利用地铁盾构渣土制备高流态充填材料

2020-06-18冷发光

硅酸盐通报 2020年5期

郝彤，王帅，冷发光

(1.郑州大学土木工程学院，郑州 450000;2.中国建筑科学研究院有限公司,北京 100013;3.建研建材有限公司,北京 100013)

0 引言

地铁开辟了人类的地下空间，减轻了地面上的拥挤，人口密集的大都市的出行难问题得到了一定的缓解。但是，随之而来的环境问题，盾构渣土的处理问题，不得不引起重视。以郑州市为例，根据规划显示，到2050年郑州将有轨道交通线路21条，车站503座，总里程达945.2 km，若隧道区间直径按6.4 m计算，则每千米地铁开挖将出土约3.2万方，仅郑州市将出土300万方。另据统计，截止2020年，全国将有33个城市配有177条地铁线，总里程达到7 395 km，将出土2.3亿方。然而，目前处理方式多采用粗放式堆填。地铁盾构渣土掺加一定量的矿物类膨润土、表面活性剂等，形成一种“塑性流动状态”，使得堆积高度降低，占地面积大幅增加。地铁盾构渣土正面临着堆放难、处理难、利用难的局面。

目前，对地铁盾构渣土利用研究较少且以制备砖和陶粒等建材为主。如文献[1]指出利用盾构干化土、盾构固渣、煤矸石为原料，以65%～80%、10%～30%、15%～25%的质量配合比，压制烧结成砖。其质量完全满足GB/T 5101—2003《烧结普通砖》相关要求，强度可达18～25 MPa,冻融试验后质量损失小于1%，无明显变形、泛霜情况发生。文献[2]利用土壤固化技术生产渣土免烧砖，如广西永固砖业有限公司生产的“固化土壤多孔砖”。张腾飞等[3]以地铁渣土为主料，粉煤灰为辅料，在一定温度下成功烧制出900密度等级的渣土陶粒，制备的渣土陶粒呈浅棕色，表面光滑且有完好的釉质层，内部疏松多孔，呈蜂窝状，最大孔径在100 μm左右，且有少量的连通孔。李海斌等[4]以盾构渣土为主要原料，辅以氧化镁混合改性，在较低温度下制备一种强度适中、性能优异的水体除磷陶粒。高瑞晓等[5]用地铁渣土制备出不同粒径(10～15 mm、15～25 mm)的800密度等级渣土陶粒。文献[6-7]均以地铁渣土为主要原料加入水泥、生石灰等固化剂，制备出免烧陶粒，该陶粒具有成本低，节能、低碳环保等优点，所制备的免烧渣土陶粒、免蒸免烧陶粒都可用于吸附净水以及固化重金属离子。另外，郝彤等[8]探索了利用地铁盾构渣土制备水泥混合材的可行性，试验表明通过煅烧可以激发地铁盾构渣土的活性使其活性满足二级粉煤灰的要求。文献[9]利用建筑渣土制备CLSM，并对其性能进行研究。

综上，利用方式均需先烘干后利用，不利于节能减排和大规模利用。美国混凝土协会将可控低强度材料 (Controlled Low Strength Material,CLSM)定义为一种具有高流动性，在自重作用下无需或少许振捣可自行填充，形成自密实结构的替代传统回填材料的胶凝回填材料，28 d无侧限抗压强度不得大于8.3 MPa，但须大于0.3 MPa(优质土壤的抗压强度为0.3～0.7 MPa)[10-12]。Sheen等[13]发现低液限土制的土基控制低强度材料(CLSM)具有良好的挖掘性能，并且指出高炉矿渣部分取代水泥，可以提高流动性，但凝结时间将会延长。Anand等[14]利用高塑性土也成功制备出CLSM，并建议把流动性和密度特性作为评价CLSM可行性的两个关键指标，而且将其应用到了管沟回填工程中，取得了良好的经济和环境效益。本试验参考国外CLSM的概念并依据盾构渣土的自身特点，提出直接利用地铁盾构渣土制备流动度≥180 mm，泌水率5%～8%的盾构渣土-可控低强度材料代替传统回填材料。

1 实验

1.1 试验材料

水泥为河南荥阳天瑞水泥集团有限公司生产的天瑞牌P·O 42.5水泥，其各项物理性能指标均满足国家规范GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》[15]规定的指标要求；选用Ⅰ级粉煤灰，其性能指标均符合国家规范GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[16]的要求；细骨料选用级配良好的中砂，选用具有代表性地铁盾构渣土，其颗粒级配和物理性能指标如表1和表2所示，XRD检测结果如图1所示。

