可控低强度材料(CLSM)性能评价方法分析

汪 伟，张同生,2，陈灿峰，吴正德，韦江雄,2，余其俊,2

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510641；2.广东省建筑材料低碳技术工程技术研究中心，广州 510641； 3.广州市光达环保科技投资有限公司，广州 511300)

0 引 言

可控低强度材料(controlled low-strength material, CLSM)是一种具有高流动性，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，28 d无侧限抗压强度不高于8.3 MPa的新型充填材料，其原材料来源广(工业废渣、建筑固废、弃土等),制备工艺简单,易于施工,再次开挖成本低，被广泛应用于工程回填、路面基层、管道垫层等场所。不同应用领域对CLSM性能要求也不尽相同，例如：普通回填、结构性回填工程主要关注CLSM流动性、稳定性和无侧限抗压强度，前者强度控制在0.3～2.1 MPa，后者在2.1～8.3 MPa；管道边角填充施工较为困难，对CLSM流动性和稳定性要求高，为便于后期管道维护，无侧限抗压强度要求<2.1 MPa[1-2]；当CLSM用作道路基层时，重点关注加州承载比(California bearing ratio， CBR)、无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度等，以保证基层稳定性，避免沉降。

目前，CLSM测试方法多参考混凝土、砂浆相关方法或者采用自行设计实验方法，适用范围、评价指标与结果存在较大差异，亟待形成统一、完善的测试方法体系，以支撑CLSM规模化生产和工程应用。基于此，本文归纳了CLSM工作性能、力学性能、环境影响、耐久性等方面的测试方法，从测试原理、实验参数、优缺点等方面进行了对比分析，为广大科研工作者选择合适的性能测试方法提供依据，也为我国制定和完善CLSM标准体系提供参考。

1 工作性能测试方法

与传统回填材料相比，CLSM最显著的特征是优良的工作性能，尤其适用于狭小操作空间、不规则充填工程。通常采用流动性、离析程度、泌水率、凝结时间、填充性能以及沉降量来评价CLSM工作性能，主要测试原理、实验参数、优缺点见表1。

表1 CLSM工作性能测试方法、具体参数及优缺点Table 1 Testing methods including specific parameters for the workability of CLSM and their advantages and disadvantages

1.1 流动性

ASTM D6103—2017[3]采用φ75 mm×150 mm开口筒型模具盛满CLSM，快速(2～4 s)提起模具使CLSM自由扩展，停止后在正交方向上测量扩展直径，以直径的平均值作为CLSM的流动度[12-17]。当CLSM加入粗骨料时，也可采用J型环法表征CLSM材料的流动性[3]。J型环由钢环(φ300 mm)及连接在钢环上的钢筋组成，测试时将坍落度筒填满CLSM，快速提起坍落度筒，待CLSM不再流动或流动持续时间已达50 s，以扩展最大直径与其垂直方向直径的平均值表示CLSM流动度，比较环内外拌合物的高度可评价CLSM间隙通过能力。J型环法规定钢筋间距为骨料粒径的1～3倍，可选择范围过大，采用不同钢筋间距，实验结果差异大。Lachemi等[4]研究者采用V型漏斗(上口：490 mm×75 mm，下口：65 mm×75 mm，高度：575 mm)测定CLSM通过时间评价流动性，大粒径骨料容易造成V型漏斗堵塞，不适用于骨料粒径>19 mm的CLSM流动性测试。流动性测试方法选择的主要依据是CLSM中加入骨料的粒径大小，为方便后期的开挖，通常CLSM中不加入粗骨料，可根据ASTM D6103—2017[3]进行测定。

1.2 离析程度

JGJ/T 70—2009[5]以不同高度新拌浆体的稠度差表征离析程度。Qian等[6，18]则以不同高度CLSM(3层)密度的样本标准差表征离析程度，并将其定义为离析度(DS，见式(1))。当DS小于1时，可认为CLSM离析程度在可接受的范围内。上述方法仅反映CLSM静态离析程度，施工(流动)过程产生的离析(动态)均未得以体现，在满足静态离析要求的前提下，还应结合具体的施工方式(泵送、非泵送)进行现场评价。

(1)

