材料配比与施工环境对可控低强度材料的影响_崔旻昊.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 2 1收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 0第一作者:崔旻昊(1 9 9 6-),男,硕士。材料配比与施工环境对可控低强度材料的影响崔旻昊(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 2 0 1 8 0 4)摘 要 可控低强度材料(C L S M)是一种自流平、自密实的新型填充材料,适用于各种异形断面回填工程。文中以室内配合比设计与现场施工的方式,对C L S M不同配比下的表现及施工环境对其实际性能的影响进行研究。结果表明,颗粒圆润、表面光滑的河砂相较于棱角尖锐、针片状含量较高的机制砂更能提高C L S M的流动性;在极端气候如冰雪低温天气下施工会降低C L S M的抗压强度并加剧裂缝的产生。关键词 可控低强度材料 配合比设计 施工环境 台背回填中图分类号 U 4 1 4 随着我国道路网的完善,城市道路中的管沟开挖回填工程、公路工程中的三背回填工程连年增加。受施工条件限制,台背处填料的压实质量难以保证,为避免产生不均匀沉降,回填材料应易于密实并具有一定的稳定性。传统施工多采用宕渣、级配沙砾回填的方式,在沟槽工作面足够压实的情况下,该方案尚能保证回填压实度达到要求,而在压实不足的情况下,由此导致的工后沉降将严重影响路面后期的平整状态,甚至产生大规模的沉降开裂。采用可控低强度材料(c o n t r o l l e dl o w-s t r e n g t hm a t e r i a l s,C L S M),即通过掺配土、砂、粉煤灰、水泥,以及水形成的流动自密实回填材料,可有效解决上述问题,保障回填结构的密实和稳定。原则上讲,只要配制得到的C L S M性能满足工程的要求和目的,各种再生骨料、工业附产品,以及废弃资源均可用来制备C L S M,如污泥焚烧灰和碎石粉、工业垃圾焚烧底灰和采石场粉尘,脱水污泥(D S)和 生 活 垃 圾 焚 烧(M SW I)底 灰 等等1。卢明阳等2以钢渣、粉煤灰,以及煤矸石为原料,通过N a OH、N a2S O4的化学激发作用制备了具有优良耐久性的C L S M。刘浩等3以建筑废土替代砂石骨料制备了C L S M,发现废土的添加可降低材料的泌水率。朱浩泽等4以钛石膏为原料制备C L S M,发现可通过钛石膏的掺量控制C L S M的收缩率。张雪松等5则以粉煤灰为主并掺入少量水泥,加入减水剂、增稠剂等外加剂,制备了可用于输油管道填充的C L S M。尽管目前国内对以不同种类废弃材料制备C L S M的研究层出不穷,且大多取得了理想的试验结果,但缺少C L S M实验室与现场性能的对比,以及施工环境对其实际性能的影响研究。本文以3 5 1国道浙江常山段K 7 1+5 2 0桥涵台背为依托工程,结合室内配合比设计与现场桥涵台背回填,对C L S M的上述问题进行探索。1 室内配合比设计1.1 原材料土是C L S M中的主体材料,直接影响其工程性能,本文所用原料土为3 5 1国道衢州段施工现场路基填土,其颗粒级配见图1;砂按产源分为天然砂和机制砂,在C L S M中掺入一定比例的砂可显著提高其流动性,本文分别选用机制砂、天然河沙进 行 室 内 试 验,其 颗 粒 级 配 见 图2;水 泥 是C L S M的胶结料,对材料的结构强度起着至关重要的作用;粉煤灰在C L S M中的作用主要是提高流动性并防止骨料离析。各原材料参数见表1。图1 土颗粒级配曲线图2 砂颗粒级配曲线表1 原材料参数材料参数取值土 液限/%4 1.9塑限/%2 7.4塑性指数1 4.5分类低液限粉土机制砂细度模数3.6 5分类粗砂河沙 细度模数2.6 7分类中砂水泥 标号PO4 2.5粉煤灰分级二级1.2 试验方案表征C L S M材料性能的指标众多,其中流动性与2 8d无侧限抗压强度是C L S M最为重要的性能指标,且二者间无显著相关性,因此将流动性和2 8d无侧限抗压强度选为本研究室内试验指标。