郝 彤,王 帥,冷發(fā)光
(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院,鄭州 450000;2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013;3.建研建材有限公司,北京 100013)
地鐵開辟了人類的地下空間,減輕了地面上的擁擠,人口密集的大都市的出行難問題得到了一定的緩解。但是,隨之而來的環(huán)境問題,盾構(gòu)渣土的處理問題,不得不引起重視。以鄭州市為例,根據(jù)規(guī)劃顯示,到2050年鄭州將有軌道交通線路21條,車站503座,總里程達(dá)945.2 km,若隧道區(qū)間直徑按6.4 m計(jì)算,則每千米地鐵開挖將出土約3.2萬方,僅鄭州市將出土300萬方。另?yè)?jù)統(tǒng)計(jì),截止2020年,全國(guó)將有33個(gè)城市配有177條地鐵線,總里程達(dá)到7 395 km,將出土2.3億方。然而,目前處理方式多采用粗放式堆填。地鐵盾構(gòu)渣土摻加一定量的礦物類膨潤(rùn)土、表面活性劑等,形成一種“塑性流動(dòng)狀態(tài)”,使得堆積高度降低,占地面積大幅增加。地鐵盾構(gòu)渣土正面臨著堆放難、處理難、利用難的局面。
目前,對(duì)地鐵盾構(gòu)渣土利用研究較少且以制備磚和陶粒等建材為主。如文獻(xiàn)[1]指出利用盾構(gòu)干化土、盾構(gòu)固渣、煤矸石為原料,以65%~80%、10%~30%、15%~25%的質(zhì)量配合比,壓制燒結(jié)成磚。其質(zhì)量完全滿足GB/T 5101—2003《燒結(jié)普通磚》相關(guān)要求,強(qiáng)度可達(dá)18~25 MPa,凍融試驗(yàn)后質(zhì)量損失小于1%,無明顯變形、泛霜情況發(fā)生。文獻(xiàn)[2]利用土壤固化技術(shù)生產(chǎn)渣土免燒磚,如廣西永固磚業(yè)有限公司生產(chǎn)的“固化土壤多孔磚”。張騰飛等[3]以地鐵渣土為主料,粉煤灰為輔料,在一定溫度下成功燒制出900密度等級(jí)的渣土陶粒,制備的渣土陶粒呈淺棕色,表面光滑且有完好的釉質(zhì)層,內(nèi)部疏松多孔,呈蜂窩狀,最大孔徑在100 μm左右,且有少量的連通孔。李海斌等[4]以盾構(gòu)渣土為主要原料,輔以氧化鎂混合改性,在較低溫度下制備一種強(qiáng)度適中、性能優(yōu)異的水體除磷陶粒。高瑞曉等[5]用地鐵渣土制備出不同粒徑(10~15 mm、15~25 mm)的800密度等級(jí)渣土陶粒。文獻(xiàn)[6-7]均以地鐵渣土為主要原料加入水泥、生石灰等固化劑,制備出免燒陶粒,該陶粒具有成本低,節(jié)能、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),所制備的免燒渣土陶粒、免蒸免燒陶粒都可用于吸附凈水以及固化重金屬離子。另外,郝彤等[8]探索了利用地鐵盾構(gòu)渣土制備水泥混合材的可行性,試驗(yàn)表明通過煅燒可以激發(fā)地鐵盾構(gòu)渣土的活性使其活性滿足二級(jí)粉煤灰的要求。文獻(xiàn)[9]利用建筑渣土制備CLSM,并對(duì)其性能進(jìn)行研究。
綜上,利用方式均需先烘干后利用,不利于節(jié)能減排和大規(guī)模利用。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)將可控低強(qiáng)度材料 (Controlled Low Strength Material,CLSM)定義為一種具有高流動(dòng)性,在自重作用下無需或少許振搗可自行填充,形成自密實(shí)結(jié)構(gòu)的替代傳統(tǒng)回填材料的膠凝回填材料,28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不得大于8.3 MPa,但須大于0.3 MPa(優(yōu)質(zhì)土壤的抗壓強(qiáng)度為0.3~0.7 MPa)[10-12]。Sheen等[13]發(fā)現(xiàn)低液限土制的土基控制低強(qiáng)度材料(CLSM)具有良好的挖掘性能,并且指出高爐礦渣部分取代水泥,可以提高流動(dòng)性,但凝結(jié)時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)。Anand等[14]利用高塑性土也成功制備出CLSM,并建議把流動(dòng)性和密度特性作為評(píng)價(jià)CLSM可行性的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),而且將其應(yīng)用到了管溝回填工程中,取得了良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。本試驗(yàn)參考國(guó)外CLSM的概念并依據(jù)盾構(gòu)渣土的自身特點(diǎn),提出直接利用地鐵盾構(gòu)渣土制備流動(dòng)度≥180 mm,泌水率5%~8%的盾構(gòu)渣土-可控低強(qiáng)度材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)回填材料。