式中：DS表示离析度，%；ρi表示第i层拌合物的密度，g/cm3；ρ表示3层拌合物的平均密度，g/cm3。

1.3 泌水率

ASTM C232—2014[7]或ASTM C 940—2010[8]均可评价CLSM泌水程度，均在规定时间收集量筒(内径：(255±5) mm，高度：(280±5) mm或1 000 mL量筒)中CLSM表面泌水量，直至表面无泌水。前者以质量泌水率(见式(2))为评价指标，后者则以体积泌水率(见式(3))为评价指标，通常要求CLSM的质量泌水率<2%，体积泌水率<5%[19-20]。收集表面泌水的过程中，需在盛放CLSM容器下方垫一定高度的垫块，使容器倾斜，便于收集泌水，但标准未明确垫块尺寸、放置位置等细节，导致结果差异较大，在今后标准制定时应规定具体细节。

(2)

(3)

式中：Rm表示质量泌水率，%；Rv表示体积泌水率，%；C表示待测CLSM质量，kg；D表示表面泌水质量，kg；Vs表示表面泌水体积，cm3；Vt表示CLSM初始体积，cm3。

1.4 填充性能

图1 CLSM填充性能测试装置[4]Fig.1 Setup for measuring the fillability of CLSM[4]

目前，国内外还没有统一的标准评价CLSM的填充能力(通过障碍物的能力)。Lachemi等[4]采用300 mm×500 mm×300 mm透明立方体(见图1)，中间设计光滑、密闭隔板，隔板一侧均匀设置35根(5行、每行7根)φ20 mm铜管作为障碍物，CLSM匀速倒入无障碍物侧，填满后打开隔板，在停止流动后以两端高度比评价CLSM填充性能，认为高度比在0.8～1.0时CLSM具有较好的填充性能。在利用此方法评价CLSM填充性能时，应充分考虑铜管障碍布置(管径、间距、数量及分布等)对测试结果的影响，并给出明确的布置参数，以保证实验结果的可比性和可重复性。

1.5 凝结时间

ASTM D6024—2016[9]采用落球试验测定CLSM凝结时间。特定规格落球从一定高度(108～114 mm)落下(见图2)，测量在CLSM表面留下压痕的直径，以压痕直径76 mm对应的时间定义为CLSM的落球凝结时间。落球法为确定76 mm压痕对应的时间需进行大量重复实验，且实验次数受试样尺寸限制，但落球法可同时反映CLSM的承载与抗冲击能力。ASTM C403/C403M-16[10，21]采用贯入阻力法测定CLSM的凝结时间，以贯入阻力为3.5 MPa和27.6 MPa对应的时间作为CLSM的初凝和终凝时间。当CLSM中包含粗集料时，应先筛除粒径>4.75 mm的粗集料，贯入阻力法测试结果易受测试点位置干扰，测试点与容器边壁之间的距离应在25～50 mm。

图2 CLSM凝结时间测定装置(落球法)[9]Fig.2 Setup for measuring the setting time of CLSM (falling ball method)[9]

1.6 沉降量

通过测定沉降筒中CLSM高度随时间的变化，以沉降停止时沉降高度与初始高度的比值来评价CLSM沉降量，通常要求CLSM沉降量小于2%[11]。该方法装置简单，应用广泛，但CLSM在实际应用中与土壤、混凝土等不同性质地面接触，其吸水性不尽相同，导致沉降筒测量结果不能很好地代表实际工作环境CLSM的沉降量，此外沉降筒尺寸(高径比等)未得到统一，也导致测试结果有所差异。

2 力学性能测试方法

CLSM虽是低强度填充材料，但要求早期强度发展快，后期强度不宜过高，路基、管沟回填工程还需考虑加州承载比、劈裂强度、弹性模量等性能，主要力学性能测试方法总结见表2。

表2 CLSM力学性能测试方法、具体参数及优缺点Table 2 Testing methods including specific parameters for the mechanical properties of CLSM and their advantages and disadvantages

