利用工业废弃物制备可控低强度材料CLSM.docx

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利用工业废弃物制备可控低强度材料CLSM

利用工业废弃物制备可控低强度材料（CLSM）

可控低强度材料（CLSM）的具有强度低、流动性好、有效利用废弃物的典型特点。

以粉煤灰、水泥窑灰、矿山酸性排渣等为例介绍了当前CLSM在大量利用工业废弃物研究的一些规律。

最后文中还讨论了CLSM的优点和在应用过程中应该注意的一些问题。

1CLSM的定义

针对目前工业废弃物的排放日益增加，不仅占用大量的土地资源，造成诸多的二次污染问题，同时与环境保护要求不断提高愈发不相协调。

有关工业废弃物的有效再利用日益成为各个高校和研究所的研究热点。

可控低强度材料就是其中之一，可控低强度材料（CLSM,controlledlowstrengthmaterial）由美国商品混凝土协会（ACI116R）定义为：

28天抗压强度不大于8.3MPa的材料。

CLSM的典型组成为水泥、粗细集料（比如砂或者某些工业固体废弃物）、水和以粉煤灰为代表的其它工业废弃物（包括具有火山灰活性和不具有火山灰活性）。

CLSM的其它名称有：

可控密实填充材料（CDF，controlleddensityfill）；流动砂浆（flowablemortar）;（flowablefill）：

流动填充材料（leanmixbackfill）：

贫水泥回填材料等等。

事实上，可控低强度材料是一系列具有不同用途的低强度材料的总称。

例如，强度较高的材料可用于建筑物下的建筑回填，而经掺入泡沫材料的低强度、低密度的可控低强度材料则可以用于隔热回填料。

所以对于具体的应用，应当从技术、经济的角度出发，选择CLSM的类型。

可控低强度材料不同于商品混凝土，也不同于水泥，这种材料不需要养护或者压实，其强度比商品混凝土低得多，但是可以与压实回填料相当。

可控低强度材料不要求有较好的抗冻融性、抗磨蚀、抗化学侵蚀能力。

这种材料比土质或者砂粒回填材料贵，但是这种材料比传统的回填材料有许多优越的性能。

2CLSM的显著特点

2.1低强度

大多数用于回填的CLSM抗压强度变化范围是0.35-2.00MPa，保证在以后能够进行二次回填，通过适当调整材料组分的含量可以获得更高的抗压强度。

CLSM的水泥含量一般为50-100Kg/m3，用以提供所需的强度。

与结构商品混凝土相比较低性能要求使得可以利用工业废弃物为原料生产CLSM。

S.T¨urkel[1]研究得出由含有低掺量火山灰水泥、高掺量的C级粉煤灰和压碎石灰石制备的CLSM在365天的抗压强度为1.16—2.80MPa范围内。

2.2高流动性

CLSM不是一种结构材料，因此不能认为是商品混凝土。

CLSM是一种能够代替密实土壤主要用作回填材料的流动性胶凝材料，这种流动性填充材料要求不经过捣筑和压实就能够获得要求的强度，所以可以设计为流态状，CLSM主要用于难以或者不可能应用可以填充材料的土木工程的回填中（ACI229,1999），因为在那些地方浇注和捣实是很困难的。

在致密或者密集的地方，回填材料的扩展和压实通常通过人工完成，耗费操作时间，提高操作成本。

通过加入大量水或者掺入引气剂、塑化剂等外加剂（有时基于成本的考虑不掺加外加剂）从而获得较好的工作性。

具有高度流动性的类似商品混凝土的材料一般粘结性较差，所以需要大量掺入细集料，否则有离析的危险。

因为CLSM的力学性能低于商品混凝土的力学性能，所以在生产CLSM时可以大量掺入细粒物料来改善材料的工作性能而不破坏其力学性能。

这也是大量工业废物得以有效利用的原因。

M.A.Gabr和JohnJ.Bowders[2]研究了以矿山酸性排渣（AMD）和粉煤灰制备的典型CLSM，其扩展度达到229mm，在许多试验中根据这个扩展度来确定需水量，而且当波特兰水泥的含量为2.5％，石灰的含量为2.5％时，CLSM能够获得229ｍｍ的合适扩展度，当波特兰水泥的含量大于2.5％，扩展度接近215ｍｍ，认为是合适工程应用的，而当石灰的含量大于2.5％时，扩展度为180ｍｍ，认为流动度太低，而不适合工程应用。

