掺建筑垃圾的可泵性回填土施工性能试验研究

杨伟军,闫宇洁,杨建宇

掺建筑垃圾的可泵性回填土施工性能试验研究

杨伟军,闫宇洁*,杨建宇

长沙理工大学土木工程学院, 湖南 长沙 410114

为提高建筑垃圾利用率和回填土质量，通过将建筑垃圾再生细骨料和黏土质砂混合后再掺入水泥，开发出一种掺建筑垃圾的可泵性回填土。通过改变建筑垃圾再生细骨料掺量、水固比、泡沫掺量、灰土比及外加剂掺量等参数，分别研究其对掺建筑垃圾的可泵性回填土施工性能的影响，探索出体积质量对施工性能的影响规律。试验结果表明：原料土中再生细骨料掺量为50%时可泵性回填土强度与施工性能最好。当水固比低于0.3时可泵性回填土流动性随泡沫掺量的增加而先增后减，当水固比高于0.3时其流动性随泡沫掺量的增加而减小。泡沫掺量与泌水率呈负相关。当泡沫掺量超过原料土体积时，压力泌水率随水固比增加而减小。可泵性回填土的体积质量与流动性、泌水率和压力泌水率之间存在一定的函数关系。

可泵性回填土; 掺料; 施工性能

基础设施的快速建设阶段产生了大量的建筑垃圾，对于经分拣、破碎和筛分得到的粒径小于4.75 mm的再生细骨料，主要由混凝土碎块、碎砖、砂浆颗粒以及粉末等组成，由于表面粗糙、孔隙率较大等问题使其在工程上难以应用。同时，在土建工程中，常常遇到一些不便施工但又不得不填充的构造物下部空洞，这些空洞长时间的存在会对建筑主体的质量和使用寿命造成影响，但在回填施工中，存在着回填土运输困难、回填区域狭窄难以压实以及压实效果不好的问题。针对这两方面的难题，不少学者已进行了研究，邵钰清等[1]在建筑垃圾再生细骨料中加入水泥、粉煤灰等制备成建筑垃圾低强度流动性回填材料，主要应用于台背、管线等的回填；范猛等[2]利用废土为原材料制备非压实回填土在桥台背部回填；陈忠平等[3]在原料土中加入泡沫、水泥和水制得泡沫混合轻质土广泛用于公路路基、软基换填中。由此可见，高流动性回填材料种类繁多，但多数研究针对回填材料的力学和耐久性能，对材料的施工性能研究较少。所谓施工性能，是指材料拌合物在施工时的性能，主要包括材料的流动性、稳定性和可泵性[4]。

此外，为实现传统回填土的泵送施工，需要对回填土进行改性，王磊磊等[5]利用泡沫改良盾构砂质土以增加流动性；汤怡新等[6]指出对于任何一种原料土存在一个最低的水泥用量，水泥土固化后具有较高的密实度和强度；魏建军等[7]通过试验表明建筑垃圾细料回填材料流动性与水固比接近线性关系，且受灰砂比影响较小。基于此，本文通过试验研究开发了一种掺建筑垃圾的可泵性回填土（以下简称可泵土），即将建筑垃圾再生细骨料和工地土混合制得原料土后加入固化剂、水和泡沫，可泵送施工和依靠自重达到浇筑填充的目的，通过改变不同材料组成参数，研究其对施工性能的影响，对掺建筑垃圾的可泵性回填材料推广及工程应用提供一定的试验基础和理论参考。

1 原材料和配比

1.1 原材料

固化剂采用P•O42.5级普通硅酸盐水泥，发泡剂采用LG-2258植物源复合发泡剂，土取自长沙市天心区工地，经颗粒级配测定为黏土质砂，再生细骨料取自长沙市建筑垃圾处理厂，经颗粒级配测定为含细粒土砂，其细粒组的塑形指数为12.35，细度模数为2.92，具备流动化施工的条件[8]。原料土的颗粒级配见图1，基本物理参数见表1～2。

表 1 黏土质砂的基本物理性能参数

表 2 建筑垃圾再生细骨料基本物理参数

1.2 试验方案

制备原料土，每组用量580 g，由再生细骨料和黏土质砂组成。本试验依次研究了再生细骨料掺量、水固比、泡沫掺量、灰土比及外加剂掺量对可泵土施工性能的影响。具体配比见表3。