续表

2.1 无侧限抗压强度

CLSM无侧限抗压强度测定方法可参照ASTM D4832—2010[22]、JTG E51—2009[23]及DIN ISO/TS 17892-8—2005[24]。前两个标准均采用圆柱体试件，在无侧向压力条件下轴向加压，测得其抵抗轴向压力的极限强度。ASTM D4832—2010[22]中建议使用φ150 mm×300 mm圆柱试体，也可以选择径高比为1 ∶2的其他尺寸试件，如φ55 mm×110 mm，φ50 mm×100 mm。JTG E51—2009[23]则使用径高比为1 ∶1的圆柱体试件，测试时试件顶端易产生应力紊乱，从而使实验结果误差增大。DIN ISO TS 17892-8—2005[24]规定在轴向加压的同时施加侧向压力，侧向压力水平分别为50 kPa、100 kPa、150 kPa，在每一侧向压力水平下测得试件的抗压强度，绘制莫尔圆以及侧向压力-破坏强度曲线，选取曲线上侧向压力为0时对应破坏强度即为无侧限抗压强度。该方法间接测定CLSM无侧限抗压强度，可有效减小实验误差，但实验工作量较大[30]。为方便CLSM无侧限抗压强度实验数据与现有研究进行对比，通常按照ASTM D4832—2010[22]进行测试[31-35]。

2.2 加州承载比(CBR)

BS 1377-4—1990[25]、JTG E40—2007[26]规定了加州承载比(CBR)测定方法，均测定贯入深度、贯入荷载荷或贯入阻力，绘制贯入深度-阻力曲线。读取贯入深度2.5 mm、5.0 mm对应的贯入荷载或阻力值，以其与标准荷载或标准阻力之比定义为CBR值[36-38]。CLSM与公路土加州承载比测试除成型制度有所区别以外(CLSM无需击实成型)，其他步骤可按照BS 1377-4—1990[25]或JTG E40—2007[26]进行。

2.3 劈裂抗拉强度

CLSM的劈裂抗拉强度测试可按照ASTM C496/C496M—17[27]或JTG E51—2009[23]进行，采用压条在试件竖向平面产生近似均布的拉应力(见图3)，根据弹性理论计算劈裂抗拉强度。但不同标准劈裂抗拉强度试验所用试件、压条尺寸不同，测试结果也有所差异，压条尺寸减小，测得试件劈裂抗拉强度有所降低，因此研究者应在保证试件尺寸一致的前提下分析对比实验结果。

图3 CLSM劈裂强度测试装置[33]Fig.3 Setup for measuring the splitting strength of CLSM[33]

2.4 弹性模量

通过测得CLSM应力-应变曲线，即可计算其割线弹性模量[28]。所选点可以选在弹性变形阶段，也可以选在塑形变阶段，因此割线弹性模量可以反映不同变形区域的CLSM性质，但CLSM强度低，测试结果误差较大。此外，可以采用共振技术测定试件的动态弹性模量，且对CLSM几乎没有损伤，可有效减小误差，但CLSM含水率、声波传播方向等因素也会对测试结果产生干扰[29]。

3 耐久性测试方法

CLSM耐久性主要通过渗透性能、毛细吸水率、抗冻性能及干燥收缩表征，具体测试方法总结见表3。

表3 CLSM耐久性测试方法、具体参数及优缺点Table 3 Testing methods including specific parameters for the durability of CLSM and their advantages and disadvantages

3.1 渗透性能

CLSM渗透性能可参照ASTM D2434—1968(2006)[39]、JTG E40—2007[26]测定。其中，ASTM D2434—1968(2006)[39]采用常水头法(见图4(a))测定水位差、单位时间渗出水量与水温，即可计算渗透系数。CLSM渗透系数低至1.0×10-7～2.4×10-5cm/s(传统级配砂石、压实土等回填材料渗透系数>1.0×10-4cm/s)，常水头测试时间长,适用性较差，因此可按照JTG E40—2007[26]采用变水头法测试CLSM渗透性能(见图4(b))，根据水头下降速度与时间的关系计算渗透系数。

3.2 毛细吸水率

BS 1881-208—1996[40]采用图5(a)中装置固定试件，在储水容器中加水，记录上方毛细管中水的刻度变化，进而表征毛细吸水率。贺智敏等[41]将试块以一定高度浸入水中(见图5(b))，定时测试件质量，以质量变化率表征毛细吸水率。可见前者测量的是水在自重和毛细吸水共同作用下的吸水率，导致测试结果偏大；而后者试样吸水会导致水面高度下降，在保证水面面积远大于试件与水的接触面积条件下，水面高度下降可忽略不计，且装置简单，可优先考虑。

图4 CLSM渗透系数测试装置Fig.4 Setup for measuring the permeability coefficient of CLSM

图5 CLSM毛细吸水率测试装置Fig.5 Setup for measuring the capillary water absorption rate of CLSM

