不同摻合料對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的性能影響及其工程應(yīng)用

楊 光，李 陽

（1. 上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032； 2. 上海工業(yè)固體廢棄物資源化利用工程技術(shù)研究中心，上海 200032）

0 引言

裝修垃圾和拆房垃圾成分復(fù)雜，屬于處理和利用難度較大的建筑垃圾[1]。2021年，上海市裝修垃圾和拆房垃圾的申報總量達到750萬t[2]。通過破袋、風(fēng)選、磁選、破碎和篩分等工序，可將裝修垃圾和拆房垃圾處理成質(zhì)量約為700 萬t 的再生骨料。但是這種再生骨料質(zhì)量性能波動較大，壓碎指標、吸水率和含泥量等性能指標難以滿足相關(guān)標準要求，因此除部分被用于水泥磚的制備外，缺乏其他有效的利用途徑[3]。據(jù)上海建材協(xié)會墻材分會公布的相關(guān)數(shù)據(jù)，全市水泥制磚總產(chǎn)量為200 萬m3，最多可消納130萬t的裝修垃圾和拆房垃圾再生骨料。而裝修垃圾和拆房垃圾再生骨料存在近570 萬t 的消納缺口，因此亟需尋找新的利用途徑。

流態(tài)填筑材料[4]具有自流平、易于混合和回填等優(yōu)點[5]，該材料對強度要求不高（28 d 抗壓強度通常低于10 MPa），可消納各類工業(yè)固廢和建筑垃圾[6]，是發(fā)達國家處理大宗低值固廢的主要利用途徑。國內(nèi)外許多專家學(xué)者針對不同組成、不同應(yīng)用場景下流態(tài)填筑材料的制備和應(yīng)用技術(shù)進行了研究。Achtemichuk 等[7]采用再生混凝土骨料、礦渣和粉煤灰生產(chǎn)流態(tài)填筑材料，其7 d 抗壓強度達到3.5 MPa；李飛等[8]利用建筑垃圾再生細骨料和再生微粉制備了流態(tài)填筑材料，研究發(fā)現(xiàn)流態(tài)填筑材料的強度主要取決于水固比，為保證其工作性能，灰砂比應(yīng)隨著水固比的增大而降低。目前，不同再生材料及其水固比、灰砂比對流態(tài)填筑材料性能的影響倍受關(guān)注，而針對作為流態(tài)填筑材料重要組成部分的固化材料的研究較少?，F(xiàn)有固化體系中，水泥為主要固化材料[9]，而不同摻合料具有不同的化學(xué)組成、顆粒細度和水化活性，適當(dāng)摻入摻合料可以改善流態(tài)填筑材料的性能[10]。因此，本文針對不同摻合料對裝修垃圾盒拆房垃圾流態(tài)填筑材料性能的影響規(guī)律開展研究，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出適用于基坑回填的流態(tài)填筑材料，并進行工程示范。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥采用平湖南方P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；礦粉采用上海寶田新型建材有限公司生產(chǎn)的S95 礦粉；粉煤灰采用蘇州婁城新材料科技有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，其細度為19.5%，強度活性指數(shù)為72.5，需水量比為98%；鋼渣粉、礦粉、鈉基脫硫灰、污泥焚燒灰和磷石膏均由上海本地企業(yè)提供。水泥的基本性能和原材料的化學(xué)組成分別見表1和表2。

表1 水泥的基本性能Tab.1 Basic properties of cement

表2 原材料的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of raw materials單位：%

建筑垃圾再生細粉料為上海勤順建設(shè)工程有限公司提供的裝修垃圾和拆房垃圾再生細粉料，其級配如圖1 所示。相較于GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細骨料》中的級配標準，建筑垃圾再生細粉料具有粗粒徑骨料多、中等粒徑骨料少、細粒徑骨料多的特點，其基本性能見表3。

圖1 建筑垃圾再生細粉料級配曲線Fig.1 Construction waste recycled fine powder gradation curve

表3 建筑垃圾再生細粉料基本性能Tab.3 Basic properties of construction waste recycled fine powder