2 制备流程及试验方法

建筑垃圾再生细骨料和黏土质砂过5 mm筛子并进行烘干；按1:30稀释好的发泡液通过发泡机进行发泡，气泡群密度为50 kg/m3，原材料详见图2。制备时先将建筑垃圾再生细骨料和黏土质砂按掺量混合制得原料土，倒入搅拌机中与水泥混合均匀，加水搅拌时间不得低于2 min，再将气泡群倒入搅拌机中继续搅拌，直至搅拌均匀，即可进行可泵土施工性能评价指标的测定。

表 3 试验原材料配比

注：再生细骨料掺量为再生细骨料占原料土质量的百分比，灰土比为胶凝材料与原料土的质量比，泡沫掺量为泡沫占原料土体积的百分比，粉煤灰取代率为取代水泥的百分用量。

Note: the content of recycled fine aggregate is the percentage of recycled fine aggregate in the mass of raw soil, the ratio of ash to soil is the mass ratio of cementitious material to raw soil, the content of foam is the percentage of foam in the volume of raw soil, and the replacement rate of fly ash is the percentage of cement.

图 2 原材料

流动性评定方法参考CJJ/T 177-2012《气泡混合轻质土填筑技术规范》中的流动性试验。稳定性反映材料的抗分层能力，采用泌水率测定法评定；可泵性是指拌合物在泵压作用下通过输送管道的能力，可参考GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》压力泌水试验法测定。试验过程见图3。

图 3 试验过程

3 结果分析

3.1 再生细骨料掺量对可泵土施工性能的影响

根据试验结果，得到再生细骨料掺量与流动性的关系，如图4所示，随着再生细骨料掺量的增大，拌合物的流动性呈上升趋势，再生细骨料掺量从0%增加到70%，流动性从160 mm增加到255 mm，增加了59.4%，这是因为土颗粒具有较高的粘聚力和吸附力，但建筑垃圾再生细骨料主要由混凝土碎块、碎砖和碎砂浆等杂质组成，无黏性易透水，且比表面积没有土颗粒大。当原料土中土颗粒含量减少时，自由水增多，造成土颗粒间间距增大，拌合物粘聚力下降[9]。并且再生细骨料中颗粒表面粗糙多菱角，在搅拌过程中与泡沫接触时容易扎破气泡[10]，泡沫泌水量增多，浆料的稠度降低，流动性增强。

不同再生细骨料掺量下可泵土的流动性均随时间下降，如图5所示。其原因除了水分的自然流失外，水泥水化反应形成絮凝结构也会造成流动性降低。其中流动性在前30 min内下降平缓，是因为前期材料内各组分还未发生作用，发泡剂中的羟基吸附在水泥粒子表面推迟了水泥的水化反应。由此可得浆料在泵送管道中滞留时间不宜超过30 min。

图 4 再生细骨料掺量对流动性的影响

图 5 时间对流动性的影响

压力泌水率S10是指拌合物在一定压力作用下经10 s和140 s泌水量之比，即V10/V140。比值过大说明可泵土的保水能力差，泌水速度快，不利于泵送[11]。从表4可得，再生细骨料掺量对压力泌水率的影响较小，V140基本不变，S10稳定在25%到34%之间，满足泵送要求。相较对比组，再生细骨料的加入会减小可泵土的强度，这是因为粘土质砂成分减少，水泥水化产物与土颗粒间的离子交换作用减少，胶结作用降低，导致其强度下降。综合施工和力学性能，再生细骨料掺量为30%时，流动性经时损失最少且泌水速度较慢，施工性能最优，但其强度为0.11 MPa，根据施工经验，强度为0.3 MPa以下的不宜采用[12]；再生细骨料掺量为50%下的可泵土强度相比于对比组仅降低了37.2%，且流动性和S10符合要求，因此原材料中建筑垃圾再生细骨料掺量为50%时施工性能和力学性能最好。

表 4 再生细骨料掺量对物理力学性能的影响

3.2 水固比及泡沫掺量对可泵土施工性能的影响

从图6可以看出，流动性和泌水率均随水固比增加而增加，是由于浆体中水固比增加，自由水含量变多导致的。从图7曲线图可得，在泡沫掺量增加的情况下，流动性的变化规律与水固比有关，当水固比为0.3时，流动性随泡沫掺量的增加先增大后减小；当水固比大于0.3时，流动性随泡沫掺量的增加而减少。这主要是因为在小水固比中，泡沫掺量低于原料土体积时，泡沫分散在浆体中减弱摩擦力，产生的是“滚珠”润滑作用[13]，当泡沫掺量大于原料土体积时，大量泡沫分散在浆体中，水泥浆覆盖泡沫表面积增加，泡沫间浆体减少，浆体在自重作用下流动变得困难[14]；在大水固比中，泡沫在浆体中会增加粘滞性，降低流动性[15]。此外，由图7柱状图可得，浆料中由于包裹气泡的水分被固定在气泡周围，泌水率随泡沫掺量增加而减少[16]，由此可得增大泡沫掺量可改善可泵土的泌水情况。