表1 盾构渣土颗粒级配Table 1 Particle grading of shield muck

表2 盾构渣土基本物理性能Table 2 Basic physical performance of shield muck

1.2 试验方案设计

本试验原料主要包括水、普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)、中砂、盾构渣土和粉煤灰制备盾构渣土-CLSM。试验以盾构渣土和中砂为细骨料，以盾构渣土30%、40%等质量取代中砂。水泥掺量为细骨料质量的10%，矿物掺合料为外掺法，掺量同样按细骨料质量的百分比。选用2.46、2.58、2.70、2.82四个水灰比探讨不同水灰比对流动性、泌水率以及无侧限抗压强度的影响规律。同时，在水灰比2.70和2.82下探讨0%、5%、10%、20%粉煤灰掺量对流动性、泌水率以及无侧限抗压强度的影响规律。

图1 盾构渣土XRD谱Fig.1 XRD pattern of shield muck

图2 流动性测试筒及试验结果Fig.2 Fluidity test tube and test results

1.3 试验方法

流动性和无侧限抗压强度是衡量CLSM的两个最重要指标。本试验流动性测试方法参照ASTM D6103的圆筒标准试验方法使用φ75 mm×150 mm的圆筒测量拌合物的坍落度和扩展度，流动性测试筒及试验结果如图2所示。抗压强度试验参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，试块尺寸为70 mm×70 mm×70 mm，分别测试其7 d和28 d抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 工作性能

作为自流平、自密实的高流态绿色填充材料，良好的流动性和保水性是必不可少的，本试验在确定各组分掺量的基础上，通过调节不同的水灰比将流动度控制在180～260 mm之间进行试验研究。因此为了达到期望的CLSM流动度值，有必要对其水灰比进行研究，以此确定各组分最佳水灰比。试验配合比如表3所示，变化趋势如图3和图4所示。

表3 水灰比对CLSM流动性的影响Table 3 Effect of water-cement ratio on fluidity of CLSM

由于试验以盾构渣土直接利用的方式掺加，在每次试验前都先取样烘干测含水率，然后再根据渣土含水率和水灰比确定用水量。为保证表述更加准确，在表3中用水灰比代替用水量，用盾构渣土和中砂的质量百分比代替实际使用质量，水泥掺量为10%。从图3中可以看出,当盾构渣土掺量一定时，CLSM的流动度随水灰比的增加而增加，对于30%的掺量，水灰比从2.46增至2.82，坍落度扩展度从205 mm增加到322 mm，增幅57.1%，且水灰比从2.70增加到2.82，增幅达到34.2%。当渣土掺量40%时，坍落度扩展度从187 mm增加到265 mm，增幅41.7%，水灰比从2.70增加到2.82，增幅为18.8%。即对于低掺量盾构渣土的CLSM来说，水灰比对流动性的影响较大，在不掺矿物掺合料的情况下设计水灰比范围内都能够满足CLSM的流动性要求。泌水率作为反应材料保水性的指标之一，对于CLSM来说一般要求2 h泌水率低于5%[17]，从图4中可以得到，泌水率也随着水灰比的增加而增加，当渣土掺量为30%时，泌水率从6.8%增加到10.4%，增幅52.9%，与流动度变化趋势相似,当水灰比从2.70增加到2.82时，增幅最大为25.3%。当渣土掺量为40%时，泌水率从5.2%增加到7.8%，增幅为50%。根据实际试验现象发现，当泌水率在8%左右时拌合物未发生离析，且流动性、匀质性较好。因此，在不掺加矿物掺合料的情况下，建议水灰比为2.46～2.70，当水灰比大于2.70时其流动度和泌水率都将大幅度上升，对水的敏感度增加。

图3 水灰比与流动度关系Fig.3 Relationship between water-cement ratio and fluidity

图4 水灰比与泌水率关系Fig.4 Relationship between water-cement ratio and bleeding rate

可见在不掺加矿物掺合料的情况下，其泌水率基本上均大于5%，为探讨矿物掺合料对流动性和泌水率的影响,本试验在2.70、2.82两个水灰比下对0%、5%、10%、20%粉煤灰掺量进行了研究。试验结果如表4所示，变化趋势如图5和图6所示。

