可控性低強度材料的研究進展

陳晶

（建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

城市道路不僅承擔著交通運輸的功能，同時也是各種管線的重要承載體。隨著城市經濟的繁榮發展，每年在城市道路上進行著大量的管道工程，管道工程的回填速度和密實度直接影響城市道路路面的平整性、行車的順暢性以及城市道路的面貌和道路使用壽命。以往這類管道工程的溝槽是用回填土或其它松散材料夯實成型的，但此種工序施工周期長，不易保證質量。為此，研究者們將目光聚焦于一種新型的回填材料——可控性低強度材料上。

1 可控性低強度材料（CLSM）簡介

可控性低強度材料（controlled low strength material，簡稱 CLSM）又稱為流動性填料、無收縮性填料、流動性砂漿和可控密度填料[1,2]。根據美國混凝土協會（ACI）229 委員會的定義[3]，CLSM 是一種具有自我充填性質，主要用于管溝回填，其 28d 無圍抗壓強度≤1200 PSI（約8.4MPa）的低強度（與普通混凝土相比）水泥質材料。CLSM 既不是混凝土，也不是水泥砂漿，但是卻具有類似兩者的性質。它是由普通水泥、水、細集料、粉煤灰，有時也有添加劑組成的流動性拌合物。其粘滯性如同泥漿或灌漿，灌注后數小時便足以承受交通荷載而不致沉陷。

CLSM 作為一種新型的回填材料，具有以下優點：

（1）可流動。CLSM 作為能夠代替密實土壤用于回填的流動性膠凝材料，具有高流動性的優點。用于管道工程時，不需要夯實就能夠填充管溝空間，減少了以往施工中夯實和壓密度檢查等工序，降低了施工工作量和施工噪音。所以此種材料可應用于那些難以澆注和搗實的回填工程中。

（2）易挖掘。與普通混凝土相比，CLSM 的強度不高，大多數用于回填的 CLSM 抗壓強度變化范圍是 0.35～2.00MPa。低強度的特點方便于日后挖掘維修，保證以后能夠進行二次回填。CLSM 的水泥含量一般為 50～100kg/m3，根據不同工程的性能要求，通過適當調整材料組分的含量可以獲得更高的抗壓強度。

（3）不沉陷。CLSM 在拌和過程中，由于水泥固化和水分蒸發而硬化成型，得到的成型體密實并且均勻。沒有粉狀顆粒回填材料常有的密實度與平整度的矛盾，能夠降低施工的難度。且不需振動或碾壓密實，降低了施工工作量。

（4）可快速硬化。通常 CLSM 在 3～5 小時硬化。通過摻入早強劑就可以調節材料的凝結時間，使材料在數小時內具有強度并可開放交通[4]，由于施工方便，工期較短，CLSM特別適用于市區管道工程中。

（5）低滲透。通常 CLSM 的滲透速率與土壤相似，為10-4～10-5cm/sec，在工程的要求下，可以提高抗滲性，滲透速率降低至10-7cm/sec。

（6）抗凍融。CLSM如同普通混凝土，通過加入引氣劑來抵抗凍融的破壞。所以道路不會出現因凍融而造成的翻漿現象。

（7）密度可變。通過加入不同密度的原材料和引氣劑，普通 CLSM 密度可達到1600kg/m3，泡沫 CLSM 的密度可達到320kg/m3。

（8）CLSM 可利用各種工業固體廢棄物作為原料，綠色環保，避免環境污染。利用場地開挖土石方作為骨料，可減少天然砂石材料的耗用，有利于資源節約。

總之，與傳統的管道回填材料（回填砂、粘土等）相比，這種可控性低強度材料具有性能優異、施工方便、綠色環保等諸多優點。

2 CLSM 組成

常規 CLSM 材料組成與普通混凝土類似，主要由膠凝材料、集料、水以及各種添加劑組成。膠凝材料主要為水泥、粉煤灰；集料為細骨料或粗骨料或者兩者皆有；添加劑有引氣劑、早強劑等，用來調整 CLSM 的工作性能，以滿足不同施工或力學上的要求。

