陳晶

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024）

城市道路不僅承擔(dān)著交通運(yùn)輸?shù)墓δ?，同時(shí)也是各種管線的重要承載體。隨著城市經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展，每年在城市道路上進(jìn)行著大量的管道工程，管道工程的回填速度和密實(shí)度直接影響城市道路路面的平整性、行車(chē)的順暢性以及城市道路的面貌和道路使用壽命。以往這類(lèi)管道工程的溝槽是用回填土或其它松散材料夯實(shí)成型的，但此種工序施工周期長(zhǎng)，不易保證質(zhì)量。為此，研究者們將目光聚焦于一種新型的回填材料——可控性低強(qiáng)度材料上。

1 可控性低強(qiáng)度材料（CLSM）簡(jiǎn)介

可控性低強(qiáng)度材料（controlled low strength material，簡(jiǎn)稱(chēng) CLSM）又稱(chēng)為流動(dòng)性填料、無(wú)收縮性填料、流動(dòng)性砂漿和可控密度填料[1,2]。根據(jù)美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）229 委員會(huì)的定義[3]，CLSM 是一種具有自我充填性質(zhì)，主要用于管溝回填，其 28d 無(wú)圍抗壓強(qiáng)度≤1200 PSI（約8.4MPa）的低強(qiáng)度（與普通混凝土相比）水泥質(zhì)材料。CLSM 既不是混凝土，也不是水泥砂漿，但是卻具有類(lèi)似兩者的性質(zhì)。它是由普通水泥、水、細(xì)集料、粉煤灰，有時(shí)也有添加劑組成的流動(dòng)性拌合物。其粘滯性如同泥漿或灌漿，灌注后數(shù)小時(shí)便足以承受交通荷載而不致沉陷。

CLSM 作為一種新型的回填材料，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可流動(dòng)。CLSM 作為能夠代替密實(shí)土壤用于回填的流動(dòng)性膠凝材料，具有高流動(dòng)性的優(yōu)點(diǎn)。用于管道工程時(shí)，不需要夯實(shí)就能夠填充管溝空間，減少了以往施工中夯實(shí)和壓密度檢查等工序，降低了施工工作量和施工噪音。所以此種材料可應(yīng)用于那些難以澆注和搗實(shí)的回填工程中。

（2）易挖掘。與普通混凝土相比，CLSM 的強(qiáng)度不高，大多數(shù)用于回填的 CLSM 抗壓強(qiáng)度變化范圍是 0.35～2.00MPa。低強(qiáng)度的特點(diǎn)方便于日后挖掘維修，保證以后能夠進(jìn)行二次回填。CLSM 的水泥含量一般為 50～100kg/m3，根據(jù)不同工程的性能要求，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整材料組分的含量可以獲得更高的抗壓強(qiáng)度。

（3）不沉陷。CLSM 在拌和過(guò)程中，由于水泥固化和水分蒸發(fā)而硬化成型，得到的成型體密實(shí)并且均勻。沒(méi)有粉狀顆?；靥畈牧铣Ｓ械拿軐?shí)度與平整度的矛盾，能夠降低施工的難度。且不需振動(dòng)或碾壓密實(shí)，降低了施工工作量。

（4）可快速硬化。通常 CLSM 在 3～5 小時(shí)硬化。通過(guò)摻入早強(qiáng)劑就可以調(diào)節(jié)材料的凝結(jié)時(shí)間，使材料在數(shù)小時(shí)內(nèi)具有強(qiáng)度并可開(kāi)放交通[4]，由于施工方便，工期較短，CLSM特別適用于市區(qū)管道工程中。

（5）低滲透。通常 CLSM 的滲透速率與土壤相似，為10-4～10-5cm/sec，在工程的要求下，可以提高抗?jié)B性，滲透速率降低至10-7cm/sec。

（6）抗凍融。CLSM如同普通混凝土，通過(guò)加入引氣劑來(lái)抵抗凍融的破壞。所以道路不會(huì)出現(xiàn)因凍融而造成的翻漿現(xiàn)象。

（7）密度可變。通過(guò)加入不同密度的原材料和引氣劑，普通 CLSM 密度可達(dá)到1600kg/m3，泡沫 CLSM 的密度可達(dá)到320kg/m3。

（8）CLSM 可利用各種工業(yè)固體廢棄物作為原料，綠色環(huán)保，避免環(huán)境污染。利用場(chǎng)地開(kāi)挖土石方作為骨料，可減少天然砂石材料的耗用，有利于資源節(jié)約。

總之，與傳統(tǒng)的管道回填材料（回填砂、粘土等）相比，這種可控性低強(qiáng)度材料具有性能優(yōu)異、施工方便、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 CLSM 組成

常規(guī) CLSM 材料組成與普通混凝土類(lèi)似，主要由膠凝材料、集料、水以及各種添加劑組成。膠凝材料主要為水泥、粉煤灰；集料為細(xì)骨料或粗骨料或者兩者皆有；添加劑有引氣劑、早強(qiáng)劑等，用來(lái)調(diào)整 CLSM 的工作性能，以滿(mǎn)足不同施工或力學(xué)上的要求。