1.2 試驗設(shè)計

為了研究摻合料性能對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料性能的影響規(guī)律，固定水固比為0.3，灰砂比為0.15，以P·O 42.5 水泥為基礎(chǔ)固化材料，研究粉煤灰、鋼渣粉、磷石膏、礦粉、污泥焚燒灰和鈉基脫硫灰等摻合料對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料坍落擴展度、泌水率和抗壓強度的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)基坑回填工程特點，優(yōu)化裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的配比，并進行工程示范。

1.3 試驗方法

裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的流動性能主要通過坍落擴展度來表征，參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》中擴展度試驗方法進行測試。將新拌的裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料分3 層均勻地裝入坍落度筒內(nèi)，每裝1層拌合物，均勻插搗25次，裝滿后垂直平穩(wěn)地提起坍落度筒，待拌合物擴散穩(wěn)定后測量擴展面的最大直徑以及最大直徑垂直方向的直徑，取其算術(shù)平均值作為坍落擴展度。

參照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》中的水泥砂漿泌水率試驗方法進行裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的泌水率測試。將新拌的裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料分2 次裝入2 L 的容量筒中，將容量筒加蓋并靜置，自靜置起30 min 內(nèi)，每隔15 min用吸液管吸出泌水，之后每隔30 min 吸1 次泌水，直到連續(xù)3 次吸不出泌水為止。稱取泌水的總質(zhì)量，泌水率為泌水的總質(zhì)量與容量筒中流態(tài)填筑材料總用水量的比值。

參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》中的立方體抗壓強度試驗方法進行裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的抗壓強度測試，試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，強度測試的加載速度為0.3 kN/s。

2 不同摻合料對流態(tài)填筑材料的影響

粉煤灰、鋼渣粉、磷石膏、礦粉、污泥焚燒灰和鈉基脫硫灰等摻合料對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料坍落擴展度、泌水率、抗壓強度的影響結(jié)果見表4。

表4 不同摻合料對流態(tài)填筑材料性能的影響表4 Influence of different admixtures on the properties of flow backfill materials

2.1 流動性

不同摻合料對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料流動性能的影響如圖2所示。

圖2 不同摻合料對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料流動性的影響Fig.2 The influence of different admixtures on the fluidity of renovation and demolition waste flow backfill materials

由圖2 可見：鋼渣粉對流態(tài)填筑材料坍落擴展度的影響不明顯，粉煤灰、磷石膏、礦粉、污泥焚燒灰、鈉基脫硫灰的摻入均會降低流態(tài)填筑材料的坍落擴展度；其中污泥焚燒灰的摻入對坍落擴展度的影響最明顯，當(dāng)其摻加量分別為30%、50%時，流態(tài)填筑材料坍落擴展度較純水泥固化時分別降低約9.0%和13.0%；鋼渣粉、鈉基脫硫灰的摻入會略提高流態(tài)填筑材料的坍落擴展度，隨著其摻加量由30%增加到50%，流態(tài)填筑材料坍落擴展度的增幅分別約為3.0%和2.0%。粉煤灰、磷石膏、礦粉、污泥焚燒灰的摻入會降低流態(tài)填筑材料的坍落擴展度，隨著其摻加量由30%增加到50%，流態(tài)填筑材料坍落擴展度的降幅分別為5.0%、2.5%、3.5%和4.0%。

2.2 泌水率

不同摻合料對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料泌水率的影響如圖3 所示。由圖3 可見：粉煤灰、礦粉、污泥焚燒灰的摻入導(dǎo)致流態(tài)填筑材料的泌水率降低，這是因為粉煤灰、礦粉、污泥焚燒灰等摻合料的需水量較高，其摻入提高了漿體的保水性；其中，粉煤灰對流態(tài)填筑材料泌水性能的改善最為顯著，其摻量為30%、50%時，材料泌水率較純水泥固化時分別降低約35%和74%；磷石膏、鈉基脫硫灰的摻入會使得泌水率提高，其中鈉基脫硫灰對流態(tài)填筑材料泌水率的影響最顯著，其摻量為30%、50%時，材料泌水率分別提高約93%和181%；隨著鋼渣粉摻量的增大，流態(tài)填筑材料的泌水率先降低后升高，與純水泥固化相比，鋼渣粉摻量為30%時泌水率降低約39%，摻量為50%時泌水率提高約90%。