本文采用基于坍落扩展度的材料流动性评价方法进行流动性试验,试验流程见图3。该方法使用高度2 0 0mm、内径1 0 0mm的金属坍落度圆筒进行试验,以坍落扩展度达2 02 5c m作为试验指标。图3 坍落扩展度测量示意图用于工程回填的C L S M,其硬化强度除了满足承载能力的要求外,还需考虑将来维修或埋设器件的需要,即可开挖性。本文采用直径高度为1 0 0mm2 0 0mm的试件进行无侧限抗压强度的试验,以C L S M的2 8d无侧限抗压强度达到0.3 52.1MP a作为试验指标。1.3 结果分析进行室内试验试样制备时,各固体材料配合比以土砂总质量为基础表征。即土、砂的含量以土、砂占土砂总质量的比例(总和为1 0 0%)表征;水泥、粉煤灰的含量以其质量与土砂总质量的比例表征;水的含量以水占固体材料总质量的比例(水固比)表征。室内环境温度为2 0。1.3.1 流动性不同配合比下C L S M的流动性试验数据见表2。表2 C L S M流动性测试方案土/%机质砂/%河沙/%水泥/%粉煤灰/%水固比/%坍落扩展直径/mm配合比17 03 081 04 4.12 1.0配合比27 03 01 01 04 7.12 1.5配合比37 03 01 01 04 1.02 4.5配合比41 0 01 01 05 4.51 7.5 由表2可见,相同配合比下,掺加天然河沙的试样以较低的水固比可达到更大的坍落扩展直径,说明天然河沙对C L S M流动性的提升远大于机制砂。由前述砂颗粒级配分析,机制砂的细度模数较大,而已有研究表明6-7,无论掺加机制砂还是河沙,其浆体的流动性均随细集料细度模数的增大而增大。本研究认为,造成此反差的原因在于砂集料的颗粒形状,天然河沙颗粒圆润、表面光滑,尽管细度模数较小,但同等质量下比表面积仍小于棱角尖锐、针片状含量较高的机制砂,使得浆体中自由水的比例较大,粒径间摩擦力、咬合力较小,水与粉煤灰对砂粒的润滑作用更显著,更能够提高C L S M的流动性。同样,不掺加砂的试样即使将水固比提高到5 4.5%,其流动性也难以满足设计要求。因此,尽管机制砂对C L S M流动性的提升要逊于天然河沙,但依然作出了巨大的贡献。C L S M中若不掺加细集料,一味地提高水固比,对其流动性的帮助十分有限。依据室内试验结果,天然河沙对C L S M流动性的提升优于机制砂,更适合作为C L S M的原材料。但由于现场工程中河沙来源紧缺且以机制砂制备C L S M,通过提高一定的水固比其流动性亦可满足要求,综合考虑以机制砂作为后续项目原材料。1.3.2 无侧限抗压强度水泥是影响C L S M强度性能的关键因素,通过8%,1 0%,1 2%不同水泥掺量的C L S M无侧限抗压强度试验进行强度性能探究,龄期对C L S M强度的影响试验结果见图4,水泥掺量对C L S M992 0 2 3年第1期崔旻昊:材料配比与施工环境对可控低强度材料的影响强度的影响结果见图5。图4 龄期对C L S M强度的影响图5 水泥掺量对C L S M强度的影响分析可知,水泥对C L S M的强度性能提升显著,其中水泥掺量由8%增加到1 0%,强度提升幅度较大,而由1 0%增加到1 2%时,其强度提升不明显,因此本研究中将水泥掺量增加到1 0%以上已无必 要。观 察 不 同 龄 期 的 试 件 强 度 发 现,C L S M在2 8d内的强度增长速率均匀,预计2 8d后强度亦会有持续增长,3种不同水泥掺量试件的2 8d强度均处于0.3 5 2.1M P a,满足设计要求。依据室内试验数据,8%水泥掺量试件的2 8d强度已满足设计要求,结合流动性试验结果,确定后续项目材料配合比如下:土机制砂水泥粉煤灰水为7 0%3 0%8%1 0%4 6%。