水泥為河南滎陽(yáng)天瑞水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的天瑞牌P·O 42.5水泥,其各項(xiàng)物理性能指標(biāo)均滿足國(guó)家規(guī)范GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[15]規(guī)定的指標(biāo)要求;選用Ⅰ級(jí)粉煤灰,其性能指標(biāo)均符合國(guó)家規(guī)范GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[16]的要求;細(xì)骨料選用級(jí)配良好的中砂,選用具有代表性地鐵盾構(gòu)渣土,其顆粒級(jí)配和物理性能指標(biāo)如表1和表2所示,XRD檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。
表1 盾構(gòu)渣土顆粒級(jí)配Table 1 Particle grading of shield muck
表2 盾構(gòu)渣土基本物理性能Table 2 Basic physical performance of shield muck
本試驗(yàn)原料主要包括水、普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)、中砂、盾構(gòu)渣土和粉煤灰制備盾構(gòu)渣土-CLSM。試驗(yàn)以盾構(gòu)渣土和中砂為細(xì)骨料,以盾構(gòu)渣土30%、40%等質(zhì)量取代中砂。水泥摻量為細(xì)骨料質(zhì)量的10%,礦物摻合料為外摻法,摻量同樣按細(xì)骨料質(zhì)量的百分比。選用2.46、2.58、2.70、2.82四個(gè)水灰比探討不同水灰比對(duì)流動(dòng)性、泌水率以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。同時(shí),在水灰比2.70和2.82下探討0%、5%、10%、20%粉煤灰摻量對(duì)流動(dòng)性、泌水率以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。
圖1 盾構(gòu)渣土XRD譜Fig.1 XRD pattern of shield muck
圖2 流動(dòng)性測(cè)試筒及試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Fluidity test tube and test results
流動(dòng)性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是衡量CLSM的兩個(gè)最重要指標(biāo)。本試驗(yàn)流動(dòng)性測(cè)試方法參照ASTM D6103的圓筒標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法使用φ75 mm×150 mm的圓筒測(cè)量拌合物的坍落度和擴(kuò)展度,流動(dòng)性測(cè)試筒及試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,試塊尺寸為70 mm×70 mm×70 mm,分別測(cè)試其7 d和28 d抗壓強(qiáng)度。
作為自流平、自密實(shí)的高流態(tài)綠色填充材料,良好的流動(dòng)性和保水性是必不可少的,本試驗(yàn)在確定各組分摻量的基礎(chǔ)上,通過調(diào)節(jié)不同的水灰比將流動(dòng)度控制在180~260 mm之間進(jìn)行試驗(yàn)研究。因此為了達(dá)到期望的CLSM流動(dòng)度值,有必要對(duì)其水灰比進(jìn)行研究,以此確定各組分最佳水灰比。試驗(yàn)配合比如表3所示,變化趨勢(shì)如圖3和圖4所示。
表3 水灰比對(duì)CLSM流動(dòng)性的影響Table 3 Effect of water-cement ratio on fluidity of CLSM
由于試驗(yàn)以盾構(gòu)渣土直接利用的方式摻加,在每次試驗(yàn)前都先取樣烘干測(cè)含水率,然后再根據(jù)渣土含水率和水灰比確定用水量。為保證表述更加準(zhǔn)確,在表3中用水灰比代替用水量,用盾構(gòu)渣土和中砂的質(zhì)量百分比代替實(shí)際使用質(zhì)量,水泥摻量為10%。從圖3中可以看出,當(dāng)盾構(gòu)渣土摻量一定時(shí),CLSM的流動(dòng)度隨水灰比的增加而增加,對(duì)于30%的摻量,水灰比從2.46增至2.82,坍落度擴(kuò)展度從205 mm增加到322 mm,增幅57.1%,且水灰比從2.70增加到2.82,增幅達(dá)到34.2%。當(dāng)渣土摻量40%時(shí),坍落度擴(kuò)展度從187 mm增加到265 mm,增幅41.7%,水灰比從2.70增加到2.82,增幅為18.8%。即對(duì)于低摻量盾構(gòu)渣土的CLSM來說,水灰比對(duì)流動(dòng)性的影響較大,在不摻礦物摻合料的情況下設(shè)計(jì)水灰比范圍內(nèi)都能夠滿足CLSM的流動(dòng)性要求。泌水率作為反應(yīng)材料保水性的指標(biāo)之一,對(duì)于CLSM來說一般要求2 h泌水率低于5%[17],從圖4中可以得到,泌水率也隨著水灰比的增加而增加,當(dāng)渣土摻量為30%時(shí),泌水率從6.8%增加到10.4%,增幅52.9%,與流動(dòng)度變化趨勢(shì)相似,當(dāng)水灰比從2.70增加到2.82時(shí),增幅最大為25.3%。當(dāng)渣土摻量為40%時(shí),泌水率從5.2%增加到7.8%,增幅為50%。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn),當(dāng)泌水率在8%左右時(shí)拌合物未發(fā)生離析,且流動(dòng)性、勻質(zhì)性較好。因此,在不摻加礦物摻合料的情況下,建議水灰比為2.46~2.70,當(dāng)水灰比大于2.70時(shí)其流動(dòng)度和泌水率都將大幅度上升,對(duì)水的敏感度增加。
