不同類型減水劑對(duì)渣土基高流態(tài)回填材料性能的影響

譚正日，譚洪波，呂周嶺，孔祥輝，蹇守衛(wèi)，馬保國(guó)

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，大量建筑垃圾不斷產(chǎn)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(fā)滑坡風(fēng)險(xiǎn)，如廣東省深圳市光明新區(qū)渣土堆存場(chǎng)滑坡事故[3]。因此，建筑渣土的消納利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

渣土基高流態(tài)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(tài)、自流平、自密實(shí)、可再挖掘性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。渣土基高流態(tài)回填材料既能消納大量渣土[6-7]，又能有效避免傳統(tǒng)回填材料壓實(shí)不夠致密，在一些狹窄回填區(qū)域易存在壓實(shí)死角等問(wèn)題[8-9]。然而，渣土基高流態(tài)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(tài)回填材料的流動(dòng)度，但也會(huì)導(dǎo)致泌水率高、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、體積穩(wěn)定性與耐久性差等問(wèn)題[10-11]。一般而言，使用減水劑能獲得高流動(dòng)度的同時(shí)減少用水量。Jian等[12]研究了脂肪簇減水劑對(duì)高流態(tài)回填材料的影響，結(jié)果表明，脂肪簇減水劑能通過(guò)分散渣土和水泥顆粒來(lái)降低用水量，并提高了高流態(tài)回填材料的力學(xué)性能。許多試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用證明，當(dāng)集料中含泥量高時(shí)，聚羧酸減水劑的減水效果會(huì)受到抑制[13-15]。李苑[16]發(fā)現(xiàn)聚酯類與聚醚類聚羧酸減水劑對(duì)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(duì)渣土基高流態(tài)回填材料流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、泌水率、抗壓強(qiáng)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(tài)回填材料在工作性能方面的差異，為提升渣土基高流態(tài)回填材料工作性能提供技術(shù)思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

固化劑采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)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(xué)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(shí)驗(yàn)室合成，固含量為30%；SAF與FDN購(gòu)自江蘇蘇博特新材料股份有限公司，SAF固含量為30%，F(xiàn)DN為固體粉末；PMS購(gòu)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(xué)組成

表2 建筑渣土的粒徑分布

1.2 試驗(yàn)方案

渣土基高流態(tài)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(duì)渣土基高流態(tài)回填材料的影響。在保持相同流動(dòng)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(tài)回填材料在經(jīng)時(shí)流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、泌水率、抗壓強(qiáng)度等方面的差異，試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 渣土基高流態(tài)回填材料配比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

流動(dòng)性試驗(yàn)參考ASTM D6103與《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077—2012)，采用流動(dòng)度測(cè)試儀(上口直徑36 mm，下口直徑60 mm，高60 mm)測(cè)試渣土基高流態(tài)回填材料的流動(dòng)度。渣土基高流態(tài)回填材料的干濕密度測(cè)試參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D6023。泌水率按照ASTM D6023進(jìn)行測(cè)試,泌水率為2 h時(shí)渣土基高流態(tài)回填材料漿體泌水體積與總體積的比值。渣土基高流態(tài)回填材料的凝結(jié)時(shí)間按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346—2011)測(cè)定，測(cè)試儀器為標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)，測(cè)試儀器為TYE-3000型壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.1 kN/s，在3 d、7 d、28 d測(cè)試成型試塊的抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)度與經(jīng)時(shí)流動(dòng)度