表4 矿物掺合料对CLSM流动性的影响Table 4 Effect of mineral admixtures on fluidity of CLSM

根据水灰比对流动性的影响结果，选择在2.70、2.82两个水灰比下进行矿物掺合料的影响研究，试验结果如图5、图6所示。从图5(a)可以看出，当水灰比为2.70时，随着粉煤灰掺量的增加，坍落度扩展度值从240 mm减小到195 mm，降幅18.8%；当水灰比为2.82时，随着粉煤灰掺量的增加，坍落度扩展度值从322 mm减小到232 mm，降幅28%，且当粉煤灰掺量从10%增加到20%时，降幅分别为9.7%和12.8%。同样，图5(b)中表明,当水灰比为2.70时，随着粉煤灰掺量的增加，坍落度扩展度值从223 mm减小到97 mm，降幅56.5%；当水灰比为2.82时，坍落度扩展度值从265 mm减小到178 mm，降幅32.8%,当粉煤灰掺量从10%增加到20%时，降幅分别为37.4%和22.9%。基本都随着粉煤灰掺量的增加而减小。粉煤灰掺量对CLSM泌水率的影响规律与流动度变化规律相同，都是随着粉煤灰掺量的增加而减小，如图6(a)所示,当水灰比为2.70时，随着粉煤灰掺量的增加,泌水率从8.3%减小到4.2%，降幅49.4%；当水灰比为2.82时，泌水率从10.4%减小到5.5%，降幅47.1%，粉煤灰掺量从10%增加到20%时，泌水率降幅分别为25%和19.1%。图6(b)中，当水灰比为2.70时，泌水率从7.2%减小到2.9%，减幅59.7%；当水灰比为2.82时，泌水率从7.8%减小到4.5%，减幅42.3%，粉煤灰掺量从10%增加到20%时，泌水率降幅分别为34.1%和19.6%。

图5 粉煤灰掺量与CLSM流动性变化关系Fig.5 Relationship between fly ash content and CLSM fluidity

图6 粉煤灰掺量与CLSM泌水率变化关系Fig.6 Relationship between fly ash content and CLSM bleeding rate

从以上变化规律中可以得出明确的结论，对于盾构渣土的CLSM而言，当水灰比一定时，流动度随着粉煤灰掺量的增加而减小。究其原因可能与盾构渣土的利用方式和其含有的表面活性剂有关，新拌混合物中的水主要包括充填水和自由水两种，混合物的流动性主要取决于自由水，而充填水存在于颗粒间的空隙中对流动性基本没有贡献。一般情况下，由于粉煤灰的形态效应和微集料作用可以将颗粒空隙间的充填水置换出来形成自由水从而增加流动性。然而，盾构渣土与传统的细骨料不同，本身具有黏性又因为采用直接利用的缘故其内部的充填水在表面活性剂(泡沫剂)的作用下不易排出，使得粉煤灰的形态效应和微集料效应降低，同时粉煤灰自身也需要消耗自由水，使得整体CLSM混合物的自由水减小,流动性降低。另外相对于30%盾构渣土掺量的CLSM，粉煤灰掺量对40%盾构渣土掺量的CLSM流动性影响更大，也间接证明了上述观点。

2.2 力学性能

无侧限抗压强度作为CLSM的一个重要指标(以下简称抗压强度)，一般认为28 d抗压强度在0.3～0.7 MPa时已具有优良夯实性能，与土壤的抗压强度相当，当用作结构回填时抗压强度应大于2 MPa，用于路面基层、底基层或路基时抗压强度应为1.5 MPa[18]。因此本试验分别分析了水灰比和矿物掺合料对CLSM抗压强度的影响。水灰比对抗压强度的影响结果如表5所示，变化趋势如图7所示。

表5 水灰比对CLSM抗压强度的影响Table 5 Effect of water-cement ratio on compressive strength of CLSM

图7 水灰比与CLSM抗压强度的关系Fig.7 Relationship between water-cement ratio and CLSM compressive strength

