可控低强度材料的开发与应用

国外技术开发可控低强度材料的开发与应用（上）朱航征编译可控低强度材料（Controlled Low-Strength Material）简称CLSM,在北美使用较为普 及，一种材料，其最高强度具有一定限制。美国混凝土协会规定这种材料28 d的抗压强度 应在8.3 MPa以下。如施工后预计进行再开挖，为适应使用要求，有关“流化土理土利用技 术手册”则规定为0.51.0 MPa。可控低强度材料（CLSM）在使用中有如下特点：1）流动性：CLSM的流动性好，具有自流平性能，无需人工找平作业。2）自密度和固化可根据使用目的和用途进行配合设计，取得充分的承载力，无需进行像 回填作业中必须实施质检一类的管理。3）供应方便：无需根据工程要求设置专用工石生产，可利用现有商品混凝土厂提供，按 实际需用量由混凝土搅拌车运至施工现场。4）减小挖掘宽度：一般管线施工进行砂土回填必须确保一定挖掘宽度，如使用CLSM， 由于具有自密性能，地沟挖掘宽度可以缩减到最小限度，因而可削减施工量、缩短工期、减 少施工费用。5）施工后无沉降：CLSM施工时无孔隙，施工后不会下沉，与回填土施工必须进行严格 的施工管理相比，CLSM施工简单，且能确保施工质量。从以上特点可以认为，CLSM可以像流化土一样使用，名为低强度混凝土，实为一种地 基加固材料。1 CLSM的配合设计1.1使用材料CLSM的制作方法，一般都是由商品混凝土厂按一定生产工艺和质量管理具体实施，无 需专用工厂和湿拌机械，可使用的材料主要有少量的水泥、细骨料、粉煤灰、水和外加剂等。1）水泥：使用的水泥为普通硅酸盐水泥、高炉水泥和粉煤灰水泥。水泥用量根据必要的 强度和固化时间等要求质量决定，一般用量范围为20-40kg/m3。2）细骨料：作为CLSM的主要材料，用量最多，如由商品混凝土厂生产，宜采用混凝土 常用细骨料。细骨料的种类、粒度、形状对CLSM的强度和流动性的影响很大，特别是细粒 少的细骨料用于CLSM极易产生泌水，为此有必要添加特定量的粉煤灰予以调整。3）粉煤灰：主要用来改善CLSM的流动性和材料离析。粉煤灰的质量应符合有关技术标 准。标准以外的粉煤灰应事先通过配合试验确定使用。一般应选用对CLSM质量影响小的粉 煤灰。4）外加剂：外加剂是用来调整CLSM流动性、抗泌水性和材料分离性以及固化时间等专 用材料。为抑制材料分离。一般均采用混凝土 AE剂；为缩短固化时间，在浇注前可添加快 凝性外加剂；如需配制低密度的CLSM，还可混入一定气泡。根据质量要求，在一定条件下， 也可省去采用外加剂这一环节。5）水：CLSM用水，按有关规定应采用商品混凝土搅拌用水。1.2 CLSM的设计程序CLSM的设计程序按工程条件、技术要求、配合设计和施工等几项主主要内容进行按排， 详见图1所示。一确认性状（深度、狂度、进深等）一荷载条件（作用载荷）一开始共用时间（养护时间）一有无地下水一室内配合试验图1 CLSM的设计程序1.3强度与流动性的确定1.3. 1强度设定CLSM的强度可根据用途通过水泥用量的变化进行调整。根据明确的用途，用作是佳回 填材料的强度，应考虑设定的事项是：必须满足要求的强度；在自重和上部荷载作用下，CLSM 不得产生破坏和压缩沉降；应考虑再开挖的可能性。1.3.2流动性的设定CLSM的流动性应根据泵送性和施工性决定其流动值。工程应用特性与流化土大致相同， 流动值在150mm以下，流动梯度急剧上升，流动值一般规定在160mm以上。图2为CLSM流 动值与泌水率的相互关系，流动值大泌水率也随之增大，施工实例表明，从施工性和材料离 析两方面考虑，流动值设定为200-220mm，最终取得了良好的效果。