2 工程现场台背回填项目段位于3 5 1国道常山段K 7 1+5 2 0明涵台背两侧,涵洞全长2 3.5m,为明涵盖板涵结构。2.1 施工与检测施工前测定路基土、机制砂的现场含水率分别为2 5%,1%;水泥为江西产PO4 2.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰为山东产二级粉煤灰。按前节室内配合比设计所得材料配比,考虑土与砂的现场含水率,并转化为各材料占比总和为1 0 0%进行表征,现场施工配合比(质量比)为:土机制砂水泥粉煤灰水为5 3%1 8.4%5.3%6.1%1 7.2%。施工环境温度为-5,填筑时水预 先按1 5%的施工配合比掺入,并在搅拌均匀后现场进行流动性试验,根据试验结果决定后续的加水量,以确保流动性满足要求。回填完成后的第7,1 4,2 8d采用钻芯取样的方式,钻取5 0c m深度的C L S M芯样,进行无侧限抗压强度试验。同时人工观测填筑后干缩开裂情况,检验施工效果。2.2 现场检测结果分析2.2.1 无侧限抗压强度不同龄期下的现场无侧限抗压强度试验结果见图6。图6 不同龄期下的现场无侧限抗压强度对比2组数据可以发现,同龄期下的现场试件强度只有室内的8 0%左右。分析其原因,室内试验与现场施工时环境温度差距较大,施工期间曾遭遇极端冰雪天气,导致施工主体在填筑后不久逐渐冻结。冰雪天气下温湿度较低,降低了水泥水化反应的速率,且施工主体中的水分在填筑后逐渐结冰,使得自由水含量降低,也影响了水泥的水化进程。同时,根据膨胀压理论,负温下自由水会形成无定形态的冰,结冰后导致主体体积膨胀,使其内部结构受到损伤,进一步降低了C L S M的现场强度。因此,在进行C L S M施工的时候,应尽可能规避0以下的极寒气候,如不可避免,则应按室内配合比实验情况增加水泥配比或采用其他可提高C L S M强度的现场措施。2.2.2 裂缝检测由于C L S M中掺入了水泥,易产生干缩裂缝,因此在回填完成后的第7d对其表面进行裂缝观测。观测结果显示,回填7d后C L S M表面分布有多条细小裂缝,裂缝长度为4 06 0c m,宽度为34mm,对此进行原因分析。材料配比方面,选用机制砂作为细集料虽可通过增加一定量的水固比,使流动性满足要求,但过高的水固比会导致C L S M强度下降,匀质性及保水性变差,在凝固过程中收缩率变大,由此产生较大的拉应力,进而产生干缩裂缝。施工环境方面,极端低温天气使得C L S M的早期强度增长十分缓慢,难以抵抗因昼夜温差、热胀冷缩带来的拉应力,产生裂缝;负温环境下空气干燥,施工主体水分散失加001崔旻昊:材料配比与施工环境对可控低强度材料的影响2 0 2 3年第1期快,昼夜反复的冻融也是裂缝产生的原因之一。对此,在设计材料配比时,应充分考虑水固比对干缩的影响,在尽可能低的水固比下满足流动性要求,必要时可进行干缩试验。现场施工时,尽管C L S M具有自流平的特性,仍应进行振捣,提高C L S M的匀质性,填筑完成后注意抹面与养生。3 结论1)除粒径大小外,细集料的颗粒形状也是影响C L S M流动性的重要因素。颗粒圆润、表面光滑的河砂相较于棱角尖锐、针片状含量较高的机制砂比表面积更小,更能够提高C L S M的流动性。C L S M中若不掺加细集料,一味地提高水固比,对其流动性的帮助十分有限。2)水泥掺量对C L S M强度的提升存在一个临界值,超过此临界掺量水泥的强度提升效果会大大降低。本研究中其临界掺量约为1 0%。3)在极端低温天气下施工会使得C L S M的现场使用性能降低,其强度会折损2 0%左右,且易产生干缩裂缝,后续可设计不同环境温度下的C L S M性能试验,建立其温度-强度关系曲线。施工时应尽可能避免此类施工环境,或在室内配合比设计时充分考虑低温环境带来的性能劣化。4)本研究工程案例为最大3m填高的明涵盖板涵结构,对C L S M