建筑廢土制備可控低強度材料的試驗研究

劉浩， 朱祐增， 黃銳， 張鵬

(中國地質大學(武漢)工程學院， 武漢 430074)

近年來，隨著建筑工程大量建設產生了大量的工程廢土，往往需要運送到郊區，造成了資源的浪費，如何進行資源利用是一個嚴峻的問題[1]。同時，隨著中國管道里程的高速建設，接近使用壽命的管道越來越多，時常出現因為管道的老化、滲漏、噴涌，出現地面沉降、路面塌陷以及交通事故，嚴重影響著人民群眾的財產安全，產生這一系列問題的一個主要原因是管道周圍回填材料壓實質量不足[2]。因此，利用建筑廢土代替砂石骨料制備可控低強度材料應用于管道工程回填有著不錯的前景。

根據美國混凝土協會(ACI)229的定義，可控低強度材料(controlled low strength materials, CLSM)是一種自密實和自平整以及高流動度的低強度材料，對于不能采用大型壓實裝備壓實的區域進行有效回填,當它強度低于2 MPa時，有利于將來的管道開挖。CLSM經久耐用、經濟、易于鋪設而不用振動，不需要大量勞動力，可以進行很好的結構性填充，與傳統的回填相比更具吸引力和實用性，用于填充管道墊層、地基墊層、橋臺填充方面有著廣泛的應用前景。一般而言，CLSM主要由水泥、粉煤灰、砂石以及水泥配合而成，近年內，中外很多學者利用綠色、可持續發展的材料，如高嶺土[3]、橡膠顆粒[4]、脫水污泥和垃圾焚燒底灰[5]、高爐礦渣[6]、建筑垃圾[7-8]，研究其作為骨料生產CLSM的可能性。在眾多骨料原材料中，廢土更易獲得且更廉價，成為制備CLSM的一種新途徑。目前中外對土基CLSM開展了一系列研究， Kim等[9]利用砂石土制備CLSM，并發現添加砂土之后，大幅改善了CLSM的穩定性；Chittoori等[10]采用高塑性黏土制備CLSM，得出添加高塑性黏土后要使混合物具有流動性，需要較大的水膠比；郝彤等[11]利用盾構渣土制備土基 CLSM 的可行性，并制備出符合流動性回填的CLSM。在現有技術和研究下，土基CLSM強度形成機理還不明確以及土基CLSM的配合比設計思路還不成熟。

因此，現利用建筑施工中產生的工程廢土代替常規的砂石骨料，研究廢土添加對CLSM物理性能、力學性能的影響，提出一種土基可控低強度材料的配合比設計思路，研究水膠比、廢土取代率、膠凝材料中水泥的摻量3種因素對于CLSM流動度、泌水率、無側限抗壓強度的影響，并通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)、能譜分析(energy spectrum analysis，EDS)等微觀分析手段對其強度形成機理進行分析。

1 實驗

1.1 試驗材料

試驗基本材料為工程廢土、砂石、粉煤灰、水泥以及自來水。砂石為天然河砂，細度模數為2.4，為中砂。工程廢土是來自武漢某工程開挖而產生的棄土，廢土中含有石子以及其他雜質，用5 mm篩子進行篩選，對大顆粒物質進行篩除，在試驗之前，用烘箱對建筑廢土以及砂石烘干，以免骨料中含有的水分對于實驗的影響，液限ωl=15.3，塑性指數Ip=17.3，天然含水率為20.18%，廢土的粒徑集配曲線如圖1所示。水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為F類三級粉煤灰，水泥、粉煤灰主要化學成分如表1所示。

表1 水泥、粉煤灰主要化學成分Table 1 Main chemical composition of cement and fly ash

圖1 建筑廢土的粒徑級配曲線Fig.1 Grain size grading curve of building waste soil

1.2 試驗方案

試驗方案如圖2所示，以建筑廢土和砂石為細骨料，建筑廢土以0、10%、20%、30%等質量取代砂石，水泥以及粉煤灰作為膠凝材料，摻加量以砂石的量為基準(100%)，其他摻量為與砂石的用量之比的百分率；研究水膠比對于不同廢土摻量CLSM工作性能的影響，測出不同水膠比不同廢土摻量情況下的流動度以及泌水率，共設計了16組，得到具有高流動度的CLSM；在此前提下，對于高流動度的CLSM，設置水泥摻量為18%、27%、36%研究膠凝材料中水泥的摻量對于CLSM流動度、泌水率以及無側限抗壓強度的影響，并進行SEM掃描電鏡檢測以及EDS能譜分析，最后利用Image-ProPlus6.0圖片分析軟件對所得的CLSM圖片進行分析、處理。圖2為本文具體的的實驗流程圖；圖3為流動度試驗、泌水率試驗、無側限抗壓強度試驗、掃描電鏡試驗示意圖，試驗配合比如表2所示。

