。Etxeberria等[10]研究發現CLSM泌水率隨再生細料等體積替代天然細砂量增加而降低,再生細料吸水率高于天然細砂,且細度高于天然細砂,比表面積較大,其摻量增加導致CLSM表面析出泌水量減少。可見固化基料對CLSM泌水率影響主要基于細度和吸水性兩方面。

3.2.3 水

CLSM表面泌水主要來源為內部自由水,圖10為不同水摻量下CLSM泌水率的演變規律。

圖10 不同水摻量下CLSM泌水率演變規律[9,32,53]Fig.10 Evolution law of CLSM bleeding under different water content[9,32,53]

由圖10可知,CLSM泌水率隨著水摻量增加而升高,且不同固化材料摻量下CLSM泌水率的變化趨勢一致。為保證CLSM保水性,必須嚴格控制拌和用水量,以防發生嚴重泌水離析。泌水率隨著砂土比降低而減少,由于黏性土含量增加,骨料顆粒表面吸附自由水量增大,導致CLSM泌水率降低[9]。采用渣土作為固化基料制備的CLSM泌水率低于再生骨料,渣土多為粉質黏土,顆粒吸水性高于再生骨料,從而降低CLSM泌水率。采用渣土、砂或再生骨料作為固化基料制備CLSM時,建議外加水摻量不超過30%,以避免CLSM發生嚴重泌水離析。

綜上,固化材料及水摻量、固化基料顆粒細度及吸水性等對CLSM泌水率具有不同程度的影響。為防止CLSM發生嚴重泌水離析,可通過增加固化材料摻量或減少水摻量的方式來有效調節CLSM泌水率,并將其控制在5%以內,同時需保障CLSM流動度滿足要求。后續可展開不同摻配比例下CLSM泌水率與流動度性能關聯研究,以尋求最佳配比使CLSM泌水率及流動度均滿足要求。

3.3 凝結時間

凝結時間是CLSM主要工作性能之一,其包括初凝時間和終凝時間。初凝時間過短會導致CLSM在澆筑過程中未填充密實而凝結硬化,影響澆筑質量;初凝時間過長會使CLSM強度形成緩慢,影響施工進度。因此有必要明確不同材料組成對CLSM凝結時間影響規律,為后續CLSM制備研究提供科學指導。

3.3.1 固化材料

不同固化材料下CLSM初凝時間演變規律如圖11所示。

圖11 不同固化材料下CLSM初凝時間演變規律[41,44,65-66]Fig.11 Evolution law of CLSM initial setting time under different curing materials[41,44,65-66]

由圖11(a)可知,水泥摻量的增加會導致CLSM初凝時間縮短,水泥水化產物增多,從而促進CLSM加速硬化。隨著砂土比降低,初凝時間延長,原因主要是土顆粒吸附到水泥水化產物Ca(OH)2表面,阻礙水化反應進行,導致初凝時間延長[44]。由圖11(b)可知,粉煤灰等質量替代水泥量增加會延長CLSM初凝時間,原因主要是粉煤灰活性相對較低,整體水化反應進程減緩,CLSM凝結硬化速度減慢。由圖11(c)、(d)可知,隨著礦渣或鋼渣等質量替代水泥量增加,CLSM初凝時間均表現出不同程度的延長,礦渣和鋼渣均具有潛在活性,同時水泥摻量降低,早期水化反應進程延緩,導致CLSM初凝時間延長。

部分學者嘗試在不摻入水泥情況下,以工業廢渣作為固化材料來制備CLSM。Park等[70]發現隨著礦渣等質量替代粉煤灰量增加,CLSM初凝時間縮短。這是因為在NaOH堿激發條件下礦渣的水化反應活性高于粉煤灰,其摻量的增加有利于促進CLSM凝結硬化。Do等[4]采用石膏、石灰、粉煤灰與赤泥制備CLSM,發現CLSM初凝時間隨石膏與赤泥質量比增大而延長,且增幅逐漸減小,石膏與赤泥質量比在0～1.5時影響較為顯著,原因是石膏水化產物鈣礬石會沉積在水化鋁酸鈣凝膠表面,阻礙水化反應進行,從而延長CLSM初凝時間。較高的固化材料反應活性能夠促進CLSM凝結硬化,有利于縮短CLSM凝結時間。

3.3.2 固化基料

CLSM初凝時間同樣會受到固化基料組成影響。Kuo等[14-15]研究發現,隨著城市垃圾燃燒底灰或牡蠣殼粉(waste oyster shells, WOS)等體積替代細骨料量增加,CLSM初凝時間延長。底灰顆粒和WOS具有較大結構孔隙,吸水率較高,延遲水化反應,從而延長CLSM初凝時間。Wang等[13]研究表明,隨著明礬污泥等體積替代再生細料量增加,CLSM初凝時間延長。這是因為明礬污泥具有較高的吸水性,導致水化反應過程中自由水量減少,延緩CLSM凝結硬化。不同固化基料組成對CLSM凝結時間影響因素主要為材料吸水性,在用水量一定的前提下,固化基料組成中材料吸水性高會導致CLSM凝結時間延長。

3.3.3 水

不同水摻量下CLSM初凝時間演變規律如圖12所示。

圖12 不同水摻量下CLSM初凝時間演變規律[18,67]Fig.12 Evolution law of initial setting time of CLSM with different water content[18,67]