雖然與普通混凝土的組成材料相類似，但 CLSM 在對原材料的技術要求方面，沒有混凝土的要求嚴格。目前，由于CLSM 是一種相對比較新型的材料，興起于 20 世紀 70 年代，行業內對 CLSM 還缺乏系統的、充分的認識和深入的理解。并且由于 CLSM 可回收利用工業生產過程中產生的廢棄物或建筑垃圾[5,6]，這些廢棄物對 CLSM 的性能影響規律還缺乏系統的研究。所以國內外還沒有專門針對 CLSM 材料技術要求的規范或標準。

3 CLSM 主要利用的工業廢棄物

3.1 電廠燃煤副產物

粉煤灰是我國當前排量較大的工業廢渣之一，隨著電力工業的發展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，它是燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。CLSM 組成中，粉煤灰是最常見的原料。ACI 委員會報告已經作出規定：可以用相對低摻量的水泥來激發粉煤灰（C 級和 F 級）的火山灰活性，用來生產 CLSM 填充材料[5]。

薛永杰[7]利用電廠燃煤副產物——脫硫石膏和脫硫渣制備 CLSM 的工序如下：首先，利用脫硫副產物制備膠凝材料以替代水泥在 CLSM 中的應用；其次以脫硫副產物、粉煤灰、破碎鋼渣和廢舊混凝土作為集料添加一定量的水和外加劑制備 CLSM 混合料。

3.2 水泥窯灰

水泥窯灰是水泥生產過程中的副產品。水泥窯灰為細顆粒狀，主要由水泥熟料高溫生產過程中的靜電收塵器中氧化的、無水的、微小顆粒組成。生產熟料用的原材料以及在回轉窯中用來加熱材料的碳基燃料的類型和來源決定了水泥窯灰的化學組成。大多數的水泥窯灰中鉀、鋁的含量較高。

Amnon Katz 和 Konstantin Kovler[8]研究了水泥窯灰、瀝青混凝土的尾砂、粉煤灰、爐底灰和采石場尾砂這五種工業副產物對可控低強度材料（CLSM）性能的影響。其中發現水泥窯灰具有較強的膠結能力，可以在早期增大拌合物的稠度，有利于降低拌合物的泌水性。

3.3 礦山酸性排渣礦泥

M.A.Gabr 和 John J.Bowders[9]采用礦山酸性排渣礦泥和粉煤灰制備 CLSM。礦山酸性排渣礦泥取自沉降池，是地下礦井水通過沉降池用消石灰 Ca(OH)2處理后得到的。這種石灰基工業廢棄物，與粉煤灰混合后，表現出與水泥相似的自硬化特性。

3.4 水庫污泥

水庫污泥的主要組成成分是蒙脫石粘土，當與水混合時會引起一定程度的有害膨脹。Wen-Yih Kuou[10]等對水庫污泥進行了有機改性，用改性后的水庫污泥代替可控低強度材料中的細集料。

3.5 尾砂

尾砂是選礦廠在特定的經濟技術條件下，將礦石磨細，選取有用成分后排放的廢棄物。成岳[11]利用銅礦尾砂、粉煤灰、水泥以及加氣劑等，混合攪拌成泥漿體，振動成型，制備出低強度可控性填料（CLSM），28d 抗壓強度 0.5 MPa，具有低強度、高流動性的特點。Amnon Katz 和 Konstantin Kovler[8]在制備 CLSM 時使用的采石場尾砂。

4 CLSM 的應用

CLSM 在國外使用已有多年歷史。從 1970 年開始，美國許多城市的公共工程部門、工程公司、州運輸部門的回填工程中都采用 CLSM。七十年代，美國密執安州的第二核電站，使用高摻量粉煤灰的 CLSM 來回填土槽；1991 年，美國科羅拉多交通部使用 CLSM 改造水渠，費用由 40 萬美元降至 17 萬美元；1993 年美國科羅拉多交通部使用 CLSM 改造舊橋，花費 93000 美元，節省資金超過一半；1992 年起，波士頓港口隧道十年改造工程中使用 CLSM 2.3×106 m3；1995～1996 年，俄克拉何馬州交通部在 Tulsa 的街道開挖和修補工程中，使用快凝型 CLSM，節省 1/3 資金。