图2流动性与泌水率的关系1.4不同用途的质量要求根据有关提案，CLSM的要求质量，不同用途具有相应的不同质量要求。该提案的适用 对象包括地下结构物的回填、地下空间的充填、小规模空洞的充填以及管道埋设的回填等用 途。该提案有关质量要求如表1所示。设定质量要求须充分考虑施工条件和适用场所的重要 性，采用CLSM时必须确定的项目包括单轴抗压强度、流动值、泌水率等项。表1不同用途的质量要求（提案）用途（适用对象）试验项目标准值地下结构物的回填 （管沟、建筑地下结 构、地下停车场等）单轴抗压强度7d后0.2MPa以上流动值160m m以上泌水率不是1%地下空间充填（废 坑、坑道充填）单轴抗压强度结构物要求一 定承载力时7d后在0.2MPa以上不要求一定 承载力时7d后在0.2MPa以上流动值160m m以上泌水率不足3%小规模空洞的充填（路面下空洞、结构物 背面的空洞废管内等）单轴抗压强度7 d后0.2MPa以上流动值160m m以上泌水率不足3%埋设管道的回填（煤 气管、上下水管等）单轴抗压强度车道下当天修复4 h后0.13MPa以上28 d后0.3MPa以下后日修复4 h后0.13MPa以上28 d后0.3MPa以下人行道下当天修复4 h后0.05MPB以上28d后0.5MPa以下后日修复交通放行对0.05MPa以上28d后0.5MPa以下流动值160m m以上泌水率不足3%1.5配合试验的实施CLSM的性能主要受细骨料和粉煤灰的影响，因此CLSM的配合试验首先需在室内进行， 然后再由生产厂实施，配合试验主要有两项：1）粉煤灰容积率f/a的决定试验（f/a为粉 煤灰f与细骨料S的体积比，a为f与S的合计容量）；2）强度确认试验。图3为配合试验 流程。1.5.1决定试验f/a试验目的是为了掌握粉煤灰的最佳用量。试验实施需有一定的水泥用量，f/a变化 应在3-4范围内变动，还应有使流动值达标的单位用水量，并应测定具泌水率。如按日本标准JISA6201规定采用II类粉煤灰，其泌水率会随f/a变化而较少。为此， 需取最佳的f/a。1.5.2强度认定试验强度认定试验是为了掌握水泥用量与强度两者的关系。试验实施须有一定的f/a，水泥 用量限在3-4范围内变动，并相应测定具单轴抗压强度。龄期可根据用途在4h后至28d范 围内设定1.6要求质量和评价的项目CLSM的质量评价项目包括强度，流动性，抗材料离析（泌水率）等。1.6.1强度的评价CLSM的强度评价为7d （或28d）的单轴抗压强度。CLSM的强度主要受水泥用量，粉煤 灰质量与用量，细骨料质量的影响。如用于路面，要用（美国）加州承载比，如用于冻结深 度以上，还需增加对其冻胀性能进行评价。1.6.2流动性评价CLSM的流动性一般均采用圆筒法进行评价。日本道路公团则采用“加气砂浆和加气灰浆 的试验方法JHSA313-1992”标准中的流动值进行评价。1.6.3抗材料离析的评价CLSM的抗材料离析一般均采用泌水率进行评价。日本土木学会则按“预填集料灌浆混 凝土用灌注砂浆的泌水率和膨胀率试验JSCEF521999”标准进行测定和评价。该标准规 定有3h后的泌水率和最终水率（20h以上的泌水率），但对材料的抗离析性，一般多采用最 终泌水率进行评价，通常以不满3%为准。1.7配合比圈5材料与单位水泥用量、单轴抗压强度的关系图4、图5为一般回填作业实例，现场要求质量包括：流动值22020mm, 3h后的泌水 率在3%以下，龄期20d的单轴抗压强度为0.4-0.67MPa。通过以上实例，如图4所示由最 小单位用水量相对应的f/a=30%确定其最佳的粉煤灰容积率。