可控低強(qiáng)度材料(CLSM)性能評價方法分析

汪 偉，張同生,2，陳燦峰，吳正德，韋江雄,2，余其俊,2

(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641；2.廣東省建筑材料低碳技術(shù)工程技術(shù)研究中心，廣州 510641； 3.廣州市光達(dá)環(huán)?？萍纪顿Y有限公司，廣州 511300)

0 引 言

可控低強(qiáng)度材料(controlled low-strength material, CLSM)是一種具有高流動性，在自重作用下無需或少許振搗可自行填充，形成自密實結(jié)構(gòu)，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不高于8.3 MPa的新型充填材料，其原材料來源廣(工業(yè)廢渣、建筑固廢、棄土等),制備工藝簡單,易于施工,再次開挖成本低，被廣泛應(yīng)用于工程回填、路面基層、管道墊層等場所。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)LSM性能要求也不盡相同，例如：普通回填、結(jié)構(gòu)性回填工程主要關(guān)注CLSM流動性、穩(wěn)定性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，前者強(qiáng)度控制在0.3～2.1 MPa，后者在2.1～8.3 MPa；管道邊角填充施工較為困難，對CLSM流動性和穩(wěn)定性要求高，為便于后期管道維護(hù)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求<2.1 MPa[1-2]；當(dāng)CLSM用作道路基層時，重點(diǎn)關(guān)注加州承載比(California bearing ratio， CBR)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度等，以保證基層穩(wěn)定性，避免沉降。

目前，CLSM測試方法多參考混凝土、砂漿相關(guān)方法或者采用自行設(shè)計實驗方法，適用范圍、評價指標(biāo)與結(jié)果存在較大差異，亟待形成統(tǒng)一、完善的測試方法體系，以支撐CLSM規(guī)?；a(chǎn)和工程應(yīng)用。基于此，本文歸納了CLSM工作性能、力學(xué)性能、環(huán)境影響、耐久性等方面的測試方法，從測試原理、實驗參數(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了對比分析，為廣大科研工作者選擇合適的性能測試方法提供依據(jù)，也為我國制定和完善CLSM標(biāo)準(zhǔn)體系提供參考。

1 工作性能測試方法

與傳統(tǒng)回填材料相比，CLSM最顯著的特征是優(yōu)良的工作性能，尤其適用于狹小操作空間、不規(guī)則充填工程。通常采用流動性、離析程度、泌水率、凝結(jié)時間、填充性能以及沉降量來評價CLSM工作性能，主要測試原理、實驗參數(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 CLSM工作性能測試方法、具體參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Testing methods including specific parameters for the workability of CLSM and their advantages and disadvantages

1.1 流動性

ASTM D6103—2017[3]采用φ75 mm×150 mm開口筒型模具盛滿CLSM，快速(2～4 s)提起模具使CLSM自由擴(kuò)展，停止后在正交方向上測量擴(kuò)展直徑，以直徑的平均值作為CLSM的流動度[12-17]。當(dāng)CLSM加入粗骨料時，也可采用J型環(huán)法表征CLSM材料的流動性[3]。J型環(huán)由鋼環(huán)(φ300 mm)及連接在鋼環(huán)上的鋼筋組成，測試時將坍落度筒填滿CLSM，快速提起坍落度筒，待CLSM不再流動或流動持續(xù)時間已達(dá)50 s，以擴(kuò)展最大直徑與其垂直方向直徑的平均值表示CLSM流動度，比較環(huán)內(nèi)外拌合物的高度可評價CLSM間隙通過能力。J型環(huán)法規(guī)定鋼筋間距為骨料粒徑的1～3倍，可選擇范圍過大，采用不同鋼筋間距，實驗結(jié)果差異大。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)測定CLSM通過時間評價流動性，大粒徑骨料容易造成V型漏斗堵塞，不適用于骨料粒徑>19 mm的CLSM流動性測試。流動性測試方法選擇的主要依據(jù)是CLSM中加入骨料的粒徑大小，為方便后期的開挖，通常CLSM中不加入粗骨料，可根據(jù)ASTM D6103—2017[3]進(jìn)行測定。