图8、图9分别表示了水固比和泡沫掺量对压力泌水率的影响。从图8可知，当泡沫掺量小于原料土体积时，水固比的增加，导致拌合物的黏聚性和保水性变差，压力作用下的泌水速度加快，压力泌水率增大；当泡沫掺量大于原料土体积时，压力泌水率随水固比增加而减少，这是因为大量泡沫分散在浆料中，水固比越大浆体对泡沫的挤压力越小，泡沫消泡变少，浆料前期泌水减少。由图9分析可知，少量的泡沫对压力泌水率影响不大，但泡沫掺量超过原料土体积时，泡沫被挤压，消泡严重，导致压力作用下的泌水速度激增，压力泌水率突然增大。

根据施工经验，为了保持可泵土良好的施工性能，流动性应控制在160 mm以上，泌水率保持在8%以下，压力泌水率为40%以下，故在选择配比时水固比和泡沫掺量应控制为：当水固比为0.3时，泡沫掺量为原料土体积的81%～100%；当水固比为0.35时，泡沫掺量不少于原料土体积的39%；当水固比为0.4时，泡沫掺量不少于原料土体积的64%。

图 6 水固比对流动性和泌水率的影响

图 7 泡沫掺量对流动性和泌水率的影响

图 8 水固比对压力泌水率的影响图

图 9 泡沫掺量对压力泌水率的影响

3.3 灰土比及外加剂掺量对可泵土施工性能的影响

水泥含量增加，水固比不变的情况下，浆体中水泥浆含量增加，对浆料的流动性和压力泌水率影响不大，如表5所示，B1、B2、B3和灰土比为0.4的A2压力泌水率和流动度在某一值上下浮动。C1、C2、C3与不掺外加剂的可泵土A1对比可得，压力泌水率随粉煤灰掺量的增加而减小，随减水剂的加入而增大。其原因是粉煤灰的比重小，可均匀分布在浆料中，增大了拌合物密实度，进而浆料泌水速度减慢，而减水剂分子会吸附在水泥颗粒表面，导致水泥颗粒分散，破坏絮凝结构，释放出部分水，改善流动性的同时增加了压力泌水率。由试验结果得流动性在粉煤灰掺量为20%时增加，在40%时下降，则粉煤灰的掺入量应控制在20%左右，不应超过40%。

表 5 不同配比的性能参数

3.4 体积质量与可泵土施工性能之间的关系

材料的体积质量受水固比、泡沫掺量和灰土比的综合影响，可从数学的角度探索体积质量与施工性能之间的规律。顾达欢等[15]提出气泡混合浆液的流动指标值与体积质量存在一种线性关系。于是将可泵土施工性能的试验数据进行相关分析，用origin软件进行拟合，如图10所示，可以得到体积质量与流动性、泌水率和压力泌水率分别满足不同的函数关系，其方程为：

=0.1196+59.96

=1.48046.456

相关系数2分别为0.88、0.89、0.81，拟合效果均良好，表明体积质量与流动性大致呈正相关，与泌水率符合Allometricl方程，与压力泌水率符合Logistic方程。

图 10 体积质量与可泵土施工性能的关系

4 结论

利用试验手段对掺建筑垃圾可泵性回填土的施工性能（流动性、泌水率和压力泌水率）进行研究，具体结论如下：

（1）掺建筑垃圾的可泵性回填土流动性随再生细骨料掺量增加而增加，且由经时流动性试验得，浆料在泵送管道中停留时间不得超过30 min。当原料土中建筑垃圾再生细骨料掺量为50%时，可泵土的施工性能和力学性能最优；

（2）水固比和泡沫掺量相互影响掺建筑垃圾可泵性回填土的施工性能。流动性和泌水率随水固比增加而增加，泌水率随泡沫掺量的增加而减少。掺建筑垃圾可泵性回填土在小水固比中，流动性随泡沫掺量的增大先增后减；大水固比中，流动性随泡沫掺量增加而减少。当泡沫掺量大于原料土体积时，压力泌水率随泡沫掺量的增大而增大；