目前，國內已經有一些工程在應用可控性低強度材料，但還未見大量有關 CLSM 的報道。由于許多不同性質的材料可作為 CLSM 的原材料，使得 CLSM 的性能靈活可調，所以CLSM 在許多工程上具有廣泛應用范圍。

回填工程：CLSM 可用于各種溝槽管洞、廢棄的隧道、水渠、地下室和其它地下結構的回填工程。CLSM 由罐車澆筑或泵送后硬化成型，無需振動、碾壓、擊實等工序，在相同質量要求的條件下，可大大提高施工進度。并且還能減少相關的機械和人工的使用，降低成本。

路基工程：CLSM 作為路基材料，可以解決粉狀材料平整度與密實度的矛盾和土壤凍融翻漿的現象。CLSM 用于立交橋橋涵臺背回填，可減少回填材料的沉降，降低擋墻荷載。

管道埋設工程：CLSM 能夠很好地滿足電力電訊管道、熱力管道等對底部填充的要求，做到流動的均勻支撐。不同的管路，可在 CLSM 中摻加不同的色料，以便區分。

管道隔熱或散熱工程：摻入隔熱材料或導熱材料在CLSM 中可以滿足管道或建筑物的溫度要求。

管路防腐工程：對于一些有防腐要求的結構和管路，可通過提高 CLSM 密實度，對管道形成保護層，達到防腐要求。由于 CLSM 的 pH 值為 8～12，可以為鑄鐵管提供強堿環境，減少鐵銹腐蝕。但不能用在有大量鋁銅等金屬的工程中。

5 結語

與傳統回填材料相比， CLSM 由于增加了水泥等成分而使得材料成本有所上升，但良好的流動性和自密性使其不會產生承載力不足的問題，故施工時可節省夯實和密實度試驗的費用，降低施工成本，縮短工期，提高施工質量。并且由于 CLSM 流動性好，具有類似于自流平的特性，尤其適用于要求密實度較高的回填工程中，對于狹窄、難以接觸到的地方也能夠施工。考慮施工質量、機械和人工費用、施工速度、開挖方量、工程特殊結構、重復開挖、特種工程需要，CLSM 代替傳統填充材料將成為發展趨勢。

[1] Bernard, R.D., and R.S.Tansle.Laboratory Testing Program for Development of a Lean Mix Backfill Specification[R].Department of Housing and Urban Development, Washington，DC, 1981: 30-32.

[2] Brewer, W.E. Controlled Low Strength Material-Controlled Density Fill(CLSM-CDF)Research-Corrosion Testing[R].The Cincinnati Gas＆Electric Company，Cincinnati，OH.1991.

[3] American Concrete Institute.Controlled Low-Strength Materials(CLSM)[R].ACI 229，1999.

[4] 潘昌林，鄭瑞濱.控制性低強度材料 CLSM 之工程運用[C].臺灣第四屆鋪面材料再生學術研討會論文集[A].臺北：臺灣營建研究院， 2000.

[5] 王棟民，羅小紅.利用工業廢棄物制備可控低強度材料（CLSM）概述[C].第二屆全國化學激發膠凝材料研討會論文集[A].西安: 西安建筑科技大學，2007: 204-210.

[6] M.C.Nagaraija, Y.Nalanda. Performance of industrial by products in controlled low－strength materials(CLSM)[J].Waster Management，2008，28:1168-1181.

[7] 薛永杰，李雄浩，侯浩波.脫硫灰渣制備新型控制性低強度材料的研究[J].粉煤灰，2009, 2: 20-22.

[8] Amnon Katz, Konstantin Kovler. 2004. Utilization of industrial by-products for the production of controlled low strength materials(CLSM). Waste Management, 24: 501-512.

[9] M.A.Gabr, J.J.Bowders. Controlled low-strength material using f ly ash and AMD sludge. J.Hazard Mater. 2000.76: 251-263.

[10] Wen-Yih Kuo, Jong-Shin Huang, Tsze-Eng Tan, Organomodified reservoir sludge as fine aggregates in cement mortars Construction and Building Materials, 2007.21: 609-615.

[11] 成岳，李燕孫，李蔣超. 利用銅礦尾砂研制低強度可控性填料[J].環境科學與技術，2011,34(9): 170-173.