流動(dòng)度是高流態(tài)回填材料在實(shí)際應(yīng)用中的重要指標(biāo)之一。當(dāng)W/S為0.52、C/CS為0.1時(shí)，研究了減水劑的摻量(0%～1.4%)與類型(PCE、SAF、FDN、PMS)對(duì)渣土基高流態(tài)回填材料流動(dòng)度的影響，結(jié)果如圖2(a)所示。由圖2(a)可知，PCE、SAF、FDN、PMS摻量在0%～0.4%時(shí)，渣土基高流態(tài)回填材料流動(dòng)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(fā)揮減水效果。當(dāng)PCE摻量為0.8%時(shí)，渣土基高流態(tài)回填材料的流動(dòng)度達(dá)到185 mm。比較另外三種減水劑體系，流動(dòng)度達(dá)到(180±5)mm時(shí)，F(xiàn)DN、SAF、PMS的摻量分別為1.4%、1.0%、1.2%。此外，從圖2(a)中可以發(fā)現(xiàn)，隨著減水劑摻量增加，PCE的減水效果更加優(yōu)異，當(dāng)PCE摻量達(dá)到1.0%時(shí)，繼續(xù)提高PCE摻量對(duì)流動(dòng)度的改善趨于平緩。

當(dāng)C/CS為0.1、減水劑摻量為0%時(shí)，通過(guò)改變W/S(0.52～0.80)來(lái)調(diào)節(jié)渣土基高流態(tài)回填材料的流動(dòng)度。圖2(b)展示了未摻減水劑體系的流動(dòng)度與用水量的關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著W/S提高，未摻減水劑體系的流動(dòng)度不斷增加，當(dāng)流動(dòng)度達(dá)到(180±5)mm時(shí)，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(duì)渣土基高流態(tài)回填材料流動(dòng)性的影響

綜上可知，在保持相同流動(dòng)度((180±5)mm)下，四種減水劑對(duì)渣土基高流態(tài)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(dá)到與四種減水劑體系相同流動(dòng)度時(shí)，W/S為0.75。

為進(jìn)一步探討減水劑類型對(duì)渣土基高流態(tài)回填材料流動(dòng)度的影響,通過(guò)比較四種減水劑在低摻量時(shí)渣土基高流態(tài)回填材料的流動(dòng)度來(lái)確定四種減水劑體系的流動(dòng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，結(jié)果如圖3所示。SAF與PMS體系的流動(dòng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在摻量為0.25%時(shí)，PCE與FDN體系的流動(dòng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在摻量為0.40%時(shí)。原因?yàn)椋涸赑CE體系中，由于建筑渣土中存在少量蒙脫石，PCE會(huì)與蒙脫石發(fā)生插層反應(yīng)[17]，PCE減水性能失效，因此PCE體系的流動(dòng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)遲于SAF與PMS體系；對(duì)于FDN體系，由文獻(xiàn)[16]可知，F(xiàn)DN對(duì)蒙脫石的敏感性低，但FDN的減水率低，因此FDN體系的流動(dòng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)遲于SAF與PMS體系。研究[18]表明，F(xiàn)DN、SAF、PMS對(duì)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(dòng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)高于PCE體系。此外，F(xiàn)DN、SAF、PMS減水原理是通過(guò)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(yīng)[19]。

圖3 減水劑類型和摻量與渣土基高流態(tài)回填材料流動(dòng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)的關(guān)系