（3）掺外加剂时，粉煤灰取代率应控制在20%左右，不宜超过40%；掺入适量减水剂可增加可泵土的流动性和压力泌水率；

（4）可泵土的体积质量与流动性、泌水率和压力泌水率之间满足不同的函数关系，探索出体积质量与各施工性能的影响规律，可为根据施工性能选择不同体积质量可泵土的工程应用提供参考，有利于掺建筑垃圾可泵性回填土的推广。

[1] 邵钰清,贾冬冬.基于北京市建筑垃圾细料生产再生回填材料的研究[J].新型建筑材料,2014,41(11):36-40

[2] 范猛.非压实回填土基本性能及应用研究[D].北京:北京工业大学,2009

[3] 陈忠平,王树林.气泡混合轻质土及其应用综述[J].中外公路,2003(5):117-120

[4] 王洪镇.流态轻集料微孔混凝土的研究与应用[D].西安:西安建筑科技大学,2006

[5] 王磊磊,殷丽君,龚秋明,等.石家庄砂土地层土压平衡盾构渣土改良试验研究[J].现代隧道技术,2021,58(3):182-189

[6] 汤怡新,刘汉龙,朱伟.水泥固化土工程特性试验研究[J].岩土工程学报,2000(5):549-554

[7] 魏建军,张金喜,王建刚.建筑垃圾细料生产流动化回填材料的性能[J].土木建筑与环境工程,2016,38(3):96-103

[8] 金鑫,贾致荣,李超宇,等.再生细骨料级配与微粉含量对CLSM工作性能的影响[J].混凝土,2021(5):145-149

[9] 刘希亮,郭佳奇,于广云,等.土力学原理[M].徐州:中国矿业大学出版社,2015:30-31

[10] 闫振甲,何艳君.泡沫混凝土实用生产技术[M].北京:化学工业出版社,2006:142

[11] 任世漫.预拌混凝土泵送性能研究[J].重庆建筑大学学报,1999(1):12-15

[12] 陈忠平.气泡混合轻质填土新技术[M].北京:人民交通出版社,2004:69

[13] 刘秋美,李彩玉,杨江红,等.泡沫掺量对磷渣粉煤灰泡沫混凝土性能的影响[J].新型建筑材料,2017,44(3):72-75

[14] 牛云辉,蒋俊,张玉苹,等.自流平泡沫混凝土流动性能影响研究[J].混凝土与水泥制品,2016(11):65-68

[15] 顾欢达,顾熙.影响气泡轻质土工材料施工稳定性的因素及其试验研究[J].岩土工程技术,2003(1):24-27

[16] 周在波,刘娟红,吴瑞东,等.低浓度全尾砂充填材料泌水及其调控机理[J].材料研究学报,2020,34(7):481-488

Experimental Study on Construction Performance of Pumpable Backfill Soil Mixed with Construction Waste

YANG Wei-jun, YAN Yu-jie*, YANG Jian-yu

410114,

In order to improve the utilization rate of construction waste and the quality of backfill soil, by mixing construction waste recycled fine aggregate and clayey sand before adding cement, pumpable backfill soil mixed with construction waste was developed. By changing the construction waste recycled fine aggregate content, water-solid ratio, foam content, lime-soil ratio and the content of admixture, the effects on the construction performance of pumpable backfill soil mixed with construction waste were studied respectively, exploring the influence rules of construction performance on density. The test results show that the strength and construction performance of pumpable backfill soil are the best when the content of recycled fine aggregate in the raw soil is 50%. When the water-solid ratio is lower than 0.3, the fluidity of pumpable backfill soil first increase and then decrease with the increase of foam content, when the water-solid ratio is lower than 0.3, its fluidity decreases with the increase of foam content. There is a negative correlation between foam content and bleeding rate. When the foam content exceeds the volume of the raw material soil, pressure bleeding rate is positively correlated with water-solid ratio. In addition, there is a certain functional relationship between the density of materials and fluidity, bleeding rate and pressure bleeding rate.

Pumpable backfill soil; adxincure; construction performance

TU526

A

1000-2324(2022)01-0131-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.020

2021-09-25

2021-10-07

杨伟军(1962-),男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向包括土木工程新技术与新材料. E-mail:ywj202232@163.com

Author for correspondence.E-mail:yyj202232@163.com