开挖渣土联合工业固废制备可控性低强度材料(CLSM)的性能研究

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城市建设过程中会有大量的开挖回填工程,由于可供施工操作的空间狭小、回填与结构物界面存在死角等原因,传统回填材料的回填质量难以保证,会诱发工程病害。在弃渣过程和回填过程会造成资源的浪费以及生态环境的破坏,同时在城市基础设施更新过程中,一些路段需要对已有的交通线路进行重新开挖,若在起初建设中选用具备可重新挖掘性的回填材料便可降低后期的成本。可控性低强度材料(Controlled Low Strength Material,简称CLSM)具有易浇筑、自流平、自填充、自密实和硬化快的特点,特别适用于管线回填、结构填充、孔洞回填、管道垫层等工程和构造。CLSM对原材料要求较低,可以就地取材并充分利用工业固废和建设垃圾,用该材料替代传统级配砂石进行回填将有效解决由于压实困难所造成的工程病害。本文从工程需求和绿色发展的角度出发,利用开挖渣土和工业固废赤泥、粉煤灰制备一种用途广泛的可控性低强度材料。首先,通过室内试验来研究水固比、灰水比指标对CLSM的影响,并确定渣土CLSM的基础水固比和灰水比。其次,研究不同比例的固废加入对CLSM工作性能和力学性能的影响。再次,通过微观试验研究混合料硬化后的微观结构和矿物成分变化,明确CLSM强度形成机理和主要影响因素分析。最后,通过室内试验明确CLSM的稳定性。主要结论如下:(1)CLSM的流动度主要受水固比影响,水固比越大流动度越大,合理区间在0.4~0.5之间。CLSM的抗压强度主要受到灰水比的影响,灰水比越大强度越高,合理区间在0.3~0.6之间。CLSM强度随着龄期的增加而增加,水固比为0.45、灰水比为0.5时CLSM试件3d、7d、28d龄期强度分别为1.13MPa、1.78MPa、4.58MPa。对于不同的工程需求,CLSM可以通过调整水固比、灰水比来进行制备。(2)当采用固废替代部分水泥时,掺加赤泥会降低CLSM的流动度,而掺加粉煤灰会增大CLSM的流动度。赤泥替代水泥量为20%~30%时,CLSM强度有略微增长,粉煤灰的掺加会降低CLSM强度,但可以提高试件的强度增长率,粉煤灰的替代水泥量不宜超过20%。赤泥和粉煤灰混合替代水泥时可以产生激发作用,当赤泥替代量为30%、粉煤灰替代量为20%时,CLSM的强度损失较小,3d、7d、28d的龄期强度分别为1.08MPa、1.49 MPa、3.77MPa,能达到无固废添加组强度的95%、84%、82%。此配合比能降低50%的水泥用量,获取较大的经济效益,且满足CLSM的使用要求。(3)赤泥中存在大量的Si O2、Al2O3和Fe2O3,与Ca2+反应产生水化硅酸钙(C-S-H)、水化硅酸铝(C-A-H)以及水化硅酸铁凝胶(C-F-H),这些水化胶凝产物是CLSM具有一定强度的主要因素。粉煤灰中Si O2和Al2O3占到了总体含量的83%,故粉煤灰对强度的贡献更依赖于后期的火山灰反应。赤泥与粉煤灰综合作用使得CLSM内部结构变得更加均匀,赤泥因其强碱性,与粉煤灰中的物质会发生分解再聚合,生成新的凝胶,粉煤灰参与反应使凝胶间结合的更加紧密。(4)水稳定性方面,CLSM在浸水后强度呈现出先升高再降低的趋势,这是因为重复浸水的过程中水分进入了试件内部,使得未充分水化的胶凝材料进一步水化。随着浸水次数的增加,试件表面产生了破裂、裂痕、水道、剥落等破坏,从而导致强度降低。赤泥替代水泥量为20%~30时,第1次浸水会使试件强度提高,之后随着浸水次数增加,试件抗压强度降低。而采用粉煤灰替代水泥不利于试件的水稳定性,其替代量不宜超过20%。(5)CLSM试件的干缩量随龄期而增加,到第6天开始稳定不变。产生收缩的原因一是因为水分散失导致体积收缩,二是因为试件内部凝胶的生成后的包裹连接使得试件变得致密导致的收缩。赤泥和粉煤灰的加入均会使试件干缩量增大。将混掺中赤泥替代水泥量为30%、粉煤灰替代水泥量为20%的CLSM制件,养护90天后进行重金属浸出检测,重金属的检出限值符合要求。
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