圖3 水灰比與流動(dòng)度關(guān)系Fig.3 Relationship between water-cement ratio and fluidity
圖4 水灰比與泌水率關(guān)系Fig.4 Relationship between water-cement ratio and bleeding rate
可見在不摻加礦物摻合料的情況下,其泌水率基本上均大于5%,為探討礦物摻合料對(duì)流動(dòng)性和泌水率的影響,本試驗(yàn)在2.70、2.82兩個(gè)水灰比下對(duì)0%、5%、10%、20%粉煤灰摻量進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示,變化趨勢(shì)如圖5和圖6所示。
表4 礦物摻合料對(duì)CLSM流動(dòng)性的影響Table 4 Effect of mineral admixtures on fluidity of CLSM
根據(jù)水灰比對(duì)流動(dòng)性的影響結(jié)果,選擇在2.70、2.82兩個(gè)水灰比下進(jìn)行礦物摻合料的影響研究,試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5(a)可以看出,當(dāng)水灰比為2.70時(shí),隨著粉煤灰摻量的增加,坍落度擴(kuò)展度值從240 mm減小到195 mm,降幅18.8%;當(dāng)水灰比為2.82時(shí),隨著粉煤灰摻量的增加,坍落度擴(kuò)展度值從322 mm減小到232 mm,降幅28%,且當(dāng)粉煤灰摻量從10%增加到20%時(shí),降幅分別為9.7%和12.8%。同樣,圖5(b)中表明,當(dāng)水灰比為2.70時(shí),隨著粉煤灰摻量的增加,坍落度擴(kuò)展度值從223 mm減小到97 mm,降幅56.5%;當(dāng)水灰比為2.82時(shí),坍落度擴(kuò)展度值從265 mm減小到178 mm,降幅32.8%,當(dāng)粉煤灰摻量從10%增加到20%時(shí),降幅分別為37.4%和22.9%。基本都隨著粉煤灰摻量的增加而減小。粉煤灰摻量對(duì)CLSM泌水率的影響規(guī)律與流動(dòng)度變化規(guī)律相同,都是隨著粉煤灰摻量的增加而減小,如圖6(a)所示,當(dāng)水灰比為2.70時(shí),隨著粉煤灰摻量的增加,泌水率從8.3%減小到4.2%,降幅49.4%;當(dāng)水灰比為2.82時(shí),泌水率從10.4%減小到5.5%,降幅47.1%,粉煤灰摻量從10%增加到20%時(shí),泌水率降幅分別為25%和19.1%。圖6(b)中,當(dāng)水灰比為2.70時(shí),泌水率從7.2%減小到2.9%,減幅59.7%;當(dāng)水灰比為2.82時(shí),泌水率從7.8%減小到4.5%,減幅42.3%,粉煤灰摻量從10%增加到20%時(shí),泌水率降幅分別為34.1%和19.6%。
圖5 粉煤灰摻量與CLSM流動(dòng)性變化關(guān)系Fig.5 Relationship between fly ash content and CLSM fluidity
圖6 粉煤灰摻量與CLSM泌水率變化關(guān)系Fig.6 Relationship between fly ash content and CLSM bleeding rate
從以上變化規(guī)律中可以得出明確的結(jié)論,對(duì)于盾構(gòu)渣土的CLSM而言,當(dāng)水灰比一定時(shí),流動(dòng)度隨著粉煤灰摻量的增加而減小。究其原因可能與盾構(gòu)渣土的利用方式和其含有的表面活性劑有關(guān),新拌混合物中的水主要包括充填水和自由水兩種,混合物的流動(dòng)性主要取決于自由水,而充填水存在于顆粒間的空隙中對(duì)流動(dòng)性基本沒有貢獻(xiàn)。一般情況下,由于粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)和微集料作用可以將顆??障堕g的充填水置換出來形成自由水從而增加流動(dòng)性。然而,盾構(gòu)渣土與傳統(tǒng)的細(xì)骨料不同,本身具有黏性又因?yàn)椴捎弥苯永玫木壒势鋬?nèi)部的充填水在表面活性劑(泡沫劑)的作用下不易排出,使得粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)降低,同時(shí)粉煤灰自身也需要消耗自由水,使得整體CLSM混合物的自由水減小,流動(dòng)性降低。另外相對(duì)于30%盾構(gòu)渣土摻量的CLSM,粉煤灰摻量對(duì)40%盾構(gòu)渣土摻量的CLSM流動(dòng)性影響更大,也間接證明了上述觀點(diǎn)。