1.2 離析程度

JGJ/T 70—2009[5]以不同高度新拌漿體的稠度差表征離析程度。Qian等[6，18]則以不同高度CLSM(3層)密度的樣本標(biāo)準(zhǔn)差表征離析程度，并將其定義為離析度(DS，見式(1))。當(dāng)DS小于1時，可認(rèn)為CLSM離析程度在可接受的范圍內(nèi)。上述方法僅反映CLSM靜態(tài)離析程度，施工(流動)過程產(chǎn)生的離析(動態(tài))均未得以體現(xiàn)，在滿足靜態(tài)離析要求的前提下，還應(yīng)結(jié)合具體的施工方式(泵送、非泵送)進(jìn)行現(xiàn)場評價。

(1)

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

1.3 泌水率

ASTM C232—2014[7]或ASTM C 940—2010[8]均可評價CLSM泌水程度，均在規(guī)定時間收集量筒(內(nèi)徑：(255±5) mm，高度：(280±5) mm或1 000 mL量筒)中CLSM表面泌水量，直至表面無泌水。前者以質(zhì)量泌水率(見式(2))為評價指標(biāo)，后者則以體積泌水率(見式(3))為評價指標(biāo)，通常要求CLSM的質(zhì)量泌水率<2%，體積泌水率<5%[19-20]。收集表面泌水的過程中，需在盛放CLSM容器下方墊一定高度的墊塊，使容器傾斜，便于收集泌水，但標(biāo)準(zhǔn)未明確墊塊尺寸、放置位置等細(xì)節(jié)，導(dǎo)致結(jié)果差異較大，在今后標(biāo)準(zhǔn)制定時應(yīng)規(guī)定具體細(xì)節(jié)。

(2)

(3)

式中：Rm表示質(zhì)量泌水率，%；Rv表示體積泌水率，%；C表示待測CLSM質(zhì)量，kg；D表示表面泌水質(zhì)量，kg；Vs表示表面泌水體積，cm3；Vt表示CLSM初始體積，cm3。

1.4 填充性能

圖1 CLSM填充性能測試裝置[4]Fig.1 Setup for measuring the fillability of CLSM[4]

目前，國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)評價CLSM的填充能力(通過障礙物的能力)。Lachemi等[4]采用300 mm×500 mm×300 mm透明立方體(見圖1)，中間設(shè)計光滑、密閉隔板，隔板一側(cè)均勻設(shè)置35根(5行、每行7根)φ20 mm銅管作為障礙物，CLSM勻速倒入無障礙物側(cè)，填滿后打開隔板，在停止流動后以兩端高度比評價CLSM填充性能，認(rèn)為高度比在0.8～1.0時CLSM具有較好的填充性能。在利用此方法評價CLSM填充性能時，應(yīng)充分考慮銅管障礙布置(管徑、間距、數(shù)量及分布等)對測試結(jié)果的影響，并給出明確的布置參數(shù)，以保證實驗結(jié)果的可比性和可重復(fù)性。

1.5 凝結(jié)時間

ASTM D6024—2016[9]采用落球試驗測定CLSM凝結(jié)時間。特定規(guī)格落球從一定高度(108～114 mm)落下(見圖2)，測量在CLSM表面留下壓痕的直徑，以壓痕直徑76 mm對應(yīng)的時間定義為CLSM的落球凝結(jié)時間。落球法為確定76 mm壓痕對應(yīng)的時間需進(jìn)行大量重復(fù)實驗，且實驗次數(shù)受試樣尺寸限制，但落球法可同時反映CLSM的承載與抗沖擊能力。ASTM C403/C403M-16[10，21]采用貫入阻力法測定CLSM的凝結(jié)時間，以貫入阻力為3.5 MPa和27.6 MPa對應(yīng)的時間作為CLSM的初凝和終凝時間。當(dāng)CLSM中包含粗集料時，應(yīng)先篩除粒徑>4.75 mm的粗集料，貫入阻力法測試結(jié)果易受測試點(diǎn)位置干擾，測試點(diǎn)與容器邊壁之間的距離應(yīng)在25～50 mm。

