基于貝殼細料的低強度填充材料性能研究

王建剛，曾波，張金喜，楊玉杰，孫景鳳

（1.北京都市綠源環保科技有限公司 固廢研發中心，北京 102601；2.北京工業大學 交通工程北京市重點實驗室，北京 100124）

0 引言

我國貝類產品種類繁多，且產量巨大。據不完全統計，我國每年貝類產量達數千萬t，位居世界第一[1]。與之伴隨產生的是大量的廢棄貝殼，每年可達1000萬t以上。大量的廢棄貝殼由于得不到有效處理與消納而被作為固體垃圾隨意丟棄，不但占用大量土地資源，還污染環境，在一定程度上對人們的健康問題也帶來一定威脅。

隨著環保要求的提高及人們環保意識的不斷增強，廢棄貝殼的再生循環利用研究受到廣泛關注。貝殼的主要成分為碳酸鈣，具備一定的附加值。目前，除少量作為裝飾品以外，貝殼還可以用于土壤修復、重金屬提取、污水處理、食品醫藥、各種添加劑等領域，如制備土壤改良劑、殺菌劑、吸附劑、催化劑與生物填料等[2-4]。此外，還有少數研究將貝殼替代天然砂制備水泥混凝土或水泥砂漿[5-7]，但不足之處在于替代率較低，資源化利用量較少。有研究表明[8]，當貝殼替代天然砂的比率超過3.0%時，水泥混凝土或砂漿的抗壓強度出現一定程度的下降，當替代率達到8.0%時，其工作性能損失顯著。

廢棄貝殼的資源化利用方式不斷增多，但均因為再生利用率低、深加工成本高、需要清洗煅燒等復雜工藝而普遍存在實際消納量不足、市場需求低等問題。同時在實際工程中因回填壓實不足問題而導致的各類道路病害問題較為嚴重。本研究將廢棄貝殼再生細料應用于低強度水泥基填充材料中，通過測試其工作性能與力學性能來評價貝殼細料用于道路、市政等回填工程中的可行性。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，初、終凝時間分別為140、180 min，3、28 d抗壓強度分別為29.2、53.8 MPa，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；粉煤灰：F類Ⅲ級，細度（0.045 mm方孔篩篩余）為35%，需水量比110%，燒失量15%，符合GB/T 1596—2005《用于水泥與混凝土中的粉煤灰》的要求；減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率20%，固含量為（20±1）%；水：自來水；貝殼細料：廢棄貝殼經破碎篩分后制得，粒徑小于4.75 mm，其細度模數為2.0，屬于細砂，吸水率2.63%，堆積密度1237 kg/m3，表觀密度2732 kg/m3。貝殼細料的篩分結果見圖1，XRD圖譜見圖2。

圖1 貝殼細料的篩分曲線

圖2 貝殼細料的XRD圖譜

由圖1可知，貝殼細料粒徑分布主要集中于0.3~1.18 mm，這主要與貝殼自身呈薄片狀態有關。同時參考GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細骨料》可知，從級配角度，該貝殼細料不適于制備混凝土和砂漿。由圖2可知，貝殼細料的主要成分為CaCO3和SiO2。

1.2 配合比設計

參考文獻[9-10]的配合比設計方法，本研究中選擇設計參數為灰砂比（水泥與貝殼細料的質量比）與水固比，設計了16組不同配比的低強度填充材料，如表1所示。其中，灰砂比分別為0.04、0.08、0.12、0.16，水固比分別為0.31、0.32、0.33、0.34。通過調節貝殼細料的用量使設計密度控制在1950~2000 kg/m3，粉煤灰用量為貝殼細料質量的20%，減水劑總摻量為水泥質量的3.5%。

表1 低強度填充材料的配合比

1.3 試驗方法

將水泥、粉煤灰、烘干后的貝殼細料按設計配比加入拌和鍋中，先干拌60 s，然后將減水劑隨拌和水一同加入進行攪拌，再攪拌120 s后即得到低強度填充材料。測試新拌材料的流動度與泌水率，然后將拌合好的材料澆筑試模，24 h后拆模并移至標準養護室中養護，養護至設計齡期后測試抗壓強度。

流動度測試：參考ASTM D6103《可控性低強度材料的流動連續性標準試驗方法》進行，采用Φ75×150 mm空心圓柱體試模，流動度測試如圖3所示。

圖3 流動度測試

泌水率測試：參考ASTM C232/C232M-14《水泥混凝土泌水率標準試驗方法》進行，所用圓柱桶試模容積約為1 L，內壁直徑與桶高為（109±1）mm。

抗壓強度測試：參考ASTM D4832《控制性低強度材料圓柱試件標準試驗方法》，試件尺寸為Φ50×100 mm，采用路用材料性能檢測儀進行測試，加載速率為1 mm/min。

