粉煤灰对可控性低强度材料流动性的影响研究＊

万海飞，王 华，牛智勇

（宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000）

改革开放以来，中国的经济发展步入快车道，伴随着基础建设工程的迅猛发展，这些工程在施工过程中产生大量工程渣土[1-3]。现阶段工程渣土的处置方式多以填埋堆放为主，造成了日益严重的垃圾围村和围城现象，对环境带来恶劣影响。可控性低强度材料（Controlled Low Strength Materials，CLSM）是一种在自重作用下无需或少许振捣下，可自行填充，形成自密实结构的替代传统回填材料的水泥基低强度回填材料[4-5]。

可控性低强度材料是一种新型的回填材料，具有强度低、流动性好、自流平且能有效利用工程渣土、建筑垃圾和工业废弃物，原材料来源广、制备简单、易于浇筑、坚固耐用、可快速恢复交通、可全天候施工等优点[6-8]。可应用于管道工程、路基工程、涵洞及回填工程中，是一种通用的、应用广泛的结构性工程材料[9]。

基于宿州学院校外的学府大道正在施工，并产生大量工程渣土，研究出适合宿州学院学府大道施工工程的可控性低强度材料，有利于实现学府大道工程渣土的资源化利用，既能减少工程渣土外运和堆弃，又能有效节约用于管沟回填的天然骨料。

1 试验

1.1 原材料

水泥：水泥在混凝土中具有胶凝作用，水泥净浆的质量对混凝土的性能起决定性的作用，但由于集料占据混凝土中的大部分体积，集料的质量对水泥混凝土的性能也有很大影响。采用的P.O.42.5级普通硅酸盐水泥由宿州海螺水泥厂生产。

细骨料：骨料主要作用是组成骨架结构，使得制备的材料具有一定的强度。由于要制备低强材料，因此选用细骨料。采用宿州学院学府大道的建筑垃圾细料（d＜4.75 mm）。经过破碎烘干，过筛出小于4.75 mm的渣土用于制备。

水：水和胶凝材料成浆后，在水中硬化、保持和继续发展其强度的适应本次试验的胶凝材料。

粉煤灰：在混凝土中掺加粉煤灰可节约水泥和细骨料、减少用水量、改善流动材料拌和物的和易性。采用淘宝美仕博旗舰店所生产的325目F类I级粉煤灰、325目F类Ⅱ级粉煤灰、325目F类Ⅲ级粉煤灰、325目C类I级粉煤灰、325目C类Ⅱ级粉煤灰、325目C类Ⅲ级粉煤灰。

减水剂：采用淘宝万山集团生产的萘系减水剂。

1.2 试验方法

测试可控性低强度材料流动性的测定仪器是以ASTM规定的圆柱测试桶，本次试验使用高度为150 mm、内径为75 mm的测试桶，如图1所示。

图1 测试桶

首先制备可控低强材料。测量前，将称量完成的原材料根据配合比设计充分拌制均匀。将圆柱测试桶放在透明的亚克力板上，用铁锄把制备好的流动材料倒入圆柱测试桶中，该过程无需振捣压实。然后刮平圆柱测试桶上方和周围的残渣，以及清理移动过程中在亚克力板周围的流动性材料。将圆柱测试桶轻轻提起，待其稳定不变后，测量最大坍落扩展直径及与之垂直的直径，并记录结果。为减少偶然误差，每组试验需重复开展3次，试验后并计算3次平均值作为测试结果。

2 试验过程及结果

2.1 配合比

本研究使用不同种类及质量的粉煤灰来减少拌和物的成本用量并增加流动性，考虑到减水剂会对可控性低强度材料长时间的强度影响，固定减水剂用量为掺量水泥用量的1%。其中水固比为拌和水与固体拌和物的质量比为固定的0.30。水胶比是单位混凝土中水与胶凝材料的质量之比。本次试验采用的再生骨料占比为0.8，灰胶比是水泥与胶凝材料的比值，本次采用的灰胶比为0.4、0.5和0.6。

2.2 试验过程

为了更好地研究粉煤灰对可控低强材料流动性的影响，避免其他因素对试验结果产生影响。本次试验采用控制变量法，控制水固比为0.3，减水剂掺量占比为1%，再生骨料占比为0.8不变，只改变胶凝材料粉煤灰的级别和种类。共设计6组试验，组1采用F类I级粉煤灰，组2采用F类Ⅱ级粉煤灰，组3采用F类Ⅲ级粉煤灰，组4采用C类I级粉煤灰，组5采用C类Ⅱ级粉煤灰，组6采用C类Ⅲ级粉煤灰，每组试验均包含3种灰胶比。试验6种类型的粉煤灰在灰胶比分别为0.4、0.5、0.6时制备的可控性低强度材料流动性的强弱。试验结果均采用3次试验取平均值，减少试验的偶然误差。表1为粉煤灰不同种类和级别制备的可控性低强度材料流动性试验结果。