其次如图5所示，单位水泥 用量通过室内28d单轴抗压强度为0.40.67MPa，确定为20kg / m3。国外技术开发可控低强度材料的开发与应用（下）朱航征编译2工程应用特性通过室内试验和现场试验可知以下事项。2.1单轴抗压强度CLSM的强度一般均由单轴抗压强度进行评价，水泥用量较少，一般为20-40kg/m3，但因 粉煤灰用量较大，一般为300-600kg/m3,因而具有长期进行火山灰反应的特征。材龄 1-28d的 各龄期间的单轴抗压强度关系经整理如表2所示。其强度比的相关关系良好，各强度比分别 为：长期强度在增长。图6为28d单轴抗压强度与单位水泥用量的关系。如使用材料与f/a相同，单轴抗压强 度与单位水泥用量有关，强度可根据水泥用量进行判断。图7为单轴抗压强度与变形系数的 关系。变形系数与单轴抗压强度具有良好的相关关系。2.2冻胀性能表3为冻胀试验结果。试验按3个状况实施结果“均非呈水晶状态，而是状如混凝土“冻 胀率为1.2%-1.9%。在日本，该试验结果符合有关道路标准规定值，因而被判定为“合格”表3冻胀试验结果单位水泥用量/（kg/m3）冻结形式冻胀率/%标准值*20冻结状如混凝土1.930冻结状如混凝土1.2不满20%20 （无AE剂）冻结状如混凝土1.7*冻结状如混凝土时2.3环境安全性能（重金属析出，pH）表4重金属析出试验与PH试验结果如表4所示。项目单位水量用量/（kg/m3）标准值203020（无AE剂）土的PH试验11.812.111.8-分批PH试验5.95.95.9-重金属析出镉/ (mg/l)0.0010.0010.0050.01*铅/ (mg/l)0.0050.0050.0050.01*六价铬/ (mg/l)0.0120.0160.0190.05*砷/ (mg/l)0.0050.0050.0050.01*水银/ (mg/l)0.00050.00050.00050.005*据日本环卫厅有关报告1）重金属析出试验：重金属试验实施共5个项目，其中镉，铅，砷，水银均在检出极 限以下，六价铬为0.012-0.019mg/l，按“土壤污染环境标准”的要求，也能满足其标准值 为0.05mg/l的规定。2）pH试验：按土的pH试验和分批工pH试验两项实施。土的pH试验是将试样粉碎后进行测定，其值为11.8-12.1,属强碱性质。分批式pH试验是采用固结填土表面接触雨水并 流出，通过模型化试验，取固结的试料测定其pH值。结果表明不同单位水泥用量下，pH值 均为5.9,都在中性区域。因此，在再开挖时，由于接触雨水等，pH值可能提高，但CLSM 在浇注后即呈固结状态，因而不致构成问题。2.4不同粉煤灰质量的影响粉煤灰质量需对CLSM有关性能影响进行试验，配合实拖方案为3种粉煤灰，3种单位 水泥用量，共9种方式。3种单位水泥用量分别为20kg / m3、30kg / m3和（无AE剂）20kg / m3。粉煤灰的质量试验结果如表5所示。质量不同，为取得所要求的新拌和材料的单位用水 量和AE剂掺量也就有所不同。不同配合比与新拌和材料的性能试验结果如表6所示。表中 表明，同一种粉煤灰，即使单位水泥用量不同，为获得规定性能的新材料，所用单位用水量 是同一的。表5粉煤灰质量FABCJIS II 类化学烧失量/%3.32 35以下二氧化硅/%65.261.861.145以上氧比铝/%18.3l26.4326.lO二氧化铁/%4.6710.092.78氧化钙/%2.025 140.59pH10.911.74.1物理（碱性）亚甲兰吸附量/ （mg/g）0.670 910.57湿度/%0. Ol0 070.001以下密度 / (g / cm3)2.202.402.141.95以下密法毛体积密度/ （g/cm3）1.3681.5291.353填充率/%62.263.763.2细度布莱恩比表面积/ （cm2 / g）3 4803 5702 7802 500以上1）流动值与空气含量：为取得与目标流动值相关的单位用水量未曾进行认可。