工业废渣用于流动低强度回填材料的研究

工业废渣用于流动低强度回填材料的研究
辛建刚
一、背景
城市建设不断发展，道路和管网随之扩展延伸。大量管道填埋在路床下，管道施工的后续工程便是道路施工。因此管道工程的回填速度和密实度将直接影响道路工程质量，影响路面平整度、行车的平顺性、城市道路面貌以及道路寿命。以往这类沟槽都是回填土或其它松散材料，需经夯实成型工序，施工周期长，质量不宜保证，而且上述缺点经常出现，造成不良影响。为此需研究采用高密实流动回填料，改变采用松散颗粒材料的施工方法，依靠材料自身良好的流动性，不需振动和碾压，就能完全均匀地填充整个管沟，而且强度和密实度均能达到要求，{TodayHot}能解决基础较大沉降的问题。
另一方面，工业废渣的排放量随城市规模扩大而增加，每年排放大量的煤灰渣、钢渣、炉渣、矿渣、泥渣、碎砖和碎混凝土，如果得不到处理将会造成污染，恶化环境。目前北京市工业锅炉排放220万吨煤灰渣，高碑店污水处理厂的泥渣几十万吨，首钢的钢渣几百万吨，其中仅部分具有一定活性的废渣被利用。
流动低强度材料在美国混凝土协会（ACI）C229委员会称为CONTROLLED LOW STRENGHT MATERIALS , 简称“CLSM”。该委员会定义CLSM为具有流动性，抗压强度不超过1200Psi(8.3MPa)的材料。1964年美国“Canadian River Aqueduct Project"曾使用塑性土壤－水泥拌合物在515km的管道铺设中。{HotTag}七十年代早期，美国的Detroit Edison 公司与Kuhlman 公司合作研制高粉煤灰流动低强度填充材料，并由此逐步形成和发展“CLSM”的概念。1984年美国ACI成立C229委员会负责CLSM的工作，进一步研究推广这种材料和概念。1987年C229委员会召开第一次CLSM技术会议，并编写CLSM的技术发展水平报告，该报告在1992年得到ACI的技术活动委员会的批准，颁布在1994年7月“CONCRETE INTERNATIONAL” 和1995年ACI的 “Manual of Concrete Practice”。
目前，为满足工程的需要，已研究和开发各种功能的CLSM材料，有土壤－水泥类、高粉煤灰类、泡沫混凝土；可用于回填、路基、保热、管道铺设、抗渗、防腐等。法国公司也开发类似的产品。国内已经有一些工程在应用低强度材料，但还未见大量有关CLSM的报道。由于许多不同性质的材料可用于CLSM，使得CLSM可灵活调整性能，满足工程的要求。
•可流动：流动性是CLSM的最主要的性能，如普通混凝土一样，可以根据工程要求，任意调整流动度。一般CLSM的流动度在25mm。
•易挖掘：一些结构在使用中要再次挖开，要求材料的强度较低，不能随龄期强度增长太高，故CLSM材料的强度一般在500Psi（3.4Mpa）以下，通常为300Psi（2Mpa），易于人工或机械挖掘。
•不沉陷：CLSM由水拌和而成，由水泥固化和水分蒸发而硬化，均匀且密实，不需震动或碾压密实，没有粉状颗粒回填材料常有的密实度与平整度的矛盾，能够降低施工的难度。