表2 水膠比對CLSM性能的影響Table 2 The effect of water-binder ratio on the performance of CLSM

圖2 實驗流程圖Fig.1 Experimental flowchart

圖3 試驗示意圖Fig.3 Test schematic

1.3 試驗方法

試驗研究的CLSM的物理力學性能有流動度、泌水率、濕密度、無側限抗壓強度。目前在中國，沒有專門對于CLSM的具體規范，本文主要依據美國ASTM相關標準。流動度、濕密度試驗參照ASTM D6103[12]中測試方法；泌水率試驗參照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土實驗規程》[13]中泌水率測試方法；CLSM無側限抗壓強度試驗參考 JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法進行測試》[14]，試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。

微觀試驗主要包括SEM掃描電鏡檢測以及EDS能譜分析。將無側限抗壓強度試驗后的殘塊進行收集，利用微型切割機對殘塊進行切割，切出尺寸15 mm×15 mm×15 mm的微型試樣塊。然后將其放入45 ℃的烘箱中干燥后，用砂紙打磨其表面，使其平整，清潔，并用氣球吹掉表面的雜質。采用小型離子濺射儀在其表面進行鍍膜，由于試樣塊導電性很差，對其進行數次噴金保證其導電性。噴金完成后，放入掃描電鏡進行觀測，對其試樣表面進行500倍、1 000倍、3 000倍和5 000倍的成像，通過調整對比度以及亮度等，在最清晰的時候保存圖片。最后利用Image-ProPlus6.0圖片分析軟件對所得的CLSM圖片進行分析、處理。

2 試驗結果與分析

2.1 水膠比對土基CLSM的影響

作為流動性回填的可控低強度材料，良好的流動性以及較低的泌水率是其優良工作性的保證，美國ASTM將CLSM的流動性分為三級，流動度大于200 mm就認為其具有高流動度，可以進行狹窄以及縫隙進行流動回填。本試驗在確定其他組分不變的情況下，調節水膠比使不同廢土含量的CLSM從低流動度到高流動度進行試驗研究，研究流動度與泌水率之間的關系，選擇高流動度、具有較低泌水率的具有優良工作性能CLSM。

不同水膠比、不同廢土摻量CLSM流動度的變化情況如圖4所示。不同廢土摻量下的CLSM流動度隨著水膠比的增大而增大，并且隨著骨料中廢土的增加，CLSM滿足最基本的流動所需的水膠比也在不斷增加。隨著廢土摻量從0增長到10%、20%、30%，滿足基本的流動所需的水膠比分別為1.13、1.16、1.27、1.40，水膠比的增長速率為2.65%、9.48%、10.2%，需水量的增長幅度不斷增加，為了達到高流動度的CLSM，在廢土摻量增加的情況下，需要增大水膠比以滿足流動性要求。

圖4 水膠比對于CLSM流動度的影響 Fig.4 Influence of water-binder ratio on CLSM fluidity

圖5為不同廢土摻量不同水膠比下CLSM的泌水率變化情況，可以看出，隨著流動度的增加，CLSM的泌水率也在不斷增加。在廢土沒有摻入的情況下，無論是低流動度還是高流動度，CLSM的泌水率都大于8%，不適合應用。隨著建筑廢土摻量的增加，CLSM的泌水率減小明顯，廢土摻量為20%、30%時，流動度大于200 mm的CLSM泌水率均低于8%，在高流動度下，仍能保持相當低的泌水率，建筑廢土的摻入很好地減小了CLSM的泌水、離析，并且，建筑廢土摻量越多，降低泌水的效果越好。 Kim等[9]同樣闡明了這一點，隨著土含量的相應增加，所制備混合物的流動性下降，含土的CLSM的流動性都低于純砂骨料的CLSM。廢土可以作為一種可行的材料來改善所提出的CLSM混合物的穩定性以及泌水水平。