为取得与 目标强度相关的AE剂添加率，对（碱性）亚甲兰吸附量作了假定。（碱性）亚甲兰吸附量与AE 剂添加率的关系如图8所示，与粉煤灰混凝土的关系具有相同的相关性。图8 MB吸附量与AE剂添加率的关系（Air为空气含量）2）泌水率：图9为泌水率试验结果。根据粉煤灰的质量，C类粉煤灰的泌水率与其它两 类粉煤灰相比较小，为取得用一新拌和材料的特性，其单位用水量相对较小。不同粉煤灰泌 水率的偏差较小，约在1%2%之间，但均能满足不满3%的泌水率要求。o.tf C20 kg Air5% H C30 kg Air5%图9 FA种类与泌水率的关系（Air为空气含量）3）抗压强度：单轴抗压强度试验结果如图10所示。根据粉煤灰的质量，不同种类粉煤 灰相比较，以B类粉煤灰的单轴抗压强度较高，其它两类均较低。这与粉煤灰的布莱恩比表 面积和密实毛体积密度有关，B类粉煤灰比其它两类均较大，而A和C两类则无多大差异。图10 FA种类与单轴抗压强度的关系4）抗压强度与化学成分的关系：CLSM的抗压强度固然要受单位水泥用量的支配，但有 关火山灰反应必要的含钙量仍须由粉煤灰提供，强度发展的主要原因就在于水泥的水化反应 和粉煤火的火山灰反应，强度则可由水灰比与粉煤灰的质量推出和确定。如使用的水泥量很 少，水灰比很大，W/C就无明确的关系。为此，为考虑粉煤灰的影响，以硅、钙作为指标， 对硅钙比与水灰比的乘积作了探讨。（Si02/CaOXW/C ）与抗压强度的关系如图11所示。如以此为指标值，抗压强度在400 附近前呈线形减少状态，其后即保持一定值。这表明反应生成物在400附近前具有相互关系。 结果表明，CLSM的抗压强度可以由水灰比、粉煤灰的二氧化硅含量、氧化钙含量进行推断 和确定。图11 Si02/CaOXW/C与单轴抗压强度的关系2.5空气含量的影响有无AE剂添加对CLSM特性的影响，研究结果如表7所示。表7有无AE剂的试验结果粉煤灰AE剂新拌和材料泌水率/%单轴抗压强度/ MPa流动值含气量/%。材龄/d3 h最终72891A添加2274.41.450.100.26 (0.765)0,34 (1.000)0.41(1 206)未添加2180.31.791.400.32(0 821)0.39(1 000)0.55(1 410)B添加2155.01.812.320.47 (0.855)0.55(1 000)0.79(1 436)未添加2180.31.762.520.57(0 781)0.73(1 000)1.14(1 562)C添加2135.11.350.570.32 (0.762)0.42(1 000)0.52(1 238)未添加2130 61 280.820.39 (0.848)0.46 (1.000)0.54(1.174)1）不论有无AE剂（加气减水剂），其流动性（流动值，并无多大差异。2）不论有无AE剂，其泌水率差异较大，不掺AE剂的在拌和后会出现材料分离，特别是 最终的泌水率，如与掺有AE剂的相比差异格外显著，但两者的泌水率均不足3%。3）关于抗压强度，未掺AE剂的与掺有AE剂的相比，其强度发展具有增大倾向，但两者 均在设定的范围内，即0.3-0.5 N/mm2（材龄28d）。2.6新拌和CLSM特性的历时变化表8为施工实例相关配合用料与要求特性。表中实列为竖井回填项目。外加剂采用的 是烷基乙醚系阴离于界面活性剂，浇注时室外温度和混凝土温度为23-25摄氏度。