•可快速硬化：通常CLSM在3～5小时硬化，也曾有工程实现浇筑后立即铺设面层材料。而且CLSM可如普通混凝土，掺加速凝剂和缓凝剂，控制硬化时间。
•低渗透：通常CLSM的渗透速率与土壤相似，为10－4 ～10－5cm/sec，在工程的要求下，可以提高抗渗性，渗透速率降低至10－7cm/sec。
•抗冻融：如同普通混凝土，CLSM可以通过加入引气剂，抵抗冻融的破坏。不会出现如处于冻土带的土壤因冻融造成的翻浆现象。
•密度可变：通过加入不同密度的原材料和引气，普通CLSM密度可达到1600Kg/m3,泡沫CLSM的密度可达到320Kg/m3。
•隔热或散热：在拌制CLSM时，可掺入隔热材料或导热材料，以满足管道或建筑物的温度要求。
•回填：CLSM可方便回填各种沟槽管洞，只需罐车浇筑或泵送，无需振动、碾压、击实，减少相关的机械和人工，以及减少肥槽宽度。在达到相同质量要求的前提下，缩短施工时间。还可作为基础结构性垫层，强度可达到10Mpa。另外CLSM可以方便快速回填废弃的隧道、水渠、地下室和其它地下结构。
•路基：CLSM作为路基材料，可以解决粉状材料平整度与密实度的矛盾和土壤冻融翻浆的现象。尤其适宜立交桥桥台背高填土，可减少沉降，降低挡墙荷载。
•管道埋设：一些管道，如电力电讯管道、热力管道等，要求填充底部和均匀支撑，流动的CLSM能够很好的满足要求。甚至可以在CLSM中掺加不同的色料，以标明和区分不同的管路。
•防腐：对于一些有防腐要求的结构和管路，CLSM可提高密实度，形成保护层，防止腐蚀。尤其是CLSM的PH值为8～12，可以为铸铁管提供强碱环境，减少锈蚀。当然CLSM不宜用在有大量铝铜等金属的工程。
•处理废料：CLSM的原材料要求低，可使用废弃的砂土、粉煤灰、钢渣、各种石料废渣（液状或粉状）、破碎混凝土和砖，减少废料处理，保护环境。
1964年Canadian River Aqueduct Project 使用砂土－水泥填埋515公里管线，降低填埋费用40％，每班填埋速度由400英尺（122m）增加到1000英尺（305m）；七十年代 密执安州，蒙罗依，the Entroit Fermi 第二核电站，使用高粉煤灰CLSM回填土槽；1991年 美国科罗拉多交通部（CDOT）改造一排水渠，使用CLSM，费用由40万美元降至17万美元；1993年 CDOT使用CLSM改造旧桥，花费93000美元，节省资金超过50％；1992年起，波士顿港口隧道十年改造工程中将使用CLSM 2.3×106 m3;1993年 丹佛新国际机场应用砂土－水泥回填3.4×105 m3;1995～1996年 俄克拉何马州交通部（ODOT） 在 the City of Tulsa 的街道开挖和修补工程中，使用快凝CLSM，节省资金1/3；安徽省淠史杭灌区护坡使用低强度高引气抗冻混凝土，强度小于10MPa，抗冻指标D50；1996年北京团结湖大厦工程补偿地基中应用泡沫混凝土解决施工中大厦各部位基础的不均匀沉降，而且缩短施工时间。泡沫混凝土的抗压强度为0.12MPa。
二、原材料
1、钢渣，液态渣的性能见下表：
材料 来源 表观密度g/cm3 含泥量% 吸水率%
钢渣 首钢综合利用厂 3.35 7 3.3
液态渣 北京华能高碑店电厂 2.96 2.4 0.1