圖5 不同水膠比下CLSM的泌水率Fig.5 Bleeding rate of CLSM under different water-binder ratios

2.2 水泥摻量對高流動CLSM物理、力學性能的影響

在回填工程中，對于正常回填不能到達的區域，需要滿足一定的流動度，在自重作用下可以滿足自流平，以達到良好的回填效果。因此，在上述試驗的基礎上，選擇不同廢土百分數摻量下高流動度的第2、7、11、16組，它們的流動度分別為225、215、205、250 mm，都屬于ASTM所規定的高流動度的CLSM，在此種情況下，通過改變膠凝材料中水泥的摻量，分別設置為水泥占膠凝材料的18%、27%、36% 3種水泥摻量，研究在高流動度的CLSM，水泥摻量的變化對于CLSM物理、力學性能的影響,試樣編號“18%—10%”為水泥摻量為18%、廢土摻量為10%的CLSM組別，試驗結果如表3所示。

表3 膠凝材料中水泥摻量對于CLSM物理力學性能的影響Table 3 Influence of cement content in cementing material on physical and mechanical properties of CLSM

圖6為不同水泥摻量CLSM流動度的影響規律。由圖6可知，隨著膠凝材料中水泥摻量的增加，CLSM的流動度不斷降低。廢土摻量為10%時，水泥摻量從18%增加到27%與36%，流動度分別從225、215、210 mm，分別降低約4.4%和6.7%。圖7為不同水泥摻量對于CLSM泌水率的影響，從圖7可以看出，隨著水泥摻量的增加，略微降低了CLSM的泌水率。在廢土摻量為10%，水泥摻量從18%增加到27%與36%，CLSM的泌水率分別為15%、13.8%和12%，分別降低約8%和20%。產生上述現象的主要原因是隨著水泥摻量的增加，粉煤灰摻量會減少，粉煤灰的比重比水泥低很多，用等量的水泥替代粉煤灰，會減少凈漿量以及粉煤灰的“滾珠潤滑”效應，這兩方面導致了CLSM流動度的降低。

對比圖6和圖7，隨著建筑廢土摻量的增加，CLSM的泌水率不斷降低，且泌水率降低的速率大于廢土添加的速率。廢土摻量從0到10%、20%、30%，CLSM的3種不同水泥摻量平均泌水率分別為20.3%、13.6%、6.9%，泌水率隨著廢土摻量增加降低顯著。當廢土摻量為10%和20%時，3種水泥摻量的平均流動度分別為216 mm和210 mm，它們的平均泌水率為13.6%和6.9%，二者流動度相差不大，但是泌水率降低了49.3%，可以得出增大廢土摻量可以很好地降低泌水。廢土的加入使CLSM整體的勻質性、黏聚性更好，在很好流動度的情況下，可以保證較低的泌水率。對比未添加廢土以及添加廢土10%的CLSM，未添加廢土，在泌水率超過20%，在回填工程中，這樣的CLSM是不可用的，當添加了10%的建筑廢土之后， 泌水率下降了31.5%，泌水率下降相當顯著，添加廢土制備CLSM很好地改善CLSM在高流動度情況下的離析、泌水現象，大大提高了CLSM的工作性能。

圖6 不同水泥摻量CLSM流動度的影響 Fig.6 Influence of different cement content on CLSM fluidity

圖7 不同水泥摻量對于CLSM泌水率的影響Fig.7 Influence of different cement content on bleeding rate of CLSM

同時，進行了在不同水泥摻量CLSM的濕密度量測，如圖8所示，可以看出，水泥摻量的增加略微提高了CLSM的濕密度，但是整體來說，對于CLSM的濕密度影響不是特別顯著。隨著廢土摻量的增加，CLSM的濕密度不斷降低。廢土摻量從0到10%、20%、30%，不同水泥摻量的濕密度的平均值為2 033、2 010、1 984、1 909 kg/m3，濕密度平均值的降低率從1.1%增加到1.3%、3.8%，CLSM的濕密度隨著廢土產量的增加降低的速率不斷增大。濕密度的顯著降低的主要原因是：砂石的干密度大于建筑廢土的干密度，并且為了在保持高流動度情況下，廢土摻量從0到30%，水膠比由1.20增加到1.54，水的密度遠低于砂石以及建筑廢土，在這種情況下，隨著廢土摻量的不斷增加，濕密度降低的速率將會不斷增大。