圖3 不同摻合料對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料泌水率的影響Fig.3 Influence of different admixtures on the bleeding rate of renovation and demolition waste flow backfill materials

2.3 抗壓強度

不同摻合料對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料力學(xué)性能的影響如圖4 所示。由圖4 可見：礦粉對流態(tài)填筑材料力學(xué)性能的影響不大，其3、7、28 d抗壓強度均與純水泥接近；粉煤灰、鋼渣粉、磷石膏、鈉基脫硫灰、污泥焚燒灰的摻入會明顯降低流態(tài)填筑材料的抗壓強度；以摻量為30%時的28 d 抗壓強度為例，與純水泥固化裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料相比，摻入粉煤灰、鋼渣粉、磷石膏、鈉基脫硫灰、污泥焚燒灰后抗壓強度分別降低約52%、67%、57%、53%和76%；隨著各摻合料摻量的增加，裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的力學(xué)性能均有所降低，但降幅差異較大；當(dāng)摻入量從30%增加到50%時，以28 d 抗壓強度為例，摻合料為礦粉、鋼渣粉、鈉基脫硫灰、粉煤灰、污泥焚燒灰和磷石膏時抗壓強度的降幅分別約為4%、28%、29%、38%、41%和72%。

圖4 不同摻合料對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料力學(xué)性能的影響Fig.4 Influence of different admixtures on the mechanical properties of renovation and demolition waste flow backfill materials

綜上所述，摻入污泥焚燒灰后裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料流動性的降幅最明顯，而粉煤灰對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料流動性的調(diào)控效果最顯著；粉煤灰對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的泌水改善效果最顯著，而裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料泌水率可通過改變鋼渣粉的摻量來調(diào)控；礦粉對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料力學(xué)性能的影響不明顯。綜合考慮性能改善效果和成本因素，后續(xù)考慮使用粉煤灰、鋼渣粉、礦粉復(fù)配出裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料用水泥基固化材料。

3 基坑回填用裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的開發(fā)與工程示范

3.1 項目概況

本研究在上海某基坑回填中進行示范應(yīng)用，該工程位于上海市閔行區(qū)，占地約30 666.7 m2，建設(shè)總投資約15～20 億元。項目基坑肥槽寬度為0.8 m，深度為9.0 m，空間狹窄，其回填總方量近8 000 m3方?；臃什郜F(xiàn)場圖及基坑施工平面圖如圖5 所示，采用傳統(tǒng)渣土回填方式施工困難，且難以回填密實，此處更適合用流態(tài)填筑材料進行回填。

圖5 基坑肥槽現(xiàn)場圖及基坑施工平面圖Fig.5 Foundation pit fertilizer tank site drawing and foundation pit construction plan

3.2 基坑回填用流態(tài)填筑材料的開發(fā)

該基坑回填工程一般存在回填施工面狹窄、回填空間有碾壓盲區(qū)等問題，對流態(tài)填筑材料有較高的流動性要求，但對材料強度無特別要求。根據(jù)相關(guān)摻合料對流態(tài)填筑材料性能影響的結(jié)論，選用粉煤灰、礦粉為摻合料，通過調(diào)節(jié)摻合料摻量及種類，并微調(diào)水固比和灰砂比，設(shè)計了3 組配合比，見表5。

表5 基坑回填用流態(tài)填筑材料的配合比Tab.5 Mix ratio of flow filling material for foundation pit backfill

試件成型后，測試坍落擴展度、泌水率、抗壓強度以及表觀密度、干密度、收縮率等，以確保材料工程性能。為確保材料的環(huán)境安全性，對回填材料硬化后可浸出重金屬含量進行了檢測，結(jié)果見表6。

表6 基坑回填用流態(tài)填筑材料的性能Tab.6 Properties of flow filling materials for foundation pit backfill

根據(jù)表6 可知，在流動性方面，將灰砂比、水固比分別控制在0.16 和0.30～0.35，裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的坍落擴展度可達到700 mm，可滿足基坑回填工程的需求。當(dāng)粉煤灰摻量為70%時流態(tài)填筑材料坍落擴展度初始值為715 mm，60 min 后坍落擴展度的經(jīng)時損失為25 mm；而當(dāng)粉煤灰摻量降低至50%時，流態(tài)填筑材料坍落擴展度初始值增大至860 mm，60 min 后坍落擴展度仍可達到855 mm，自流平性能穩(wěn)定；使用礦粉替代部分粉煤灰后，流態(tài)填筑材料坍落擴展度初始值略降低至830 mm。

