摻建筑垃圾的可泵性回填土施工性能試驗研究

楊偉軍,閆宇潔,楊建宇

摻建筑垃圾的可泵性回填土施工性能試驗研究

楊偉軍,閆宇潔*,楊建宇

長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114

為提高建筑垃圾利用率和回填土質(zhì)量，通過將建筑垃圾再生細(xì)骨料和黏土質(zhì)砂混合后再摻入水泥，開發(fā)出一種摻建筑垃圾的可泵性回填土。通過改變建筑垃圾再生細(xì)骨料摻量、水固比、泡沫摻量、灰土比及外加劑摻量等參數(shù)，分別研究其對摻建筑垃圾的可泵性回填土施工性能的影響，探索出體積質(zhì)量對施工性能的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：原料土中再生細(xì)骨料摻量為50%時可泵性回填土強(qiáng)度與施工性能最好。當(dāng)水固比低于0.3時可泵性回填土流動性隨泡沫摻量的增加而先增后減，當(dāng)水固比高于0.3時其流動性隨泡沫摻量的增加而減小。泡沫摻量與泌水率呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)泡沫摻量超過原料土體積時，壓力泌水率隨水固比增加而減小?？杀眯曰靥钔恋捏w積質(zhì)量與流動性、泌水率和壓力泌水率之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。

可泵性回填土; 摻料; 施工性能

基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)階段產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，對于經(jīng)分揀、破碎和篩分得到的粒徑小于4.75 mm的再生細(xì)骨料，主要由混凝土碎塊、碎磚、砂漿顆粒以及粉末等組成，由于表面粗糙、孔隙率較大等問題使其在工程上難以應(yīng)用。同時，在土建工程中，常常遇到一些不便施工但又不得不填充的構(gòu)造物下部空洞，這些空洞長時間的存在會對建筑主體的質(zhì)量和使用壽命造成影響，但在回填施工中，存在著回填土運(yùn)輸困難、回填區(qū)域狹窄難以壓實(shí)以及壓實(shí)效果不好的問題。針對這兩方面的難題，不少學(xué)者已進(jìn)行了研究，邵鈺清等[1]在建筑垃圾再生細(xì)骨料中加入水泥、粉煤灰等制備成建筑垃圾低強(qiáng)度流動性回填材料，主要應(yīng)用于臺背、管線等的回填；范猛等[2]利用廢土為原材料制備非壓實(shí)回填土在橋臺背部回填；陳忠平等[3]在原料土中加入泡沫、水泥和水制得泡沫混合輕質(zhì)土廣泛用于公路路基、軟基換填中。由此可見，高流動性回填材料種類繁多，但多數(shù)研究針對回填材料的力學(xué)和耐久性能，對材料的施工性能研究較少。所謂施工性能，是指材料拌合物在施工時的性能，主要包括材料的流動性、穩(wěn)定性和可泵性[4]。

此外，為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)回填土的泵送施工，需要對回填土進(jìn)行改性，王磊磊等[5]利用泡沫改良盾構(gòu)砂質(zhì)土以增加流動性；湯怡新等[6]指出對于任何一種原料土存在一個最低的水泥用量，水泥土固化后具有較高的密實(shí)度和強(qiáng)度；魏建軍等[7]通過試驗表明建筑垃圾細(xì)料回填材料流動性與水固比接近線性關(guān)系，且受灰砂比影響較小?；诖?，本文通過試驗研究開發(fā)了一種摻建筑垃圾的可泵性回填土（以下簡稱可泵土），即將建筑垃圾再生細(xì)骨料和工地土混合制得原料土后加入固化劑、水和泡沫，可泵送施工和依靠自重達(dá)到澆筑填充的目的，通過改變不同材料組成參數(shù)，研究其對施工性能的影響，對摻建筑垃圾的可泵性回填材料推廣及工程應(yīng)用提供一定的試驗基礎(chǔ)和理論參考。