無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為CLSM的一個(gè)重要指標(biāo)(以下簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度),一般認(rèn)為28 d抗壓強(qiáng)度在0.3~0.7 MPa時(shí)已具有優(yōu)良夯實(shí)性能,與土壤的抗壓強(qiáng)度相當(dāng),當(dāng)用作結(jié)構(gòu)回填時(shí)抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于2 MPa,用于路面基層、底基層或路基時(shí)抗壓強(qiáng)度應(yīng)為1.5 MPa[18]。因此本試驗(yàn)分別分析了水灰比和礦物摻合料對(duì)CLSM抗壓強(qiáng)度的影響。水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果如表5所示,變化趨勢(shì)如圖7所示。
表5 水灰比對(duì)CLSM抗壓強(qiáng)度的影響Table 5 Effect of water-cement ratio on compressive strength of CLSM
圖7 水灰比與CLSM抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.7 Relationship between water-cement ratio and CLSM compressive strength
根據(jù)表5的數(shù)據(jù)繪制了水灰比與CLSM抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律圖,如圖7所示。從圖7(a)中可以看出,盾構(gòu)渣土摻量30%的CLSM抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增加而減小。當(dāng)水灰比從2.46增加到2.82時(shí),7 d抗壓強(qiáng)度從1.31 MPa減小到1.04 MPa,降幅20.6%,28 d抗壓強(qiáng)度從2.32 MPa減小到1.47 MPa,降幅36.7%,同一水灰比下,7 d到28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為77.1%、68.5%、59.8%、41.3%;對(duì)40%渣土摻量CLSM來說,當(dāng)水灰比從2.46增加到2.82時(shí),7 d抗壓強(qiáng)度從1.51 MPa減小到1.07 MPa,降幅29.1%,28 d抗壓強(qiáng)度從1.95 MPa減小到1.34 MPa,降幅31.3%,同一水灰比下,7 d到28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為29.1%、26.1%、25.6%、25.2%。
從上述分析中可以得到,水灰比對(duì)CLSM抗壓強(qiáng)度有一定的影響,且對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響更大。同時(shí)也可以初步得出隨著水灰比的增加,同水灰比7 d到28 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率減小。另外,40%盾構(gòu)渣土摻量的CLSM的7 d抗壓強(qiáng)度大于30%盾構(gòu)渣土摻量的CLSM的7 d抗壓強(qiáng)度。但是,40%盾構(gòu)渣土摻量的CLSM的28 d抗壓強(qiáng)度卻小于30%盾構(gòu)渣土摻量的CLSM的28 d抗壓強(qiáng)度。且各個(gè)水灰比下,7 d到28 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率均小于30%盾構(gòu)渣土摻量的CLSM的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率。
粉煤灰作為一種礦物摻合料其火山灰活性對(duì)CLSM的抗壓強(qiáng)度具有一定的影響。為探究其影響規(guī)律,本試驗(yàn)取水灰比2.70、2.82,分別對(duì)0%、5%、10%、20%的粉煤灰摻量進(jìn)行研究,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。變化趨勢(shì)如圖8所示。