在一些回填工程中，由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施與條件的限制，有時(shí)需要將回填材料從攪拌站運(yùn)往施工現(xiàn)場(chǎng)。這要求高流態(tài)回填材料在運(yùn)輸期間仍能保持良好的流動(dòng)性。圖4展示了在保證初始流動(dòng)度為(180±5)mm的條件下，未摻減水劑與不同類型減水劑對(duì)渣土基高流態(tài)回填材料經(jīng)時(shí)流動(dòng)度的影響。由圖可知，未摻減水劑體系在2 h內(nèi)保持著較好的流動(dòng)度，2 h內(nèi)流動(dòng)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(huì)從漿體內(nèi)滲出，導(dǎo)致漿體出現(xiàn)分層，產(chǎn)生嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象。FDN體系在1 h內(nèi)能保持較為優(yōu)異的流動(dòng)性，1 h內(nèi)流動(dòng)度從180 mm降至160 mm，下降了11.1%。PCE體系在0.5 h內(nèi)能保持良好的流動(dòng)性，之后流動(dòng)度迅速下降。SAF與PMS體系的流動(dòng)度保持性差，隨著時(shí)間的增加流動(dòng)性迅速衰減。原因是：FDN與渣土漿體具有較好的相容性，F(xiàn)DN體系在1 h內(nèi)能保持良好的流動(dòng)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(jīng)時(shí)流動(dòng)度損失大。綜上可知，四種減水劑體系流動(dòng)度保持性從優(yōu)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(duì)渣土基高流態(tài)回填材料經(jīng)時(shí)流動(dòng)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(tài)回填材料干濕密度的關(guān)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(nèi)存在大量自由水，自由水會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而滲出蒸發(fā)，導(dǎo)致未摻減水劑體系濕密度與干密度的差值大。在實(shí)際回填工程中，干濕密度差值大使渣土基高流態(tài)回填材料的沉陷量高，不利于工程應(yīng)用。摻有不同類型減水劑的渣土基高流態(tài)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(guān)系

2.3 泌水率

泌水率是衡量高流態(tài)回填材料體積穩(wěn)定性和保水性的重要標(biāo)準(zhǔn)。一般要求高流態(tài)回填材料在2 h內(nèi)的泌水率不大于5%[20]。圖6展示了在相同流動(dòng)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(tài)回填材料泌水率的關(guān)系。由圖可知：未摻減水劑體系泌水率為9.48%，超過(guò)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，F(xiàn)DN體系相比PCE、SAF、PMS體系泌水率最低。與未摻減水劑體系相比，F(xiàn)DN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(tài)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(lái)，提高了體系流動(dòng)度；未摻減水劑的高流態(tài)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(lái)改善漿體的流動(dòng)性，其中改善漿體流動(dòng)性的自由水過(guò)量，導(dǎo)致漿體顆粒間結(jié)合并不緊密，宏觀表現(xiàn)為未摻減水劑體系黏度低，過(guò)量自由水易從漿體中滲出，使高流態(tài)回填材料體積穩(wěn)定性和保水性差。

圖6 減水劑類型與泌水率的關(guān)系

2.4 凝結(jié)時(shí)間

凝結(jié)時(shí)間是指高流態(tài)回填材料從漿體狀態(tài)到凝結(jié)硬化狀態(tài)所需時(shí)間，凝結(jié)時(shí)間決定了高流態(tài)回填材料的應(yīng)用范圍。本文研究了在相同流動(dòng)度下，未摻減水劑和摻入不同類型減水劑與渣土基高流態(tài)回填材料凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系，結(jié)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(tài)回填材料之間凝結(jié)時(shí)間差異小，四種減水劑體系的初凝時(shí)間均在9～10 h，終凝時(shí)間均在10～12 h。對(duì)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(tài)回填材料初、終凝時(shí)間分別降低了27.5%～32.5%、29.4%～33.9%，其中，PCE體系的凝結(jié)時(shí)間最短。未摻減水劑體系的初、終凝時(shí)間分別為808 min、936 min，PCE體系的初、終凝時(shí)間分別為545 min、619 min，PCE體系較未摻減水劑體系初、終凝時(shí)間分別縮短了32.5%、33.9%。該結(jié)果表明減水劑的加入減少了渣土基高流態(tài)回填材料的用水量，使渣土基高流態(tài)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(tài)回填材料的凝結(jié)時(shí)間。