圖2 CLSM凝結(jié)時間測定裝置(落球法)[9]Fig.2 Setup for measuring the setting time of CLSM (falling ball method)[9]

1.6 沉降量

通過測定沉降筒中CLSM高度隨時間的變化，以沉降停止時沉降高度與初始高度的比值來評價CLSM沉降量，通常要求CLSM沉降量小于2%[11]。該方法裝置簡單，應(yīng)用廣泛，但CLSM在實際應(yīng)用中與土壤、混凝土等不同性質(zhì)地面接觸，其吸水性不盡相同，導(dǎo)致沉降筒測量結(jié)果不能很好地代表實際工作環(huán)境CLSM的沉降量，此外沉降筒尺寸(高徑比等)未得到統(tǒng)一，也導(dǎo)致測試結(jié)果有所差異。

2 力學(xué)性能測試方法

CLSM雖是低強(qiáng)度填充材料，但要求早期強(qiáng)度發(fā)展快，后期強(qiáng)度不宜過高，路基、管溝回填工程還需考慮加州承載比、劈裂強(qiáng)度、彈性模量等性能，主要力學(xué)性能測試方法總結(jié)見表2。

表2 CLSM力學(xué)性能測試方法、具體參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Testing methods including specific parameters for the mechanical properties of CLSM and their advantages and disadvantages

續(xù)表

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

CLSM無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測定方法可參照ASTM D4832—2010[22]、JTG E51—2009[23]及DIN ISO/TS 17892-8—2005[24]。前兩個標(biāo)準(zhǔn)均采用圓柱體試件，在無側(cè)向壓力條件下軸向加壓，測得其抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度。ASTM D4832—2010[22]中建議使用φ150 mm×300 mm圓柱試體，也可以選擇徑高比為1 ∶2的其他尺寸試件，如φ55 mm×110 mm，φ50 mm×100 mm。JTG E51—2009[23]則使用徑高比為1 ∶1的圓柱體試件，測試時試件頂端易產(chǎn)生應(yīng)力紊亂，從而使實驗結(jié)果誤差增大。DIN ISO TS 17892-8—2005[24]規(guī)定在軸向加壓的同時施加側(cè)向壓力，側(cè)向壓力水平分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa，在每一側(cè)向壓力水平下測得試件的抗壓強(qiáng)度，繪制莫爾圓以及側(cè)向壓力-破壞強(qiáng)度曲線，選取曲線上側(cè)向壓力為0時對應(yīng)破壞強(qiáng)度即為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。該方法間接測定CLSM無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，可有效減小實驗誤差，但實驗工作量較大[30]。為方便CLSM無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)有研究進(jìn)行對比，通常按照ASTM D4832—2010[22]進(jìn)行測試[31-35]。

2.2 加州承載比(CBR)

BS 1377-4—1990[25]、JTG E40—2007[26]規(guī)定了加州承載比(CBR)測定方法，均測定貫入深度、貫入荷載荷或貫入阻力，繪制貫入深度-阻力曲線。讀取貫入深度2.5 mm、5.0 mm對應(yīng)的貫入荷載或阻力值，以其與標(biāo)準(zhǔn)荷載或標(biāo)準(zhǔn)阻力之比定義為CBR值[36-38]。CLSM與公路土加州承載比測試除成型制度有所區(qū)別以外(CLSM無需擊實成型)，其他步驟可按照BS 1377-4—1990[25]或JTG E40—2007[26]進(jìn)行。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

CLSM的劈裂抗拉強(qiáng)度測試可按照ASTM C496/C496M—17[27]或JTG E51—2009[23]進(jìn)行，采用壓條在試件豎向平面產(chǎn)生近似均布的拉應(yīng)力(見圖3)，根據(jù)彈性理論計算劈裂抗拉強(qiáng)度。但不同標(biāo)準(zhǔn)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗所用試件、壓條尺寸不同，測試結(jié)果也有所差異，壓條尺寸減小，測得試件劈裂抗拉強(qiáng)度有所降低，因此研究者應(yīng)在保證試件尺寸一致的前提下分析對比實驗結(jié)果。

