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(tǒng)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(fā)差異性沉降等病害,從而導致工程穩(wěn)定性不足,服役性能下降,養(yǎng)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?？煽氐蛷姴牧?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(xiàn)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(huán)境問題,多個國家和地區(qū)均出臺政策要求推動基礎設施綠色發(fā)展,強調(diào)循環(huán)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(zhì)量的重要前提,因此對基于不同原材料的CLSM工作性能調(diào)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(nèi)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(zhì)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(fā)現(xiàn)增加水泥窯粉塵摻量(文中摻量均為質(zhì)量分數(shù))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(fā)現(xiàn)建筑垃圾再生細骨料以30%等質(zhì)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(fā)現(xiàn)摻入油砂廢料有利于提升CLSM的流動性;Wang等[13]發(fā)現(xiàn)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(diào)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(tǒng)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(guī)律,以期為科學調(diào)控CLSM工作性能提供參考。

鑒于此,本文全面調(diào)研國內(nèi)外關于CLSM的相關研究,系統(tǒng)梳理CLSM材料組成選用情況,對比評價國內(nèi)外CLSM工作性能技術指標相關規(guī)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(guī)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(fā)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(qū)別。因此,考慮各材料在CLSM性能中發(fā)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(tǒng)梳理現(xiàn)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(fā)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(yè)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(yè)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(yè)廢渣、無水泥摻入下的工業(yè)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(yè)廢渣組合及無水泥摻入下的工業(yè)廢渣選用較少。現(xiàn)今CLSM固化材料組成多以水泥、粉煤灰為基礎,以外摻或等質(zhì)量替代方式添加其他工業(yè)廢渣,部分學者采用NaOH、水玻璃等堿性材料以堿激發(fā)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(yè)廢渣、無水泥摻入下的工業(yè)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(fā)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(lián)形成穩(wěn)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?，F(xiàn)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(zhì)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(guī)范評價

2.1 技術指標規(guī)范對比評價

隨著CLSM的逐漸應用推廣,不同國家發(fā)布了相關技術規(guī)范。美國規(guī)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(tài)固化土、輕質(zhì)土等自密實回填材料與CLSM相似,具有一定流動性。國內(nèi)流態(tài)固化土、輕質(zhì)土及CLSM相關規(guī)范也提出了流動度技術要求,《預拌流態(tài)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(guī)定了流態(tài)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(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術規(guī)程》(CECS 249:2008)、《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術規(guī)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(guī)定了工作性能要求。

國內(nèi)外相關規(guī)范中對CLSM流動度技術要求如表1所示?！额A拌流態(tài)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(guī)范未進行區(qū)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(guī)范中對流動度的技術要求較T/BGEA 001—2019中低。目前CLSM相關規(guī)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(xù)規(guī)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(nèi)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(xiàn)階段不同國家、地區(qū)在進行CLSM工作性能試驗時尚未形成統(tǒng)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(shù)及優(yōu)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(guī)范間流動度評價標準有所區(qū)別。

當前CLSM泌水率測試主要采用美國ASTM相關規(guī)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(nèi)部含水總質(zhì)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(jù)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(qū)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(guī)定測試點位置與盛樣容器內(nèi)壁距離在25～50 mm。ASTM D6024—2016采用落球法測定CLSM凝結時間,規(guī)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(nèi)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(guī)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(guī)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(guī)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(nèi)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(huán)境中,粉煤灰與水發(fā)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(fā)現(xiàn)單摻硅灰能夠改善CLSM流動性,硅灰的形態(tài)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(zhì)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(zhì)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?？紫檩x等[79]發(fā)現(xiàn)CLSM流動度隨赤泥等質(zhì)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(fā)現(xiàn)當石膏與赤泥質(zhì)量比超過1時,CLSM流動度隨石膏與赤泥質(zhì)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(chǎn)生影響,不同固化基料下CLSM流動度演變規(guī)律和不同固化基料下CLSM目標流動度需水量演變規(guī)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(guī)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(guī)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhì)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(chǎn)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(huán)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(guī)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(xù)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(fā)生泌水離析,建議摻入適量減水劑以降低水摻量,保障CLSM穩(wěn)定性,防止其泌水離析。