3.3 抗冻性能

JTG E51—2009[23]和ASTM D560—2003[42]均采用冻融循环后质量损失或抗压强度损失评价CLSM抗冻性能。JTG E51—2009[23]规定养护28 d试件冻融循环次数为5，养护180 d试件冻融循环次数为10，每一次冻融循环中都需将试件先置于低温箱在-18 ℃条件下冻结16 h，然后在20 ℃水槽中融化8 h(24 h为一次循环)，在达到冻融循环次数或者质量损失达到5%时停止冻融试验，以抗压强度损失评价试件抗冻性能。ASTM D560—2003[42]规定冻融循环次数为12，每一次冻融循环中都需将试件先置于低温箱在-23 ℃条件下冻结24 h，然后在21 ℃水槽中融化24 h(48 h为一次循环)，以12次冻融循环后的质量损失评价其抗冻性能。由于CLSM强度低，冻融循环后强度更低或完全没有强度且质量损失大，导致测试偏差大，按照JTG E51—2009[23]进行CLSM抗冻性能评价冻融循环次数少，冻融时间短，更适合CLSM抗冻性能评价。除此之外，可借鉴以动弹性模量损失评价混凝土抗冻性能的方法评价CLSM抗冻性能[43]，但测试装置、过程复杂。

3.4 干燥收缩

CLSM干燥收缩可按参照ASTM C596—09(2007)[44]或JC/T 603—2004[45]测定，其原理均通过在试件端部预埋钉头，采用比长仪测定试件长度变化表征干燥收缩率，二者的区别在于所用试件尺寸、与空气接触面积不同，导致得到的实验结果不能直接比较。

4 环境影响评价方法

利用工业废渣、建筑垃圾、工程渣土等制备的CLSM可能含有重金属等有害物质。为避免环境污染，需进行有害离子浸出浓度测试。相关测试标准有HJ/T 299—2007[46]、TCLP[47]、BS EN 12457-3—2002[48]等，具体测试细节总结见表4。基本原理均将试样破碎、筛分后，置于浸提剂中振荡、过滤，测定浸提液中离子浓度。HJ/T 299—2007[46]中规定以硫酸、硝酸混合液作为浸提剂，通过提高酸性加速离子浸出速率。TCLP[47]是以醋酸、醋酸钠作为浸提剂，既能提供酸性环境，还可缓冲浸提剂pH值变化，但醋酸根离子的络合作用导致测试结果偏大。BS EN 12457-3—2002[48]以去离子水为浸提剂，通过调控水固比改变离子浓度梯度，可获得不同离子浓度梯度条件下的离子浸出浓度，但去离子水(5.0

表4 离子浸出浓度测试标准、具体参数及优缺点Table 4 Testing methods including specific parameters for the ion leaching concentration and their advantages and disadvantages

5 结论与展望

通过综述国内外相关研究成果与标准，可得：CLSM流动性测试可根据骨料大小选择开口筒法(骨料粒径<4.75 mm)、J型环法、V型漏斗法(骨料粒径<19 mm)，离析度、泌水率、填充性能、沉降量可参考砂浆、混凝土相关测试标准，凝结时间可选择贯入阻力法或落球法。CLSM加州承载比、劈裂抗拉强度、弹性模量等测试尚未统一，不同测试方法得到的结果可比性、重复性差。CLSM耐久性测试主要借鉴砂浆、混凝土相关测试标准，CLSM渗透系数小，建议采用变水头法进行测试。CLSM离子浸出浓度测试需根据实际服役环境选择pH值与之相近的浸提剂。

CLSM具有良好的工作性能、较高的早期强度，以及大规模消纳废弃物的能力，在管沟回填、道路与市政工程等领域应用潜力巨大，但缺乏统一的测试标准与应用规范，限制了CLSM在国内的大规模推广应用。本文的主要工作是根据现有的文献研究，在公路土、无机结合料、混凝土等相关材料标准中优选了比较适合CLSM的测试标准，结合CLSM已有的性能测试标准，形成了较为完整的性能测试体系，但具体的测试细节仍然需要进一步统一与改进，如泌水率测试中垫块尺寸，沉降量、填充性能测试中沉降筒、填充容器的大小，力学性能测试中加载制度等，本文指出了这些问题，并给出了解决的方向，可以为后续国内CLSM标准中具体的细节规定、方法改进与实验注意事项提供参考。