圖8 不同水泥摻量下CLSM的濕密度Fig.8 Wet density of CLSM with different cement content

為研究在不同水泥摻量情況下不同廢土摻量情況下的強度，進行了3、7、28 d無側限抗壓強度試驗，如圖9所示。當廢土摻量為10%，水泥摻量為18%、27%、36%時，CLSM 3 d的抗壓強度為0.53、0.8、1.1 MPa，隨著水泥摻量的增加，強度的增長為50.9%、100.7%，近似于成比例增長，水泥材料添加的多少主要影響著材料強度的發展。因此，設計不同強度的符合不同力學條件的CLSM主要可以控制水泥摻量的變化以滿足不同的回填要求。水泥摻量為18%時，未添加廢土28 d的無側限抗壓強度為1.3 MPa，當添加10%的廢土， 28 d的無側限抗壓強度為0.78 MPa，強度降低了66.7%；水泥摻量為36%，未添加廢土28 d的無側限抗壓強度為2.09 MPa，當添加10%的廢土，28 d的無側限抗壓強度為1.71 MPa，強度降低了18.2%，可以得出，添加廢土對于CLSM的強度影響顯著，強度的減少速率大于廢土添加摻量的速率。從以上得出，水泥以及廢土摻量主要影響著CLSM強度的發展。

圖9 不同水泥摻量下CLSM的3、7、28 d的無側限抗壓強度Fig.9 Unconfined compressive strength of CLSM in 3 d, 7 d and 28 d with different cement content

并且隨著齡期的增加，土基CLSM的強度的不斷增加，研究3、7、28 d的強度之間的關系，探索前期與后期之間強度的發展關系。對于3 d與7 d、28 d的無側限抗壓強度進行擬合，如圖10所示，該擬合公式意在對CLSM的后期強度進行預測。總體趨勢是，隨著時間的增長，CLSM的無側限抗壓強度不斷增加。擬合公式如圖10所示，擬合的效果良好，可以得出，7 d的無側限抗壓強度約為3 d的1.45倍，28 d的無側限抗壓強度約為3 d的1.91倍，隨著齡期的增加，強度的增長速率存在差異，在施工中，可以利用前期3 d的強度對后期的強度進行預測。

圖10 土基CLSM 3 d、7 d、28 d的強度擬合Fig.10 Strength fitting of soil base CLSM at 3 d,7 d and 28 d

3 土基可控低強度材料的微觀分析與計算

3.1 土基CLSM微觀分析

圖11為0、10%、30%廢土摻量下CLSM表面放大1 000倍SEM圖片，明顯可以看出，添加建筑廢土的圖片與未添加建筑廢土的圖片存在明顯的差異，圖11(a)為沒有添加建筑廢土的CLSM，圖中較大的砂石顆粒組成了CLSM的骨架，其骨架中間填充有水泥水化產物，絮凝狀C—S—H和針棒狀AFt堆疊，它們附在砂石骨料周圍，形成很好的連接結構，這種結構能夠承載較大的外力。圖11(b)廢土添加10%之后，CLSM由砂石骨料以及黏土絮凝體以及微量的水泥水化產物所組成，彼此之間呈現堆積接觸狀態，連接力微弱；圖11(c)廢土添加30%，水泥水化產物更少，大量的疊聚體堆結，粒狀體以及片狀體相對獨立，存在大量的孔隙。隨著建筑廢土摻量的增加，CLSM中的水化產物含量越來越少，黏土顆粒與砂石之間有大部分空隙未被填充，在砂石表面以及砂石與土團粒之間水化產物產量減少，添加廢土之后CLSM的微觀結構發生了巨大的改變。

圖11 不同廢土摻量下CLSM的SEM圖片(1 000倍)Fig.11 SEM images of CLSM with different wasteland content(×1 000)

對于未添加廢土以及廢土添加30%，試驗編號為27%-0和27%-30% 7 d的試樣進行EDS能譜分析，如圖12所示，二者的CLSM試樣中含有的元素主要有鈣、硅、鋁、氧等，但是試樣二者之間元素所占的比例相差很大，表4為CLSM試樣中的原子百分比，未添加廢土的試樣中n(Ca)/n(Si)為1.1，當添加廢土30%之后，該比值變為0.09，變化幅度很大，從表4可以看出，添加廢土之后，添加了廢土之后，CLSM中的鈣原子所占的百分比大大降低，導致了土基CLSM強度的降低。

表4 CLSM試樣中的元素組成Table 4 Element composition of CLSM sample

圖12 試樣的EDS能譜分析Fig.12 Energy spectrum analysis of the specimen

3.2 微觀計算分析

利用Image-ProPlus6.0 軟件對試樣編號為27%-0、27%-10%、27%-30% SEM微觀圖像進行處理，計算孔隙的最大面積、孔隙面積的平均值、孔隙半徑的最大值、孔隙半徑的平均值以及孔隙面積所占的百分比，計算結果如表5所示。