圖7 減水劑類型與凝結(jié)時(shí)間關(guān)系

2.5 抗壓強(qiáng)度與開(kāi)挖模量

在高流態(tài)回填材料中，抗壓強(qiáng)度是衡量其質(zhì)量控制的重要指標(biāo)，也是評(píng)定回填后可再開(kāi)挖性的重要參數(shù)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(tài)回填材料在3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度。由圖可知，在3 d時(shí)，四種減水劑體系中PCE體系抗壓強(qiáng)度最低，PMS體系抗壓強(qiáng)度最高，PMS體系較PCE體系抗壓強(qiáng)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(shí)抗壓強(qiáng)度最高，28 d抗壓強(qiáng)度為1.11 MPa，F(xiàn)DN體系在28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度最低，為0.89 MPa，PMS體系較FDN體系在28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度提高了24.7%。比較四種減水劑體系28 d抗壓強(qiáng)度，從高到低依次為PMS>PCE>SAF>FDN。上述結(jié)果表明PMS較PCE、FDN、SAF對(duì)強(qiáng)度的提升更為顯著。從圖8中還可以發(fā)現(xiàn)，未摻減水劑體系與摻入不同減水劑體系在各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均存在顯著差異。與未摻減水劑對(duì)比，不同減水劑的摻入使渣土基高流態(tài)回填材料28 d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度為0.34 MPa，PMS體系28 d抗壓強(qiáng)度為1.11 MPa，抗壓強(qiáng)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(huì)在渣土顆粒表面形成一層水膜，這層水膜會(huì)阻止渣土顆粒通過(guò)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(gè)致密的網(wǎng)狀骨架，導(dǎo)致未摻減水劑體系內(nèi)部存在大量孔隙，因而抗壓強(qiáng)度低。

圖8 減水劑類型與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

具有易開(kāi)挖性是高流態(tài)回填材料的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。一般而言，當(dāng)高流態(tài)回填材料的28 d抗壓強(qiáng)度在0.3～1.1 MPa時(shí)，有利于將來(lái)開(kāi)挖且不需要使用大型開(kāi)挖設(shè)備。一般用開(kāi)挖模量(removability modulus，RE)來(lái)衡量高流態(tài)回填材料的可開(kāi)挖性，其計(jì)算公式如式(1)[21]所示。

(1)

式中：RE為開(kāi)挖模量；W為28 d抗壓強(qiáng)度，kPa；C為28 d干密度，kg/m3。當(dāng)RE<1.0時(shí)，表示該高流態(tài)回填材料具有較好的可開(kāi)挖性，一般RE值越小，表示越易開(kāi)挖[22]。圖9展示了減水劑類型與開(kāi)挖模量的關(guān)系。由圖可知，PCE、FDN、SAF、PMS及未摻減水劑體系的開(kāi)挖模量分別為0.79、0.64、0.70、0.91、0.13。結(jié)果表明摻入四種減水劑的渣土基高流態(tài)回填材料仍具有較好的人工挖掘性，在手動(dòng)挖掘范圍內(nèi)，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(kāi)挖模量的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)在保持相同流動(dòng)度((180±5)mm)下，不同類型減水劑對(duì)渣土基高流態(tài)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(tài)回填材料的流動(dòng)度。

(2)在經(jīng)時(shí)流動(dòng)度方面，四種減水劑系體的流動(dòng)度保持性從優(yōu)到劣依次為FDN>PCE>PMS>SAF。FDN體系在1 h內(nèi)具有更好的流動(dòng)性，PCE體系在0.5 h內(nèi)具有優(yōu)異的流動(dòng)性，SAF與PMS體系的流動(dòng)性隨時(shí)間的延長(zhǎng)迅速衰減。

(3)不同類型的減水劑均能降低渣土基高流態(tài)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，F(xiàn)DN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(tài)回填材料的凝結(jié)時(shí)間。四種減水劑體系初、終凝時(shí)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(jié)時(shí)間最短，與未摻減水劑體系相比，初、終凝時(shí)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(tài)回填材料的抗壓強(qiáng)度提高了162%～226%，其中PMS對(duì)渣土基高流態(tài)回填材料抗壓強(qiáng)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(dòng)挖掘范圍內(nèi)，人工挖掘性從難到易依次為PMS>PCE>SAF>FDN。