2 結果與分析

2.1 低強度填充材料的流動度

良好的流動性是低強度填充材料實現自填充、自密實的基礎，也是其最典型的特征。測試了不同配比低強度填充材料的流動度，結果如圖4所示。

圖4 不同配比低強度填充材料的流動度

由圖4可見，相同灰砂比下，水固比越大，流動度就越大，這與文獻[9]的結論基本一致。水固比越大，用水量越多，自由水含量越多，便于新拌混合材料的流動。相同水固比下，流動度隨灰砂比的增大呈增大的趨勢。這主要是因為灰砂比的增大使得水泥漿體量增加，提升對富含棱角的貝殼細料的裹覆性，減少貝殼細料之間的摩阻力，從而提高新拌材料的流動性。為保證低強度填充材料具備優越的自填充性能，其流動度不宜小于180 mm[11]。因此，當灰砂比為0.04時，水固比宜大于0.32；而灰砂比為0.08時，水固比宜大于0.31。

2.2 低強度填充材料的泌水率

泌水率過大，在一定程度上會影響水泥基材料的凝結時間，同時也會在一定程度上削弱其力學性能。測試了不同配比低強度填充材料的泌水率，結果如圖5所示。

圖5 不同配比低強度填充材料的泌水率

由圖5可見，灰砂比固定時，泌水率隨水固比的增大而增大，即增加用水量提升流動度的同時也越容易導致泌水現象發生，因此在配合比設計時，流動度滿足工程應用即可，不宜通過大幅增加用水量而追求過高的流動性能。水固比固定時，泌水率隨灰砂比的增大而減小。其原因是灰砂比增大使得水泥用量增加，而水泥漿體保水性能良好，從而使得泌水率減小。當前，關于低強度填充材料的泌水率問題并未有明確的限定值，而根據文獻[12]的研究結論可知，泌水率不大于8%時是可以被接受的。因此，本研究中除了灰砂比為0.04、水固比為0.34試驗組外，其余組均滿足要求。

2.3 低強度填充材料的抗壓強度

測試了不同配比低強度填充材料在不同齡期的抗壓強度，結果如圖6所示。

圖6 不同配比低強度填充材料的抗壓強度

由圖6可以看出，不同配比試件的抗壓強度均隨養護齡期的延長而持續提高，齡期超過28 d后抗壓強度仍存在較為明顯的增長，而超過56 d后強度增長相對緩慢。以圖6（a）為例來說明，水固比為0.31~0.34時，試件56 d抗壓強度較28 d抗壓強度提高了19.3%~47.0%，而90 d抗壓強度較56 d抗壓強度提高了8.2%~10.4%。這種強度增長規律主要與膠凝材料的水化反應特性有關。為保證低強度填充材料有優良的工作性能，在配合比設計時摻加了較大比例的粉煤灰，因其二次水化反應速率較慢且持續進行，因此抗壓強度在超過28 d后呈現不同程度的增長。同時可以明顯看出，相同灰砂比下，水固比越大，固化后產生的孔隙越多，強度越低。相同水固比下，灰砂比越大，膠凝材料用量越多，生成的膠凝產物更多，強度就越高。

低強度填充材料用于道路管溝回填工程時，考慮到管道維修需要二次開挖的可能性，其抗壓強度宜控制在0.3~2.1 MPa[13]。由圖6可知，為確保基于貝殼細料的低強度填充材料具有可開挖性，其灰砂比不應大于0.08，且灰砂比為0.08時，水固比不宜小于0.33。當低強度填充材料應用于柔性路面的基層、底基層等部位時，抗壓強度宜控制在2.8~8.3 MPa[13]。因此，本研究中制備的低強度填充材料應用于上述結構層時，為保證其具有足夠的承載力，灰砂比不宜小于0.12。

參考文獻[12]中基于建筑垃圾細料制備的回填材料強度預測模型構建方法，以灰砂比與水固比為參數建立如式（1）所示的關系式：

式中：fc，t——試件在齡期為t時的抗壓強度，MPa（t=28、56、90 d）；

α——灰砂比；

β——水固比；

at、bt——對應于齡期為t時的回歸系數。

模型擬合結果如表2所示。

表2 擬合結果

由表2可以看出，擬合的強度預測模型R2均在0.96以上，擬合優度較高，可以對低強度填充材料的強度進行預測，以及為其配合比設計提供參考。

3 結論

（1）水固比一定時，隨灰砂比的增大，低強度填充材料的流動度隨之增大，泌水率減小；而灰砂比一定時，隨水固比的增大，低強度填充材料的流動度與泌水率均增大。

（2）增加用水量對新拌混合材料工作性能的影響具有雙面性，在配合比設計時，流動度滿足工程應用即可，不宜通過大幅增加用水量而追求過高的流動性能。

（3）增大灰砂比會提高低強度填充材料的抗壓強度，而增大水固比會降低其抗壓強度。應用于具有二次開挖需求的工程時，其灰砂比不宜大于0.08，當其應用于道路基層、底基層等部位時，其灰砂比不宜小于0.12。

（4）建立了不同齡期下低強度填充材料強度預測模型，可以為配合比設計提供參考。

（5）整體而言，利用貝殼細料制備低強度填充材料是可行的，且適用于各類填充工程，充分提高廢棄貝殼的資源化再生利用率，有效解決貝殼廢棄物消納水平低的問題，同時解決傳統壓實填充材料因施工空間狹小而無法保證壓實質量的難題，解決管道溝槽填充后因強度過高而檢修開挖困難的問題。