表5 試樣微觀孔徑統計分析表Table 5 Statistical analysis table of microscopic pore size of sample

試樣處理前后的SEM 圖像對比(3 000 倍)如圖13所示，圖像左邊為原圖，右圖為黑白二值化圖像，白色區域為孔隙。由圖13可知，圖像表面白色區域即孔隙越來越大。在未添加廢土時，平均孔隙面積為1.01 μm2，試樣27%-10%的平均孔隙面積為2.64 μm2，試樣27%-30%的平均孔隙面積為20.58 μm2，可以得出，未添加廢土之前，孔隙面積較小，且孔隙中填充的水泥水化產物較多，廢土添加越大，填充的水泥水化產物減少，孔隙的面積越大，且CLSM微觀的接觸關系也發生了變化，由面接觸部分轉變為點接觸。

圖13 SEM 圖像以及黑白二值圖片(3 000 倍)Fig.13 SEM images and black-and-white two-value pictures (×3 000)

試樣27%-0、27%-10%、27%-30%的孔隙率分別為17.96%、35.12%、60.36%，隨著廢土的添加，CLSM孔隙率逐漸增大，從圖9可知，CLSM的強度不斷的降低。產生這種現象的主要原因是： CLSM的孔隙主要由水泥水化產物所填充，廢土的添加導致顆粒之間水化產物產量減少，顆粒之間的接觸關系逐漸發生了改變，廢土添加越多，強度降低越大。

水泥的水化反應是CLSM的強度主要來源，水化的水化產物主要為C-S-H、C-H、AFt，其中C-S-H作為主要的膠結物質，填充土與砂石之間的孔隙，從SEM圖片可以看出，隨著廢土摻量的增加，骨料之間的水化產物C-S-H、C-H、AFt越來越少；由IPP處理的黑白二值圖片得出，隨著廢土摻量的增加，不同廢土摻量的CLSM的孔隙以及孔隙率越來越大；無側限抗壓強度試驗得出，隨著水泥摻量的增加，土基CLSM的強度不斷增加。填充了廢土之后，水泥水化產物減少，使CLSM的孔隙率增大，直接導致了強度的降低；水泥摻量增加，水化產物增加，說明了水泥水化反應直接影響著CLSM的強度。

當黏土與水以及水泥一起存在時，會發生一系列反應，當水泥與水以及骨料拌和后，整體中會存在相當多的Ca2+，它會與黏土表面的K+、Na+進行離子交換，離子交換作用使黏土表面雙電層變薄，使顆粒之間連接更緊密，土顆粒之間團粒化[15]，形成團粒。黏土表面吸附這樣將會是孔隙中Ca2+減少，對水泥的水化產生影響，C-S-H、C-H、AFt等水泥水化產物的減少，造成了CLSM強度的降低。同樣，增加水泥摻量，可以減少因離子交換造成的強度降低。另外，黏土本身的粘結以及團粒化對于CLSM孔隙之間填充和連接，但是黏土的連接以及離子交換形成的團粒[16]相對于水泥水化產物弱得多。

4 結論

(1)利用水膠比與膠凝材料中水泥的摻量作為配合比設計參數，對CLSM進行物理、力學性能的試驗，制備出流動度大于200 mm、泌水率低于8%、28 d無側限抗壓強度低于2 MPa的具有優良工作性能CLSM。

(2)廢土的加入會對CLSM的性能有著顯著影響，隨著廢土摻量的增加，滿足CLSM流動性所需的初始水膠比不斷增大，且水膠比增加的速率不斷增大，但是廢土摻量的增加可以有效降低泌水率，廢土可以作為一種可行的材料來改善所提出的CLSM混合物的穩定性以及泌水水平。

(3)對于高流動度的CLSM進行物理力學性能試驗，得出隨著水泥摻量的增加，對于CLSM的流動度以及泌水率有一定程度的減少，抗壓強度隨著水泥摻量不斷增加，并且隨著廢土摻量的增加，對于CLSM的強度顯著降低。水泥摻量和廢土摻量是影響土基CLSM的強度的關鍵因素。

(4)通過微觀分析以及計算得出，增加廢土摻量會導致CLSM中的孔隙逐漸增大，顆粒之間水化產物產量減少，顆粒之間的接觸關系發生改變，CLSM的強度不斷降低。