1 原材料和配比

1.1 原材料

固化劑采用P?O42.5級普通硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑采用LG-2258植物源復(fù)合發(fā)泡劑，土取自長沙市天心區(qū)工地，經(jīng)顆粒級配測定為黏土質(zhì)砂，再生細(xì)骨料取自長沙市建筑垃圾處理廠，經(jīng)顆粒級配測定為含細(xì)粒土砂，其細(xì)粒組的塑形指數(shù)為12.35，細(xì)度模數(shù)為2.92，具備流動化施工的條件[8]。原料土的顆粒級配見圖1，基本物理參數(shù)見表1～2。

表 1 黏土質(zhì)砂的基本物理性能參數(shù)

表 2 建筑垃圾再生細(xì)骨料基本物理參數(shù)

1.2 試驗方案

制備原料土，每組用量580 g，由再生細(xì)骨料和黏土質(zhì)砂組成。本試驗依次研究了再生細(xì)骨料摻量、水固比、泡沫摻量、灰土比及外加劑摻量對可泵土施工性能的影響。具體配比見表3。

2 制備流程及試驗方法

建筑垃圾再生細(xì)骨料和黏土質(zhì)砂過5 mm篩子并進(jìn)行烘干；按1:30稀釋好的發(fā)泡液通過發(fā)泡機(jī)進(jìn)行發(fā)泡，氣泡群密度為50 kg/m3，原材料詳見圖2。制備時先將建筑垃圾再生細(xì)骨料和黏土質(zhì)砂按摻量混合制得原料土，倒入攪拌機(jī)中與水泥混合均勻，加水?dāng)嚢钑r間不得低于2 min，再將氣泡群倒入攪拌機(jī)中繼續(xù)攪拌，直至攪拌均勻，即可進(jìn)行可泵土施工性能評價指標(biāo)的測定。

表 3 試驗原材料配比

注：再生細(xì)骨料摻量為再生細(xì)骨料占原料土質(zhì)量的百分比，灰土比為膠凝材料與原料土的質(zhì)量比，泡沫摻量為泡沫占原料土體積的百分比，粉煤灰取代率為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.

圖 2 原材料

流動性評定方法參考CJJ/T 177-2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑技術(shù)規(guī)范》中的流動性試驗。穩(wěn)定性反映材料的抗分層能力，采用泌水率測定法評定；可泵性是指拌合物在泵壓作用下通過輸送管道的能力，可參考GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》壓力泌水試驗法測定。試驗過程見圖3。

圖 3 試驗過程

3 結(jié)果分析

3.1 再生細(xì)骨料摻量對可泵土施工性能的影響

根據(jù)試驗結(jié)果，得到再生細(xì)骨料摻量與流動性的關(guān)系，如圖4所示，隨著再生細(xì)骨料摻量的增大，拌合物的流動性呈上升趨勢，再生細(xì)骨料摻量從0%增加到70%，流動性從160 mm增加到255 mm，增加了59.4%，這是因為土顆粒具有較高的粘聚力和吸附力，但建筑垃圾再生細(xì)骨料主要由混凝土碎塊、碎磚和碎砂漿等雜質(zhì)組成，無黏性易透水，且比表面積沒有土顆粒大。當(dāng)原料土中土顆粒含量減少時，自由水增多，造成土顆粒間間距增大，拌合物粘聚力下降[9]。并且再生細(xì)骨料中顆粒表面粗糙多菱角，在攪拌過程中與泡沫接觸時容易扎破氣泡[10]，泡沫泌水量增多，漿料的稠度降低，流動性增強(qiáng)。

不同再生細(xì)骨料摻量下可泵土的流動性均隨時間下降，如圖5所示。其原因除了水分的自然流失外，水泥水化反應(yīng)形成絮凝結(jié)構(gòu)也會造成流動性降低。其中流動性在前30 min內(nèi)下降平緩，是因為前期材料內(nèi)各組分還未發(fā)生作用，發(fā)泡劑中的羥基吸附在水泥粒子表面推遲了水泥的水化反應(yīng)。由此可得漿料在泵送管道中滯留時間不宜超過30 min。