在商品混 凝土厂和现场分别测定了流动值和空气含量，结果如图12所示，由工厂运输至施工现场约 35min，流动值以现场较大，空气含量以现场较小，但差异不大。流动值在运输期间的特性 几乎没有变化，空气含量减少可能与加气减水剂有关。表8施工实例相关配合用料与目标特性实例目标流动值/ mm目标强度/MPaf/a/%单位用量(kg/m3用途工程项目水W水泥C粉煤灰F细骨料S外加剂1220 + 200.3-0.5202552030314883.553MA785理营回填电站循环水管2220 + 200.5302763043812220.361MA101竖井回填城市下 水道实例目标流动值/ mmf/a/%单位用量/ (kg/m3)用途工程项目水W水泥C粉煤灰F玻璃渣G细骨料S外加剂1220 + 2030265304726636580.100MA785埋管回填试验性 施工2.7泌水、沉降图13泌水率测定地点仍以表8中的施工实例进行说明。测定地点如图13所示，共有4处，每目浇注测定 其浇注深度，次目在浇注1d后即测定其泌水深度，并求出其泌水率。泌水率在室内测定时 为2.4%，工厂测定时为1.8%，现场测试除N0.3.4外，其它均不满3%，平均也为1.8%， 其第1d的N0.3泌水率为3.6%，N0.4为4.6%，泌水率大的原因，主要受原地基的影响， 再加上流动距离又长。施工后，采用沉降棒测定CLSM硬化后的沉降。从浇注第二天起至19 日后的总沉降量为2mm，对于4.3的浇注高度，可以忽略不计固化后的体积收缩。表9泌水率测定结果测定地点第 1d/%第 2d/%第 3d/%第 4d/%N0 12.340.501.090.36N0 21.901.962.220.71H0 33.561.461.101.04H0 44.591.091.661.73图14填充试验实施断面2.8填充性为评价CLSM的填充性，以表8中的配合进行管内填充度试验（见图14断面）管内填充度试验 的最上层为三根200pvc管（聚氯乙烯管）。按CLSM的注入流向，pvc管分上坡行，水平和下 坡行三种情况设置。上坡度和下坡度均为2%。管内填充试验结果如图15所示。图中为CLSM 浇注后28 d挖出的管段，切断的管段均为1m长，经外露部分的调查列出相应妁结果。图16 为管段断面（下坡行）实况，经实际观察可以确认CLSM注入管内几科完全填满。但在管的项部 仍存有一定的残留空隙，经试验，其泌水率为1.5%，管径为200mm，折合为3mm，由于泌水 面发生空隙的可能性存在着较大的机率。图16切断的管段断面3结束语1）CLSM的配合设计可按最佳f/a探讨一水泥用量探讨和系列流动值表示顺序进 行。2）单轴抗压强度的长期强度有所增长，但各个材龄的强度比非常良好。3）冻胀试验合格。pH试验，经粉粹的试样具有强碱性，但模型（model）试验则呈中性。4）粉煤灰的质量不同，为获得所定新拌和材料特性的单位用水量，AE剂具有不同的舔 加率，单轴抗压强度也有所不同，但影响不显著。抗压强度与（Si02/CaOXW/C）相关，可 利用其相关关系进行推断和确定。5）如投人一定加气量，泌水率随之减小，单轴抗压强度也相应降低，而根据质量要求， 即使未添加AE剂，也能满足设计条件。6）商品混凝土厂和现场的流动值，根据空气含量的测定结果，具有的倾向是：流动性以 现场较大，空气含量则以现场较小。但其差异并不明显，可以认为质量变化较小。7）现场的泌水率，比室内试验结果小，硬化后的沉降也较小。8）管内填充试验经切断的管段断面考察，在管的顶部虽存在因泌水而产生一些残留空 隙，但仍可确认管内被大致填充。