可控性低強(qiáng)度材料及其工程應(yīng)用

張宏洲　王麗玫　楊錦輝　譚永波

【摘? ?要】? ?可控性低強(qiáng)度材料（CLSM）是一種主要用于回填的自密實(shí)功能性材料。介紹可控性低強(qiáng)度材料的特點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域、配置方法、主要原材料、性能及工作性能進(jìn)行了分析，討論了該材料在我國(guó)推廣應(yīng)用的情況。

【關(guān)鍵詞】? ?可控性低強(qiáng)度材料; 工作性能; 工程應(yīng)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(lèi)號(hào)〕? TU521? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2023）02- 0097- 03

1? ? ?可控性低強(qiáng)度材料的主要特點(diǎn)

可控性低強(qiáng)度材料（CLSM）是一種上世紀(jì)90年代后在北美及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)廣泛使用的功能性填充材料。據(jù)美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）的定義，可以根據(jù)不同的配合比控制其強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度應(yīng)小于[8.3MPa]。為方便開(kāi)挖當(dāng)前使用的可控性低強(qiáng)度材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)小于[2.1MPa]?？煽匦缘蛷?qiáng)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(shí)的填充材料，具有較好的自流平性能，不需要振搗、壓實(shí)，方便施工，適合填充狹窄空間，幾乎不存在開(kāi)裂和沉降［1］。可控性低強(qiáng)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(xiàng)目所在地材料，包括各類(lèi)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(guò)混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)化生產(chǎn)，質(zhì)量均一穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整配合比，滿(mǎn)足不同工況要求。可以通過(guò)調(diào)整配合比獲得不同流動(dòng)性的混合料；通過(guò)增加水泥或粉煤灰的比例增加強(qiáng)度；通過(guò)添加外加劑調(diào)整硬化時(shí)間等性質(zhì)；通過(guò)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(shí)土或顆粒填料，用作永久性結(jié)構(gòu)填充，28天抗壓強(qiáng)度達(dá)[8.3MPa]。CLSM的滲透性較差，因此抗侵蝕能力更強(qiáng)。相比傳統(tǒng)填料，CLSM在填筑中沒(méi)有空洞，在靜載或動(dòng)載作用下幾乎不會(huì)產(chǎn)生沉降，尤其適合路面小面積的填補(bǔ)。

（3）與普通填土相比，CLSM施工不需用振搗壓實(shí)設(shè)備，易于填筑，快速硬化，可以有效減少道路鋪裝時(shí)間，可以快速恢復(fù)路面交通；CLSM強(qiáng)度低，可在保證回填強(qiáng)度的情況下采用常規(guī)工具開(kāi)挖。

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

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

2? ? ?可控性低強(qiáng)度材料的應(yīng)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(shí)，而且可以被設(shè)計(jì)成流體狀，所以非常適合在填充和壓實(shí)填料困難的情況下使用。如果是未來(lái)可能要二次開(kāi)挖的區(qū)域，回填材料的強(qiáng)度可以被限制在[2.1MPa]以下。

2.1? ?應(yīng)用領(lǐng)域

可控性低強(qiáng)度材料主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：（1）回填，例如管溝、溝槽、空洞、基礎(chǔ)［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(lèi)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(lái)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(shè)施；（9）橋梁改造時(shí)臨時(shí)管涵的回填。

2.2? ?制備

（1）原料

傳統(tǒng)的可控性低強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)材料，比如說(shuō)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(lèi)材料時(shí)，一定要通過(guò)試驗(yàn)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(guó)各州的交通部門(mén)制定出了在本區(qū)域內(nèi)實(shí)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(jìn)行優(yōu)化。

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

3? ? ?混合料性質(zhì)

可控性低強(qiáng)度材料的性質(zhì)介于土和混凝土之間，它的制備過(guò)程、設(shè)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(dòng)性

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

3.2? ?離析

與混凝土類(lèi)似，當(dāng)可控性低強(qiáng)度材料流動(dòng)性是通過(guò)單純加水獲得時(shí)，容易發(fā)生離析現(xiàn)象，可以通過(guò)增加粉體材料，如水泥、粉煤灰比例的方式避免此類(lèi)問(wèn)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(qiáng)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?？梢酝ㄟ^(guò)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(shí)間

硬化時(shí)間通?？梢员硎緸榭缮先藭r(shí)間，主要有混合料中的膠凝材料的種類(lèi)和數(shù)量決定。影響硬化時(shí)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(guò)調(diào)配，混合料的硬化時(shí)間可縮短至1小時(shí)，一般的混合料硬化時(shí)間是3-5小時(shí)。

3.5? ?可泵性

泵送是可控性低強(qiáng)度材料混合料的非常重要的運(yùn)輸填筑方式，主要是通過(guò)調(diào)整混合料的配合比保證其可泵性，適當(dāng)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(qiáng)度

當(dāng)前主要采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度表征可控性低強(qiáng)度材料的強(qiáng)度，在混合物拌制過(guò)程中的一些材料，如水泥、粉煤灰對(duì)混合物的強(qiáng)度影響較大，同時(shí)硬化后混合物的強(qiáng)度還有可能繼續(xù)增加，對(duì)后期開(kāi)挖造成不利影響。

4.2? ?密度

可控性低強(qiáng)度材料的濕密度在[1804-][2320kg/m3]，大于一般填土，可以通過(guò)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(duì)于普通的填土，即使在填筑工程中通過(guò)了壓實(shí)度的測(cè)試，后期也會(huì)產(chǎn)生沉降?？煽匦缘蛷?qiáng)度材料在填筑后基本不會(huì)產(chǎn)生沉降。

4.4? ?保溫性能

普通的可控性低強(qiáng)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(qiáng)度材料（LD-CLSM）具有較好的熱工性能，可以用在對(duì)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(hù)層等。

4.5? ?可開(kāi)挖性

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

5? ? ? 討論與結(jié)論

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

（1）我國(guó)大陸地區(qū)尚未制定關(guān)于可控性低強(qiáng)度材料的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量控制無(wú)依據(jù)。

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

可控性低強(qiáng)度材料是一種優(yōu)良的功能性回填材料，通過(guò)配合比的調(diào)制，能夠滿(mǎn)足多種工況下的使用要求，適用性廣、針對(duì)性強(qiáng)，直接成本雖然高于普通填土，但考慮開(kāi)挖成本的減少及使用效果，同時(shí)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(xiàn)］

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

［2］ 張土喬， 王直民， 黃亞?wèn)|. 控制性低強(qiáng)度材料（CLSM）在管溝回填中的應(yīng)用［J］. 中國(guó)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(qiáng)度材料（CLSM）概述［C］.第二屆全國(guó)化學(xué)激發(fā)膠凝材料研討會(huì)論文集［A］.西安：西安建筑科技大學(xué)，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(jiǎn)介]? ?張宏洲（1981- ），男，廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院副教授，研究方向：環(huán)境巖土工程。