以粉煤灰为典型代表的工业废弃物，颗粒形状为球形，能够充分发挥其形态效应，提高了CLSM的流动性，以至于这种材料容易施工，需要一点或者不需要捣筑和压实。

2.3大量利用工业废弃物

在许多国家，如何处理由各行各业产生的工业废物材料是一个严重的问题。

工业化造成了工业废弃物和副产物的逐渐增加，为了适应迅速增长的世界人口，原材料和汽油的需求量也在逐渐增加。

这又明显以产生废弃物的形式带来许多的环境问题，同时提高了水体资源、大气资源和土壤资源污染的可能性。

废物的安全处理成本高，而且缺少合理设计的处理场地，在处理这样的废弃物的同时能够不对环境造成不利影响。

因此，近年来已有研究关于研发利用废弃物材料和工业副产物的有效方法，使其有害影响达到最小甚至消除。

建筑工业是安全利用废弃物的拥有美好前景的领域。

众所周知，在30多年前，诸如利用粉煤灰、硅灰、煤粉燃灰、粒状高炉矿渣等工业副产物部分代替水泥提高商品混凝土结构的耐久性，增强新拌商品混凝土（例如工作性、泌水率）和硬化商品混凝土（例如强度）性能。

另一个应用就是将这种材料作为可控低强度材料加以有效再利用。

CLSM是一种由水泥、砂、水和粉煤灰为典型组分组成的料浆。

砂和水泥是CLSM的主要组分；用废弃物材料代替水泥或者天然砂是有吸引力、有受益的再利用选择。

CLSM能够利用的工业废弃物主要包括：

粉煤灰、水泥窑灰、沥青商品混凝土尾砂、燃煤底灰以及采石场尾砂、水泥旁道灰、焚化炉灰、铜矿渣、矿山酸性排渣、改性的水库污泥、废旧铸造模砂、以及循环利用的玻璃等等。

一般来说，由于这些工业废弃物含有大量的极细颗粒或者强度较低的性能特点，是不适合用于工业建设中。

大多数国际标准在商品混凝土应用中限制细颗粒（颗粒能够通过200号筛0.075mm）在碎砂的16%（前欧洲12620：

2000）或7%（ASTMC33）。

CLSM也称为流动填充材料，可以作为一种较好的方法大掺量利用细颗粒材料，同时又不会削弱CLSM的性能。

Butalia[3]等研究发现再利用烟气脱硫（FGD，fuelgasdesulfurization）石膏作为一种流动回填材料在可灌筑性、抗压强度和可回填性方面与普通的流动回填材料具有可比性,还提出掺有掺合料和外加剂比传统的快凝流动填充材料具有优良的性能。

Pierce和Blackwell以及Siddique和Naik[6，7]提出将橡胶边角料作为轻集料应用于流动回填材料中，能够大量用于诸如桥基回填、沟壕回填等工程以及地基和支撑回填。

Katz和Kovler[8]研究了工业副产物在生产CLSM中的应用。

五种不同的工业副产物分别是：

水泥窑灰、沥青商品混凝土尾砂、粉煤灰、炉底灰和采石场尾砂。

结果表明CLSM当含有大量灰（质量的25-50%）在大多数情况下可以获得优良的性能，特别是加入的废弃物具有诸如粉煤灰和水泥窑灰的某些水泥或火山灰潜在活性。

近来，Al-Harthy[9]等提出流动填充材料的水量对强度的影响。

研究中所用的水来自Oman的四大主要产油田。

结果表明：

与使用饮用水相比，使用非饮用水获得的强度较低。

然而，所有类型的水仍然能够获得对于流动填充材料可以接受的0.35-3.5MPa的28天抗压强度。

3主要利用的工业废弃物

3.1粉煤灰（FA，Flyash）

粉煤灰是目前利用效率最高的工业废弃物。

在发达国家和国内诸如北京、上海等城市粉煤灰被广泛应用于水泥厂、商品商品混凝土商砼站等等，在某些电厂相对不是很集中的地方甚至出现供不应求的状况。

粉煤灰是在电厂燃煤过程中产生的副产物。

世界范围内燃煤电厂每年以废弃物形式产生数百万吨粉煤灰。

土耳其西部的Soma热电厂每年产生粉煤灰4，000，000吨，但只有0.49%被利用，剩余部分以废渣填埋形式废弃了[1]。

同时粉煤灰也是最主要和常见的CLSM原料，在利用其它工业废弃物时总会引入粉煤灰组分。

ACI委员会报告已经作出规定：

粉煤灰（C级和F级）可以用相对低掺量的水泥来激发它的火山灰活性用来生产CLSM填充材料。

S.T¨urkel[1]研究了以低掺量的火山灰水泥和高掺量的C级粉煤灰和石灰石集料制备的CLSM具有良好的流动性，所有CLSM的火山灰水泥的质量保持恒定为粉煤灰质量的5%，28天抗压强度在0.85-1.15MPa范围内，能够作为一种低强度材料。