3.1.4 泵送時間

室內(nèi)CLSM流動度多在拌和后即時測定,而現(xiàn)場施工多采用集中廠拌并通過泵送方式運輸至施工現(xiàn)場進行澆筑回填作業(yè),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(nèi)部水化反應持續(xù)進行并消耗自由水,從而導致CLSM流動度降低。經(jīng)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(xù)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(xù)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(fā)生泌水現(xiàn)象。若泌水率過高,可能會引起CLSM離析乃至內(nèi)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(guī)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(guī)律如圖8所示。

圖8 不同固化材料下CLSM泌水率演變規(guī)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(nèi)。賈冬冬[37]發(fā)現(xiàn)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(zhì)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(wěn)定;隨著赤泥等質(zhì)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(guī)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(fā)現(xiàn)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(nèi)部自由水,圖10為不同水摻量下CLSM泌水率的演變規(guī)律。

圖10 不同水摻量下CLSM泌水率演變規(guī)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(fā)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(zhì)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(fā)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(fā)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(diào)節(jié)CLSM泌水率,并將其控制在5%以內(nèi),同時需保障CLSM流動度滿足要求。后續(xù)可展開不同摻配比例下CLSM泌水率與流動度性能關聯(lián)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(zhì)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(guī)律,為后續(xù)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(guī)律如圖11所示。

圖11 不同固化材料下CLSM初凝時間演變規(guī)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)量替代水泥量增加,CLSM初凝時間均表現(xiàn)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(yè)廢渣作為固化材料來制備CLSM。Park等[70]發(fā)現(xiàn)隨著礦渣等質(zhì)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(fā)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(fā)現(xiàn)CLSM初凝時間隨石膏與赤泥質(zhì)量比增大而延長,且增幅逐漸減小,石膏與赤泥質(zhì)量比在0～1.5時影響較為顯著,原因是石膏水化產(chǎn)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(fā)現(xiàn),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(guī)律如圖12所示。

圖12 不同水摻量下CLSM初凝時間演變規(guī)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(zhì)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(zhì)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(xiàn)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(fā)生水化反應均離不開水,CLSM中部分水參與反應形成水化產(chǎn)物中的結合水,剩余部分水起到潤滑作用。當CLSM內(nèi)部環(huán)境含水量較高時,較多的自由水對水化產(chǎn)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(xù)施工需求。

3.4 干縮率

由于CLSM具有較高流動性,內(nèi)部自由水含量較高,會發(fā)生干縮現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(shù)量減少,而池灰粒徑較砂大,孔隙數(shù)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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(wěn)定的。建議后續(xù)研究考慮摻入適量膨脹性膠凝材料如石膏等,其水化產(chǎn)物鈣礬石可填充骨料孔隙并具有膨脹性,能夠減少CLSM內(nèi)部孔隙干燥失水收縮,從而降低干縮率。

4 結語與展望

經(jīng)過近幾十年的發(fā)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(huán)利用水平。本文系統(tǒng)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(yè)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(nèi)外CLSM相關技術規(guī)范僅針對流動度做出一般性規(guī)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(tǒng),差異性主要體現(xiàn)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(zhì)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(yōu)良流動度同時降低水摻量;CLSM流動度經(jīng)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(zhì)量替代水泥量增加而增大,隨著赤泥等質(zhì)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(zhì)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(xiàn)明顯的干縮現(xiàn)象,摻入粉煤灰可降低CLSM干縮率。

為推動CLSM的綠色發(fā)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(xù)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(xiàn)有CLSM有關規(guī)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(xù)規(guī)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(guī)律,缺乏不同性能之間關聯(lián)性研究,后續(xù)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(diào)控的CLSM配比設計體系。