由圖12(a)可知,在不同碎玻璃與砂質量比(C/S)下,CLSM初凝時間隨著水摻量增加而延長。由圖12(b)可知,CLSM初凝時間隨著水摻量的增加而逐漸延長,初凝時間基本在水摻量高于23%時驟增,且在不同礦渣等質量替代水泥量條件下的變化趨勢基本一致,CLSM初凝時間隨水摻量變化趨勢可能受固化材料組成影響較小。現有研究中所采用的固化材料如水泥、粉煤灰、礦渣、廢石灰、磷石膏等發生水化反應均離不開水,CLSM中部分水參與反應形成水化產物中的結合水,剩余部分水起到潤滑作用。當CLSM內部環境含水量較高時,較多的自由水對水化產物膠結土顆粒具有阻礙作用,從而導致CLSM初凝時間延長。

綜上,固化材料反應活性、固化基料顆粒吸水性及水摻量均對CLSM凝結時間有一定影響,提高固化材料反應活性、減少水摻量均可縮短CLSM凝結時間。當CLSM流動度及泌水率滿足要求且凝結時間較長時,可考慮摻加適量減水劑以降低達到目標流動度所需水摻量,縮短凝結時間,以滿足回填工程連續施工需求。

3.4 干縮率

由于CLSM具有較高流動性,內部自由水含量較高,會發生干縮現象,部分學者研究了不同材料組成下CLSM的干縮變化特征。Kuo等[15]發現隨著WOS等體積置換細骨料量增加,CLSM干縮率逐漸增大,由于WOS具有比細骨料更高的吸水率,CLSM內部孔隙水含量增加,干燥失水量增加,從而導致干縮率增大;Kim[21]、Tafesse等[24]發現將尾礦摻入砂有利于降低CLSM干縮率,而隨著池灰等體積替代砂量增加,CLSM干縮率增大。尾礦粒徑較砂小,孔隙數量減少,而池灰粒徑較砂大,孔隙數量增加,且顆粒吸水性較強,干燥失水后較多孔隙結構塌縮,進而導致CLSM干縮率增大。鮑遠琴[57]研究發現CLSM泌水率和干縮率具有正相關性,同時爐粉比(爐底灰與粉煤灰質量比)越高,CLSM干縮越明顯,通過增加粉煤灰摻量可有效降低CLSM干縮率。上述研究制備的CLSM干縮率基本在1%以下。研究[80]指出用于一般回填工程的CLSM的干縮率小于5%時是穩定的。建議后續研究考慮摻入適量膨脹性膠凝材料如石膏等,其水化產物鈣礬石可填充骨料孔隙并具有膨脹性,能夠減少CLSM內部孔隙干燥失水收縮,從而降低干縮率。

4 結語與展望

經過近幾十年的發展,越來越多的固廢材料開始用于CLSM制備以提高固廢材料循環利用水平。本文系統梳理了近年來CLSM制備及工作性能相關研究進展,主要結論如下:

1)CLSM常用的固化材料主要有水泥、粉煤灰、工業廢渣等,其中水泥+粉煤灰組合應用最為廣泛,水泥摻量為0.2%～16.7%,粉煤灰摻量為11.1%～34.5%,水摻量為22.2%～44.8%。

2)目前國內外CLSM相關技術規范僅針對流動度做出一般性規定,要求控制流動度為100～200 mm;此外CLSM流動度、泌水率及凝結時間測試標準已較成熟但并不系統,差異性主要體現在模具尺寸、測試原理方面。

3)水泥、粉煤灰摻量增加會導致CLSM流動度及泌水率降低,流動度隨著礦渣或鋼渣等質量替代水泥量增加而提高,往砂中摻入渣土會降低流動度,摻入油砂廢料會提高流動度;CLSM流動度隨水摻量增加而增大,添加減水劑可在保持優良流動度同時降低水摻量;CLSM流動度經3 h后衰減幅度為25%～35%,摻入適量粉煤灰可減緩流動度的降低速率。

4)CLSM泌水率隨著粉煤灰等質量替代水泥量增加而增大,隨著赤泥等質量替代水泥量及粉煤灰摻量增加而減小;摻入粒徑較小、吸水率高的油砂廢料、疏浚淤泥、再生細料等作為固化基料會導致CLSM泌水率降低。

5)粉煤灰、礦渣、鋼渣等質量替代水泥量增加會延長CLSM凝結時間;摻入燃燒底灰、牡蠣殼粉、明礬污泥等具有較高吸水性的固化基料會導致凝結時間延長;采用較大粒徑、較多孔隙的固化基料制備的CLSM會出現明顯的干縮現象,摻入粉煤灰可降低CLSM干縮率。

為推動CLSM的綠色發展及推廣應用,未來還需在以下方面深入研究:當前固廢材料在CLSM中的資源化利用水平仍較低,后續應著力研究多種固廢材料之間的交互作用對CLSM性能的影響,明確不同固廢材料作用機理;現有CLSM有關規范對工作性能要求僅包含流動度,未涉及泌水率、凝結時間、干縮率等其他工作性能,后續規范在編制工作性能方面時應更加全面;目前CLSM性能研究多為單一性能在不同因素影響下的變化規律,缺乏不同性能之間關聯性研究,后續應在多性能均衡條件下進行CLSM材料組成設計研究,形成基于多性能綜合調控的CLSM配比設計體系。