实验还发现CLSM与密实土壤相比有着更高的抗折性能。

CLSM的7天龄期的抗折强度、抗滑应力等性能都超过了传统回填材料的相应性能，所以CLSM适合用于回填。

S.T¨urkel还研究了[10]CLSM的长期技术性能和物理性能，诸如毛细吸水量和EP毒性。

CLSM的28天毛细吸水量数值在1.43×10−3--2.08×10−3cm2/s。

同时发现增加细集料含量，水/（火山灰水泥+粉煤灰）比也增加，毛细吸水系数也增加。

AmnonKatz和KonstantinKovler[8]研究发现含有粉煤灰的CLSM试样后期强度高，一定程度上高于考虑到试样中水泥潜在活性的预期强度值。

从理论上讲，水泥水化过程中产生的Ca（OH）2只能够一部分和粉煤灰反应，有限的增加强度。

水泥含量为50kg的粉煤灰试样后期强度高于水泥含量为100kg的试样的28天强度，需要对这一现象的机理做更深入的研究。

3.2水泥窑灰（CKD，cementkilndust）

水泥窑灰（CKD），也称为旁道灰，是水泥生产的副产物。

CKD是细粒颗粒材料，主要由取自生产熟料的高温过程中的静电收尘器的氧化的、无水的、微小颗粒组成。

CKD的化学组成取决于生产熟料用的原材料以及在回转窑中用来加热材料的碳基燃料的类型和来源。

国外对于CKD的有效利用主要有高速公路、土壤固化、水泥砂浆和商品混凝土应用、CLSM原料等等。

在美国每年产生将近15，000，000吨CKD（美国环境保护署，1993年）。

水泥窑灰具有在许多方面的再利用潜力，但是再利用这种副产物材料的最好途径是在水泥生产过程中的再利用。

这在某些水泥窑设备中经常是不可行的。

在美国产生的CKD总量的60-70%（8-8.4，000，000吨）以这种方式再利用（美国环境保护署，1993年）。

CKD的最普遍的有效利用有土壤固化、废弃物处理、代替水泥、沥青路面和其它应用。

Al-Jabri和Pierce[4，5]等研究了水泥窑灰或者水泥旁道灰（CBPD）在CLSM中的应用。

两者的研究结果表明加入水泥窑灰能够生产强度很低的材料，能够提供与应用在传统回填或者其它低强度应用中的土壤相当的强度。

AmnonKatz和KonstantinKovler[8]研究了使用五种工业副产物制备可控低强度材料（CLSM）。

他们使用了水泥窑灰（CKD）、沥青商品混凝土的尾砂（AD）、粉煤灰（FA）、炉底灰（BA）和采石场尾砂（QW）。

在所有的试样中都使用了普通波特兰水泥（OPC）（粉煤灰的10%）。

为了达到恒定的流动度200mm调整加入的水量。

得出的结论主要有：

（1）粉煤灰、沥青商品混凝土尾砂和水泥窑灰的颗粒尺寸极细，而炉底灰和采石场尾砂较粗。

颗粒的形状影响需水量，为了得到恒定的流动度，通过增加细废料的含量显著增加了需水量，因为圆形颗粒的需水量较小。

水泥量的增加伴随着碎砂含量的相应减少。

由于炉底灰的多孔特性和粗糙表面，需要增加水量。

采石场尾砂中大量的细颗粒是导致水量增加的直接原因。

由于粉煤灰的球形形状以及缓凝现象，含有粉煤灰的试样泌水率值高（比沥青商品混凝土尾砂试样大两倍，比水泥窑灰试样大三倍）；

（2）水泥窑灰的胶结能力在早期增大了拌合物的稠度，有利于减少这些拌合物的泌水；（3）增大细废料的含量略微增加了FA和CKD拌合物的凝结时间，但是显著增加了沥青商品混凝土拌合物的凝结时间，因为沥青商