粒径（mm） 10.00 5.00 2.50 1.25 0.63 0.315 0.16 0.076 筛底
钢渣 17 17 21 9 10 6 6 7 7
液态渣 0 1 14 30 66 88 94 / 100
2、粉煤灰：首钢湿排原状粉煤灰，比重为2.05g/cm3，品质低于三级粉煤灰；
3、水泥：性能见下表。

性能
水泥品种 凝结时间 抗压强度（MPa）
初凝 终凝 7天 28天
矿渣325水泥 3：24 5：03 17.2 35.6
普硅425水泥 3：00 4：40 30.4 52.2
三、试验结果
1、试配：采用普通混凝土配合比设计方法设计拌和物配合比。为保证拌和物有足够的流动性能（塌落度大于20cm），不掺加塑化剂时，只能增加用水量，故选择较大的水灰比。试配组成比例和强度见下表。从表中可知，水泥标号越高，用量越大，则强度越高。过低的水灰比会导致过高的后期强度，故尽可能提高水灰比。另外从试配的强度来看，所列配合比均能够满足回填后所需的强度，但早期强度略低；
水泥
品种 F/C C W W/(F+C) 抗压强度（MPa） 塌落度（cm）
1天 3天 7天 28天
矿渣
325 5 100 404 0.67 0.26 0.59 1.30 6.77 22.5
7 64 342 0.71 0.26 0.42 1.00 6.62 21
9 44 351 0.83 0.15 0.22 0.61 3.89 22
普硅425 2 118 278 0.90 0.46 2.58 6.0 20
2 92 280 1.16 0.30 1.69 3.8 21
2 76 270 1.35 0.27 1.46 3.0 20
4 58 270 1.11 0.19 0.85 2.7 20
4 47 269 1.35 0.14 0.83 2.1 20
4 62 295 0.95 0.17 0.94 2.4 23
6 35 267 1.32 0.14 0.87 2.7 19
6 47 292 0.95 0.17 0.79 3.0 20.5
6 37 273 1.12 0.16 0.83 2.8 20.5
注：F/C为粉煤灰与水泥之比；W为用水量；C为水泥用量；W/（F+C）为水胶比，表中未列出钢渣用量。试块为10cm×10cm×10cm立方体试块。
2.提高早期强度，采用增加水泥用量和使用早强水泥的方法可以提高早期强度，同时减少活性材料的用量可以降低后期强度。
P.O.525 P.O.525R 水 粉煤灰 钢渣 塌落度（cm） 抗压强度（MPa）
12h 1d 7d 28d
100 / 350 380 1500 23 0.13 0.29 0.90 2.78
/ 60 350 420 1420 21.5 0.32 0.38 0.58 2.27
/ 83 326 / 2060 18 0.52 0.57 0.55 1.30

3、不同集料的影响：对于后期强度而言，采用液态渣会比钢渣更低，更适于反复开挖的部位。
硅酸盐水泥525 水 粉煤灰 钢渣 液态渣 细砂 塌落度（cm） 抗压强度（MPa）
1d 3d 7d 28d
98 374 457 1389 / / 21.5 0.38 0.88 1.70 5.77
98 373 409 / 1269 / 24.5 0.40 0.88 1.47 3.82
98 376 390 / / 1219 26.5 0.27 0.69 0.98 2.90

四、应用分析
CLSM的原材料种类很多，但最常用粉煤灰渣低强材料，典型组成和成本分析见下表。另外生产费用每吨估计10元，运费约22元，故每吨总费用约为53元。与目前的三渣价格相当。
典型的CLSM组成 每方用量(公斤) 每吨单价(元) 成本(元)
水泥 60 250 15.0
粉煤灰 180 40 7.2
液态渣 1580 15 23.7
水 360 2 0.7
每方总计 2180 46.6
每吨 21

新回填材料采用混凝土的工艺生产，振捣后自然养护即可。新旧土方工程的工艺比较如下：
旧工艺：挖掘土方 倒运土方 回填胸腔多层碾压 剩余土方回填压实
新工艺：挖掘土方 倒运土方（弃土） 分两层浇筑新材料 剩余土方回填压实
从施工技术上考虑，在不易震捣压实的部位，如管线交叉处，开挖截面较窄处，使用流动回填材料，将有利于简化施工工艺和提高施工质量可配合快速施工。将流动回填材料回填到管道的胸腔部位，不再需要夯实，可以提高回填质量，能够改善管道的受力状态，解决因回填不实造成管道开裂的现象，增加管道的使用寿命。
市政建设验收规范中要求，管道以上500mm之内回填压实度大于85%，而普通路槽1500mm以内要求回填压实度大于90%以上，则在较浅的管道施工中，两个部位发生重叠，就会出现矛盾。如果在管道上方回填流动的回填材料，不再使用碾压和夯实的工艺，就能避免这种矛盾。
五、结语
通过以上分析，采用流动低强度回填材料会使施工成本减少，工期缩短，提高施工质量。考虑施工质量、机械和人工费用、施工速度、开挖方量、工程特殊结构、重复开挖、工程特种需要，CLSM代替传统填充材料将成为趋势。