從圖8可以得到,粉煤灰的加入對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較明顯,圖8(a)中當(dāng)水灰比為2.70時(shí),隨著粉煤灰摻量從0%增加到20%,7 d抗壓強(qiáng)度從1.17 MPa增加到1.89 MPa,漲幅61.5%,28 d抗壓強(qiáng)度從1.87 MPa增加到3.12 MPa,漲幅66.8%,各粉煤灰摻量下7 d到28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為59.8%、56.3%、67.7%、65.1%。當(dāng)水灰比為2.82時(shí),隨著粉煤灰摻量從0%增加到20%,7 d抗壓強(qiáng)度從1.04 MPa增加到1.65 MPa,漲幅58.7%,28 d抗壓強(qiáng)度從1.47 MPa增加到2.58 MPa,漲幅75.5%,各粉煤灰摻量下7 d到28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為41.3%、50.4%、61.3%、56.4%;圖(b)中抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化規(guī)律與圖(a)基本相同,當(dāng)水灰比為2.70時(shí),隨著粉煤灰從0%增加到20%,7 d抗壓強(qiáng)度從1.29 MPa增加到2.11 MPa,漲幅63.6%,28 d抗壓強(qiáng)度從1.62 MPa增加到2.98 MPa,漲幅84%,各粉煤灰摻量下7 d到28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為25.6%、31.1%、40.5%、41.2%。當(dāng)水灰比為2.82時(shí),7 d抗壓強(qiáng)度從1.07 MPa增加到1.71 MPa,漲幅59.8%,28 d抗壓強(qiáng)度從1.34 MPa增加到2.36 MPa,漲幅76.1%,各粉煤灰摻量下7 d到28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為25.2%、30.8%、39.4%、38%。而且40%盾構(gòu)渣土摻量CLSM的7 d抗壓強(qiáng)度大于30%盾構(gòu)渣土摻量的,但是28 d抗壓強(qiáng)度、各粉煤灰摻量下的強(qiáng)度增長(zhǎng)率小于30%盾構(gòu)渣土摻量的,與不摻加礦物摻合料的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律相同。
表6 粉煤灰摻量對(duì)CLSM抗壓強(qiáng)度的影響Table 6 Effect of fly ash content on compressive strength of CLSM
圖8 粉煤灰摻量與CLSM抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between fly ash content and CLSM compressive strength
綜上分析可得,粉煤灰的加入可明顯增強(qiáng)CLSM的抗壓強(qiáng)度且對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響更為顯著,隨著粉煤灰摻量的增加,其7 d到28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率基本呈先增加后下降的趨勢(shì),當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)率最高,隨著水灰比的增加,7 d到28 d的強(qiáng)度增長(zhǎng)率降低。究其原因,隨著水灰比的增加,其自由水含量增加,未參與水化反應(yīng)的自由水一部分從表面泌出,另一部分則留在試塊內(nèi)部最終形成毛細(xì)孔使得抗壓強(qiáng)度降低,而粉煤灰的加入一方面可以參與水化反應(yīng)生成更多的水化硅酸鈣凝膠,另一方面其微集料效應(yīng)可以填充試塊的空隙,使得試塊內(nèi)部更加密實(shí),水化過程如圖9所示,微觀結(jié)構(gòu)得到改善從而使得抗壓強(qiáng)度提高。
圖9 CLSM水化反應(yīng)圖Fig.9 Diagram of CLSM hydration reaction
(1)直接利用地鐵盾構(gòu)渣土以30%、40%等質(zhì)量取代細(xì)骨料通過調(diào)節(jié)水灰比和粉煤灰摻量可得到坍落度擴(kuò)展度在180~260 mm,泌水率5%~8%的高流態(tài)、自密實(shí)的可控低強(qiáng)度材料。
(2)盾構(gòu)渣土-CLSM的流動(dòng)性隨著水灰比的增大而增大,粉煤灰摻量的增加對(duì)CLSM的流動(dòng)性具有不利影響,但可以顯著改善泌水現(xiàn)象,推薦水灰比為2.70~2.82,粉煤灰摻量10%。
(3)盾構(gòu)渣土-CLSM的抗壓強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減小,粉煤灰摻量的增加可以提高CLSM的抗壓強(qiáng)度,且對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度影響顯著,當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí),其7 d到28 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最高。
(4)盾構(gòu)渣土-CLSM在盾構(gòu)渣土30%、40%替代率下,28 d抗壓強(qiáng)度為1.34~3.12 MPa,可滿足路基、管道、結(jié)構(gòu)等工程的回填和填充,其自密實(shí)自流平特性可彌補(bǔ)傳統(tǒng)回填材料存在填充死角的問題。