在抗壓強度方面，降低粉煤灰摻量有助于提高流態(tài)填筑材料的抗壓強度。當(dāng)粉煤灰摻量為70%時，流態(tài)填筑材料28 d 抗壓強度為1.5 MPa，仍低于2 MPa，適用于有二次開挖需求的回填工程；當(dāng)粉煤灰摻量為30%、礦粉摻量為20%時，流態(tài)填筑材料28 d抗壓強度為6.0 MPa，7 d抗壓強度達到3.1 MPa，這適用于有早強需求或有一定承載需求的回填工程；當(dāng)粉煤灰摻量為50%時，流態(tài)填筑材料28 d抗壓強度為3.4 MPa，其強度適中，適用于基坑回填工程。

在泌水率方面，降低粉煤灰摻量可提高流態(tài)填筑材料的泌水率。粉煤灰摻量分別為70%、50%時，流態(tài)填筑材料的泌水率僅為1.5%和1.7%；而當(dāng)粉煤灰摻量為30%、礦粉摻量為20%時，流態(tài)填筑材料的泌水率增大至4%。

此外，3 種配合比流態(tài)填筑材料的表觀密度、干密度、收縮率均滿足工程需求，鉻、銅、鋅、鉛、鎘、砷、汞等重金屬均未浸出，滿足環(huán)境安全要求。

綜合考慮工程需求、材料性能和工程成本，最適用于該基坑回填工程的裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料配合比如下：灰砂比為0.15，水固比為0.32，粉煤灰摻量為50%。

3.3 基坑回填施工及效果分析

根據(jù)所選擇的裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料配比，在混凝土拌站中集中生產(chǎn)，經(jīng)混凝土罐車運輸至項目部，裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料初始坍落擴展度為850 mm，3 h 后坍落擴展度為750 mm，坍落擴展度損失在可施工允許范圍內(nèi)。

采用溜槽法將裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料倒入基坑肥槽中，每個溜槽大致可覆蓋100～150 m回填區(qū)域，如圖6（a）所示。項目北側(cè)邊界臨近道路，空間狹窄，無法采用溜槽法進行施工，改為使用泵車將裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料泵送至基坑肥槽內(nèi)，如圖6（b）所示。泵送過程中未出現(xiàn)材料離析、堵泵等現(xiàn)象。

圖6 裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料溜槽法施工和泵送施工現(xiàn)場圖Fig.6 Chute construction pumping construction of renovation and demolition waste flow backfill materials

按項目部要求，將裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料回填至距肥槽頂面約2 m 處。回填面平整，16 h 后可進行工人施工，7 d 后材料的抗壓強度達到1.5 MPa。綜合計算原材料費用、加工費、運輸費、稅費以及測試化驗費后得出，裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的綜合成本約為119 元/m3，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

4 結(jié)語

（1） 摻入污泥焚燒灰后，裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的流動性降幅最明顯，而裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料泌水率可通過改變鋼渣粉摻量進行調(diào)控；礦渣粉對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料力學(xué)性能的影響不顯著，而粉煤灰對裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的泌水改善效果最顯著。

（2） 控制裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的灰砂比為0.16左右、水固比為0.30～0.35，坍落擴展度可達到700 mm，滿足基坑回填工程需求。降低粉煤灰摻量有助于提高流態(tài)填筑材料的抗壓強度，但泌水率也會相應(yīng)提高。粉煤灰摻量為70%時，裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的抗壓強度低于2 MPa，適用于有二次開挖需求的回填工程；粉煤灰摻量為30%、礦粉摻量為20%時，裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的抗壓強度達到6 MPa，適用于有早強需求或有一定承載需求的回填工程；粉煤灰摻量為50%時，裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的強度適中，適用于基坑回填工程。

（3） 控制裝修垃圾和拆房垃圾流態(tài)填筑材料的灰砂比為0.15、水固比為0.32、粉煤灰摻量為50%，并將其應(yīng)用于上海某工程基坑回填中，通過溜槽法、泵送法回填基坑肥槽，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。