表1 试验设计及流动性测试结果表

2.3 试验结果分析

本试验研究粉煤灰的种类和类别对可控性低强度材料的影响，试验分析对照每一组试验时，控制水固比、减水剂掺量和粉煤灰的种类和级别，对比灰胶比在0.4、0.5、0.6时的流动性。

图2是6种粉煤灰作用下不同灰胶比的可控低强材料的流动性。

图2 6种粉煤灰作用下不同灰胶比的可控低强材料的流动性

由图可以明显看到，6种粉煤均表现出随着灰胶比增加而流动性减小的趋势，这说明无论采用哪种粉煤灰，灰胶比增加会导致材料流动性降低，且在3种灰胶比中，在0.4时均能取得最好的流动性。同时还可以发现，当灰胶比保持不变时，随着粉煤灰等级变化，材料的流动性减小的趋势。以灰胶比为0.4为例，在6种粉煤灰的作用下，混合材料的流动性分别为242 mm、238 mm、237 mm、212 mm、208 mm和204 mm。在F类I级粉煤灰的作用下，混合材料的流动性达到最大值。

由此可知粉煤灰的等级越高，混合材料越能取得较好的流动性。得出控制其他变量时，灰胶比在0.4时，制备出的可控性低强度材料的流动性强于灰胶比为0.5、0.6时的流动性材料。

同时，结合表1和图2数据，在F类I级粉煤灰作用下，灰胶比为0.4、0.5和0.6时，流动性分别为242 mm、214 mm和203 mm；F类I级粉煤灰在3种灰胶比下流动性差别为16.12%。在F类Ⅱ级粉煤灰作用下，灰胶比为0.4、0.5和0.6时，流动性分别为238 mm、208 mm和198 mm；F类Ⅱ级粉煤灰在3种灰胶比下流动性差别为16.8%。在F类Ⅲ级粉煤灰作用下，灰胶比为0.4、0.5和0.6时，流动性分别为237 mm、206 mm和194 mm；F类Ⅲ级粉煤灰在3种灰胶比下流动性差别为18.1%。在C类I级粉煤灰作用下，灰胶比为0.4、0.5和0.6时，流动性分别为212mm、187 mm和171mm；C类I级粉煤灰在3种灰胶比下流动性差别为19.34%。在C类Ⅱ级粉煤灰作用下，灰胶比为0.4、0.5和0.6时，流动性分别为208 mm、184 mm和168 mm；C类Ⅱ级级粉煤灰在3种灰胶比下流动性差别为19.23%。在C类Ⅲ级粉煤灰作用下，灰胶比为0.4、0.5和0.6时，流动性分别为204 mm、191 mm和169 mm；C类Ⅲ级级粉煤灰在3种灰胶比下流动性差别为17.16%。由结果可知，在F类I级粉煤灰作用下，水胶比的变化对混合材料流动性的影响不大。在其他粉煤灰的作用下，水胶比的变化对混合材料的影响较大。另由试验结果可知，当灰胶比、水固比、减水剂掺量和再生骨料占比相同时，粉煤灰级别对制备出的流动性材料影响很小，F类I级粉煤灰和F类Ⅲ级粉煤灰的流动性差别为2.1%，C类I级粉煤灰和C类Ⅲ级粉煤灰的流动性差别为3.9%。

3 结论

控制水固比、减水剂掺量和粉煤灰的种类和级别，对比灰胶比在0.4、0.5、0.6时的流动性，灰胶比为0.4制备出的F类I级粉煤灰可控性低强度材料流动性最好。

粉煤灰的等级越高，混合材料越能取得较好的流动性。控制水固比、减水剂的掺量、再生骨料占比以及灰胶比，变化粉煤灰的种类时发现：F类粉煤灰对比与C类粉煤灰制备出的可控性低强度材料的流动性更高，且流动性强度提升约为15.7%。

控制水固比、减水剂的掺量、再生骨料占比以及灰胶比，变量为粉煤灰的级别时，F类粉煤灰和C类粉煤灰的级别对制备出的可控性低强度材料的流动性影响很小，F类I级粉煤灰和F类Ⅲ级粉煤灰的流动性差别仅为2.1%，C类I级粉煤灰和C类Ⅲ级粉煤灰的流动性差别为3.9%。