圖3 CLSM劈裂強(qiáng)度測試裝置[33]Fig.3 Setup for measuring the splitting strength of CLSM[33]

2.4 彈性模量

通過測得CLSM應(yīng)力-應(yīng)變曲線，即可計算其割線彈性模量[28]。所選點(diǎn)可以選在彈性變形階段，也可以選在塑形變階段，因此割線彈性模量可以反映不同變形區(qū)域的CLSM性質(zhì)，但CLSM強(qiáng)度低，測試結(jié)果誤差較大。此外，可以采用共振技術(shù)測定試件的動態(tài)彈性模量，且對CLSM幾乎沒有損傷，可有效減小誤差，但CLSM含水率、聲波傳播方向等因素也會對測試結(jié)果產(chǎn)生干擾[29]。

3 耐久性測試方法

CLSM耐久性主要通過滲透性能、毛細(xì)吸水率、抗凍性能及干燥收縮表征，具體測試方法總結(jié)見表3。

表3 CLSM耐久性測試方法、具體參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)Table 3 Testing methods including specific parameters for the durability of CLSM and their advantages and disadvantages

3.1 滲透性能

CLSM滲透性能可參照ASTM D2434—1968(2006)[39]、JTG E40—2007[26]測定。其中，ASTM D2434—1968(2006)[39]采用常水頭法(見圖4(a))測定水位差、單位時間滲出水量與水溫，即可計算滲透系數(shù)。CLSM滲透系數(shù)低至1.0×10-7～2.4×10-5cm/s(傳統(tǒng)級配砂石、壓實土等回填材料滲透系數(shù)>1.0×10-4cm/s)，常水頭測試時間長,適用性較差，因此可按照J(rèn)TG E40—2007[26]采用變水頭法測試CLSM滲透性能(見圖4(b))，根據(jù)水頭下降速度與時間的關(guān)系計算滲透系數(shù)。

3.2 毛細(xì)吸水率

BS 1881-208—1996[40]采用圖5(a)中裝置固定試件，在儲水容器中加水，記錄上方毛細(xì)管中水的刻度變化，進(jìn)而表征毛細(xì)吸水率。賀智敏等[41]將試塊以一定高度浸入水中(見圖5(b))，定時測試件質(zhì)量，以質(zhì)量變化率表征毛細(xì)吸水率。可見前者測量的是水在自重和毛細(xì)吸水共同作用下的吸水率，導(dǎo)致測試結(jié)果偏大；而后者試樣吸水會導(dǎo)致水面高度下降，在保證水面面積遠(yuǎn)大于試件與水的接觸面積條件下，水面高度下降可忽略不計，且裝置簡單，可優(yōu)先考慮。

圖4 CLSM滲透系數(shù)測試裝置Fig.4 Setup for measuring the permeability coefficient of CLSM

圖5 CLSM毛細(xì)吸水率測試裝置Fig.5 Setup for measuring the capillary water absorption rate of CLSM

3.3 抗凍性能

JTG E51—2009[23]和ASTM D560—2003[42]均采用凍融循環(huán)后質(zhì)量損失或抗壓強(qiáng)度損失評價CLSM抗凍性能。JTG E51—2009[23]規(guī)定養(yǎng)護(hù)28 d試件凍融循環(huán)次數(shù)為5，養(yǎng)護(hù)180 d試件凍融循環(huán)次數(shù)為10，每一次凍融循環(huán)中都需將試件先置于低溫箱在-18 ℃條件下凍結(jié)16 h，然后在20 ℃水槽中融化8 h(24 h為一次循環(huán))，在達(dá)到凍融循環(huán)次數(shù)或者質(zhì)量損失達(dá)到5%時停止凍融試驗，以抗壓強(qiáng)度損失評價試件抗凍性能。ASTM D560—2003[42]規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)為12，每一次凍融循環(huán)中都需將試件先置于低溫箱在-23 ℃條件下凍結(jié)24 h，然后在21 ℃水槽中融化24 h(48 h為一次循環(huán))，以12次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失評價其抗凍性能。由于CLSM強(qiáng)度低，凍融循環(huán)后強(qiáng)度更低或完全沒有強(qiáng)度且質(zhì)量損失大，導(dǎo)致測試偏差大，按照J(rèn)TG E51—2009[23]進(jìn)行CLSM抗凍性能評價凍融循環(huán)次數(shù)少，凍融時間短，更適合CLSM抗凍性能評價。除此之外，可借鑒以動彈性模量損失評價混凝土抗凍性能的方法評價CLSM抗凍性能[43]，但測試裝置、過程復(fù)雜。