圖 4 再生細(xì)骨料摻量對流動性的影響

圖 5 時間對流動性的影響

壓力泌水率S10是指拌合物在一定壓力作用下經(jīng)10 s和140 s泌水量之比，即V10/V140。比值過大說明可泵土的保水能力差，泌水速度快，不利于泵送[11]。從表4可得，再生細(xì)骨料摻量對壓力泌水率的影響較小，V140基本不變，S10穩(wěn)定在25%到34%之間，滿足泵送要求。相較對比組，再生細(xì)骨料的加入會減小可泵土的強(qiáng)度，這是因為粘土質(zhì)砂成分減少，水泥水化產(chǎn)物與土顆粒間的離子交換作用減少，膠結(jié)作用降低，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降。綜合施工和力學(xué)性能，再生細(xì)骨料摻量為30%時，流動性經(jīng)時損失最少且泌水速度較慢，施工性能最優(yōu)，但其強(qiáng)度為0.11 MPa，根據(jù)施工經(jīng)驗，強(qiáng)度為0.3 MPa以下的不宜采用[12]；再生細(xì)骨料摻量為50%下的可泵土強(qiáng)度相比于對比組僅降低了37.2%，且流動性和S10符合要求，因此原材料中建筑垃圾再生細(xì)骨料摻量為50%時施工性能和力學(xué)性能最好。

表 4 再生細(xì)骨料摻量對物理力學(xué)性能的影響

3.2 水固比及泡沫摻量對可泵土施工性能的影響

從圖6可以看出，流動性和泌水率均隨水固比增加而增加，是由于漿體中水固比增加，自由水含量變多導(dǎo)致的。從圖7曲線圖可得，在泡沫摻量增加的情況下，流動性的變化規(guī)律與水固比有關(guān)，當(dāng)水固比為0.3時，流動性隨泡沫摻量的增加先增大后減??；當(dāng)水固比大于0.3時，流動性隨泡沫摻量的增加而減少。這主要是因為在小水固比中，泡沫摻量低于原料土體積時，泡沫分散在漿體中減弱摩擦力，產(chǎn)生的是“滾珠”潤滑作用[13]，當(dāng)泡沫摻量大于原料土體積時，大量泡沫分散在漿體中，水泥漿覆蓋泡沫表面積增加，泡沫間漿體減少，漿體在自重作用下流動變得困難[14]；在大水固比中，泡沫在漿體中會增加粘滯性，降低流動性[15]。此外，由圖7柱狀圖可得，漿料中由于包裹氣泡的水分被固定在氣泡周圍，泌水率隨泡沫摻量增加而減少[16]，由此可得增大泡沫摻量可改善可泵土的泌水情況。

圖8、圖9分別表示了水固比和泡沫摻量對壓力泌水率的影響。從圖8可知，當(dāng)泡沫摻量小于原料土體積時，水固比的增加，導(dǎo)致拌合物的黏聚性和保水性變差，壓力作用下的泌水速度加快，壓力泌水率增大；當(dāng)泡沫摻量大于原料土體積時，壓力泌水率隨水固比增加而減少，這是因為大量泡沫分散在漿料中，水固比越大漿體對泡沫的擠壓力越小，泡沫消泡變少，漿料前期泌水減少。由圖9分析可知，少量的泡沫對壓力泌水率影響不大，但泡沫摻量超過原料土體積時，泡沫被擠壓，消泡嚴(yán)重，導(dǎo)致壓力作用下的泌水速度激增，壓力泌水率突然增大。

根據(jù)施工經(jīng)驗，為了保持可泵土良好的施工性能，流動性應(yīng)控制在160 mm以上，泌水率保持在8%以下，壓力泌水率為40%以下，故在選擇配比時水固比和泡沫摻量應(yīng)控制為：當(dāng)水固比為0.3時，泡沫摻量為原料土體積的81%～100%；當(dāng)水固比為0.35時，泡沫摻量不少于原料土體積的39%；當(dāng)水固比為0.4時，泡沫摻量不少于原料土體積的64%。