根据表5的数据绘制了水灰比与CLSM抗压强度的变化规律图，如图7所示。从图7(a)中可以看出，盾构渣土掺量30%的CLSM抗压强度随着水灰比的增加而减小。当水灰比从2.46增加到2.82时，7 d抗压强度从1.31 MPa减小到1.04 MPa，降幅20.6%，28 d抗压强度从2.32 MPa减小到1.47 MPa，降幅36.7%，同一水灰比下，7 d到28 d的强度增长率分别为77.1%、68.5%、59.8%、41.3%；对40%渣土掺量CLSM来说，当水灰比从2.46增加到2.82时，7 d抗压强度从1.51 MPa减小到1.07 MPa，降幅29.1%，28 d抗压强度从1.95 MPa减小到1.34 MPa，降幅31.3%，同一水灰比下,7 d到28 d的强度增长率分别为29.1%、26.1%、25.6%、25.2%。

从上述分析中可以得到，水灰比对CLSM抗压强度有一定的影响，且对28 d抗压强度的影响更大。同时也可以初步得出随着水灰比的增加，同水灰比7 d到28 d的抗压强度增长率减小。另外，40%盾构渣土掺量的CLSM的7 d抗压强度大于30%盾构渣土掺量的CLSM的7 d抗压强度。但是，40%盾构渣土掺量的CLSM的28 d抗压强度却小于30%盾构渣土掺量的CLSM的28 d抗压强度。且各个水灰比下，7 d到28 d的抗压强度增长率均小于30%盾构渣土掺量的CLSM的抗压强度增长率。

粉煤灰作为一种矿物掺合料其火山灰活性对CLSM的抗压强度具有一定的影响。为探究其影响规律，本试验取水灰比2.70、2.82，分别对0%、5%、10%、20%的粉煤灰掺量进行研究，试验结果如表6所示。变化趋势如图8所示。

从图8可以得到,粉煤灰的加入对抗压强度的影响较明显，图8(a)中当水灰比为2.70时，随着粉煤灰掺量从0%增加到20%，7 d抗压强度从1.17 MPa增加到1.89 MPa，涨幅61.5%，28 d抗压强度从1.87 MPa增加到3.12 MPa，涨幅66.8%，各粉煤灰掺量下7 d到28 d强度增长率分别为59.8%、56.3%、67.7%、65.1%。当水灰比为2.82时，随着粉煤灰掺量从0%增加到20%，7 d抗压强度从1.04 MPa增加到1.65 MPa，涨幅58.7%，28 d抗压强度从1.47 MPa增加到2.58 MPa，涨幅75.5%，各粉煤灰掺量下7 d到28 d强度增长率分别为41.3%、50.4%、61.3%、56.4%；图(b)中抗压强度随粉煤灰掺量的变化规律与图(a)基本相同，当水灰比为2.70时，随着粉煤灰从0%增加到20%，7 d抗压强度从1.29 MPa增加到2.11 MPa，涨幅63.6%，28 d抗压强度从1.62 MPa增加到2.98 MPa，涨幅84%，各粉煤灰掺量下7 d到28 d强度增长率分别为25.6%、31.1%、40.5%、41.2%。当水灰比为2.82时，7 d抗压强度从1.07 MPa增加到1.71 MPa，涨幅59.8%，28 d抗压强度从1.34 MPa增加到2.36 MPa，涨幅76.1%，各粉煤灰掺量下7 d到28 d强度增长率分别为25.2%、30.8%、39.4%、38%。而且40%盾构渣土掺量CLSM的7 d抗压强度大于30%盾构渣土掺量的，但是28 d抗压强度、各粉煤灰掺量下的强度增长率小于30%盾构渣土掺量的，与不掺加矿物掺合料的强度发展规律相同。

表6 粉煤灰掺量对CLSM抗压强度的影响Table 6 Effect of fly ash content on compressive strength of CLSM

图8 粉煤灰掺量与CLSM抗压强度的关系Fig.8 Relationship between fly ash content and CLSM compressive strength

综上分析可得,粉煤灰的加入可明显增强CLSM的抗压强度且对28 d抗压强度的影响更为显著，随着粉煤灰掺量的增加,其7 d到28 d的强度增长率基本呈先增加后下降的趋势，当粉煤灰掺量为10%时强度增长率最高，随着水灰比的增加,7 d到28 d的强度增长率降低。究其原因，随着水灰比的增加，其自由水含量增加，未参与水化反应的自由水一部分从表面泌出，另一部分则留在试块内部最终形成毛细孔使得抗压强度降低，而粉煤灰的加入一方面可以参与水化反应生成更多的水化硅酸钙凝胶，另一方面其微集料效应可以填充试块的空隙，使得试块内部更加密实,水化过程如图9所示,微观结构得到改善从而使得抗压强度提高。