3.4 干燥收縮

CLSM干燥收縮可按參照ASTM C596—09(2007)[44]或JC/T 603—2004[45]測定，其原理均通過在試件端部預(yù)埋釘頭，采用比長儀測定試件長度變化表征干燥收縮率，二者的區(qū)別在于所用試件尺寸、與空氣接觸面積不同，導(dǎo)致得到的實驗結(jié)果不能直接比較。

4 環(huán)境影響評價方法

利用工業(yè)廢渣、建筑垃圾、工程渣土等制備的CLSM可能含有重金屬等有害物質(zhì)。為避免環(huán)境污染，需進(jìn)行有害離子浸出濃度測試。相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)有HJ/T 299—2007[46]、TCLP[47]、BS EN 12457-3—2002[48]等，具體測試細(xì)節(jié)總結(jié)見表4?；驹砭鶎⒃嚇悠扑?、篩分后，置于浸提劑中振蕩、過濾，測定浸提液中離子濃度。HJ/T 299—2007[46]中規(guī)定以硫酸、硝酸混合液作為浸提劑，通過提高酸性加速離子浸出速率。TCLP[47]是以醋酸、醋酸鈉作為浸提劑，既能提供酸性環(huán)境，還可緩沖浸提劑pH值變化，但醋酸根離子的絡(luò)合作用導(dǎo)致測試結(jié)果偏大。BS EN 12457-3—2002[48]以去離子水為浸提劑，通過調(diào)控水固比改變離子濃度梯度，可獲得不同離子濃度梯度條件下的離子浸出濃度，但去離子水(5.0

表4 離子浸出濃度測試標(biāo)準(zhǔn)、具體參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)Table 4 Testing methods including specific parameters for the ion leaching concentration and their advantages and disadvantages

5 結(jié)論與展望

通過綜述國內(nèi)外相關(guān)研究成果與標(biāo)準(zhǔn)，可得：CLSM流動性測試可根據(jù)骨料大小選擇開口筒法(骨料粒徑<4.75 mm)、J型環(huán)法、V型漏斗法(骨料粒徑<19 mm)，離析度、泌水率、填充性能、沉降量可參考砂漿、混凝土相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，凝結(jié)時間可選擇貫入阻力法或落球法。CLSM加州承載比、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量等測試尚未統(tǒng)一，不同測試方法得到的結(jié)果可比性、重復(fù)性差。CLSM耐久性測試主要借鑒砂漿、混凝土相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，CLSM滲透系數(shù)小，建議采用變水頭法進(jìn)行測試。CLSM離子浸出濃度測試需根據(jù)實際服役環(huán)境選擇pH值與之相近的浸提劑。

CLSM具有良好的工作性能、較高的早期強(qiáng)度，以及大規(guī)模消納廢棄物的能力，在管溝回填、道路與市政工程等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，但缺乏統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用規(guī)范，限制了CLSM在國內(nèi)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。本文的主要工作是根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究，在公路土、無機(jī)結(jié)合料、混凝土等相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)選了比較適合CLSM的測試標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合CLSM已有的性能測試標(biāo)準(zhǔn)，形成了較為完整的性能測試體系，但具體的測試細(xì)節(jié)仍然需要進(jìn)一步統(tǒng)一與改進(jìn)，如泌水率測試中墊塊尺寸，沉降量、填充性能測試中沉降筒、填充容器的大小，力學(xué)性能測試中加載制度等，本文指出了這些問題，并給出了解決的方向，可以為后續(xù)國內(nèi)CLSM標(biāo)準(zhǔn)中具體的細(xì)節(jié)規(guī)定、方法改進(jìn)與實驗注意事項提供參考。