圖 6 水固比對流動性和泌水率的影響

圖 7 泡沫摻量對流動性和泌水率的影響

圖 8 水固比對壓力泌水率的影響圖

圖 9 泡沫摻量對壓力泌水率的影響

3.3 灰土比及外加劑摻量對可泵土施工性能的影響

水泥含量增加，水固比不變的情況下，漿體中水泥漿含量增加，對漿料的流動性和壓力泌水率影響不大，如表5所示，B1、B2、B3和灰土比為0.4的A2壓力泌水率和流動度在某一值上下浮動。C1、C2、C3與不摻外加劑的可泵土A1對比可得，壓力泌水率隨粉煤灰摻量的增加而減小，隨減水劑的加入而增大。其原因是粉煤灰的比重小，可均勻分布在漿料中，增大了拌合物密實(shí)度，進(jìn)而漿料泌水速度減慢，而減水劑分子會吸附在水泥顆粒表面，導(dǎo)致水泥顆粒分散，破壞絮凝結(jié)構(gòu)，釋放出部分水，改善流動性的同時增加了壓力泌水率。由試驗結(jié)果得流動性在粉煤灰摻量為20%時增加，在40%時下降，則粉煤灰的摻入量應(yīng)控制在20%左右，不應(yīng)超過40%。

表 5 不同配比的性能參數(shù)

3.4 體積質(zhì)量與可泵土施工性能之間的關(guān)系

材料的體積質(zhì)量受水固比、泡沫摻量和灰土比的綜合影響，可從數(shù)學(xué)的角度探索體積質(zhì)量與施工性能之間的規(guī)律。顧達(dá)歡等[15]提出氣泡混合漿液的流動指標(biāo)值與體積質(zhì)量存在一種線性關(guān)系。于是將可泵土施工性能的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，用origin軟件進(jìn)行擬合，如圖10所示，可以得到體積質(zhì)量與流動性、泌水率和壓力泌水率分別滿足不同的函數(shù)關(guān)系，其方程為：

=0.1196+59.96

=1.48046.456

相關(guān)系數(shù)2分別為0.88、0.89、0.81，擬合效果均良好，表明體積質(zhì)量與流動性大致呈正相關(guān)，與泌水率符合Allometricl方程，與壓力泌水率符合Logistic方程。

圖 10 體積質(zhì)量與可泵土施工性能的關(guān)系

4 結(jié)論

利用試驗手段對摻建筑垃圾可泵性回填土的施工性能（流動性、泌水率和壓力泌水率）進(jìn)行研究，具體結(jié)論如下：

（1）摻建筑垃圾的可泵性回填土流動性隨再生細(xì)骨料摻量增加而增加，且由經(jīng)時流動性試驗得，漿料在泵送管道中停留時間不得超過30 min。當(dāng)原料土中建筑垃圾再生細(xì)骨料摻量為50%時，可泵土的施工性能和力學(xué)性能最優(yōu)；

（2）水固比和泡沫摻量相互影響摻建筑垃圾可泵性回填土的施工性能。流動性和泌水率隨水固比增加而增加，泌水率隨泡沫摻量的增加而減少。摻建筑垃圾可泵性回填土在小水固比中，流動性隨泡沫摻量的增大先增后減；大水固比中，流動性隨泡沫摻量增加而減少。當(dāng)泡沫摻量大于原料土體積時，壓力泌水率隨泡沫摻量的增大而增大；

（3）摻外加劑時，粉煤灰取代率應(yīng)控制在20%左右，不宜超過40%；摻入適量減水劑可增加可泵土的流動性和壓力泌水率；

（4）可泵土的體積質(zhì)量與流動性、泌水率和壓力泌水率之間滿足不同的函數(shù)關(guān)系，探索出體積質(zhì)量與各施工性能的影響規(guī)律，可為根據(jù)施工性能選擇不同體積質(zhì)量可泵土的工程應(yīng)用提供參考，有利于摻建筑垃圾可泵性回填土的推廣。

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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

楊偉軍(1962-),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向包括土木工程新技術(shù)與新材料. E-mail:ywj202232@163.com

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