雖然與普通混凝土的組成材料相類(lèi)似，但 CLSM 在對(duì)原材料的技術(shù)要求方面，沒(méi)有混凝土的要求嚴(yán)格。目前，由于CLSM 是一種相對(duì)比較新型的材料，興起于 20 世紀(jì) 70 年代，行業(yè)內(nèi)對(duì) CLSM 還缺乏系統(tǒng)的、充分的認(rèn)識(shí)和深入的理解。并且由于 CLSM 可回收利用工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物或建筑垃圾[5,6]，這些廢棄物對(duì) CLSM 的性能影響規(guī)律還缺乏系統(tǒng)的研究。所以國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì) CLSM 材料技術(shù)要求的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

3 CLSM 主要利用的工業(yè)廢棄物

3.1 電廠燃煤副產(chǎn)物

粉煤灰是我國(guó)當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來(lái)的細(xì)灰，它是燃煤電廠排出的主要固體廢物。我國(guó)火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。CLSM 組成中，粉煤灰是最常見(jiàn)的原料。ACI 委員會(huì)報(bào)告已經(jīng)作出規(guī)定：可以用相對(duì)低摻量的水泥來(lái)激發(fā)粉煤灰（C 級(jí)和 F 級(jí)）的火山灰活性，用來(lái)生產(chǎn) CLSM 填充材料[5]。

薛永杰[7]利用電廠燃煤副產(chǎn)物——脫硫石膏和脫硫渣制備 CLSM 的工序如下：首先，利用脫硫副產(chǎn)物制備膠凝材料以替代水泥在 CLSM 中的應(yīng)用；其次以脫硫副產(chǎn)物、粉煤灰、破碎鋼渣和廢舊混凝土作為集料添加一定量的水和外加劑制備 CLSM 混合料。

3.2 水泥窯灰

水泥窯灰是水泥生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品。水泥窯灰為細(xì)顆粒狀，主要由水泥熟料高溫生產(chǎn)過(guò)程中的靜電收塵器中氧化的、無(wú)水的、微小顆粒組成。生產(chǎn)熟料用的原材料以及在回轉(zhuǎn)窯中用來(lái)加熱材料的碳基燃料的類(lèi)型和來(lái)源決定了水泥窯灰的化學(xué)組成。大多數(shù)的水泥窯灰中鉀、鋁的含量較高。

Amnon Katz 和 Konstantin Kovler[8]研究了水泥窯灰、瀝青混凝土的尾砂、粉煤灰、爐底灰和采石場(chǎng)尾砂這五種工業(yè)副產(chǎn)物對(duì)可控低強(qiáng)度材料（CLSM）性能的影響。其中發(fā)現(xiàn)水泥窯灰具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力，可以在早期增大拌合物的稠度，有利于降低拌合物的泌水性。

3.3 礦山酸性排渣礦泥

M.A.Gabr 和 John J.Bowders[9]采用礦山酸性排渣礦泥和粉煤灰制備 CLSM。礦山酸性排渣礦泥取自沉降池，是地下礦井水通過(guò)沉降池用消石灰 Ca(OH)2處理后得到的。這種石灰基工業(yè)廢棄物，與粉煤灰混合后，表現(xiàn)出與水泥相似的自硬化特性。

3.4 水庫(kù)污泥

水庫(kù)污泥的主要組成成分是蒙脫石粘土，當(dāng)與水混合時(shí)會(huì)引起一定程度的有害膨脹。Wen-Yih Kuou[10]等對(duì)水庫(kù)污泥進(jìn)行了有機(jī)改性，用改性后的水庫(kù)污泥代替可控低強(qiáng)度材料中的細(xì)集料。

3.5 尾砂

尾砂是選礦廠在特定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，將礦石磨細(xì)，選取有用成分后排放的廢棄物。成岳[11]利用銅礦尾砂、粉煤灰、水泥以及加氣劑等，混合攪拌成泥漿體，振動(dòng)成型，制備出低強(qiáng)度可控性填料（CLSM），28d 抗壓強(qiáng)度 0.5 MPa，具有低強(qiáng)度、高流動(dòng)性的特點(diǎn)。Amnon Katz 和 Konstantin Kovler[8]在制備 CLSM 時(shí)使用的采石場(chǎng)尾砂。

4 CLSM 的應(yīng)用

CLSM 在國(guó)外使用已有多年歷史。從 1970 年開(kāi)始，美國(guó)許多城市的公共工程部門(mén)、工程公司、州運(yùn)輸部門(mén)的回填工程中都采用 CLSM。七十年代，美國(guó)密執(zhí)安州的第二核電站，使用高摻量粉煤灰的 CLSM 來(lái)回填土槽；1991 年，美國(guó)科羅拉多交通部使用 CLSM 改造水渠，費(fèi)用由 40 萬(wàn)美元降至 17 萬(wàn)美元；1993 年美國(guó)科羅拉多交通部使用 CLSM 改造舊橋，花費(fèi) 93000 美元，節(jié)省資金超過(guò)一半；1992 年起，波士頓港口隧道十年改造工程中使用 CLSM 2.3×106 m3；1995～1996 年，俄克拉何馬州交通部在 Tulsa 的街道開(kāi)挖和修補(bǔ)工程中，使用快凝型 CLSM，節(jié)省 1/3 資金。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一些工程在應(yīng)用可控性低強(qiáng)度材料，但還未見(jiàn)大量有關(guān) CLSM 的報(bào)道。由于許多不同性質(zhì)的材料可作為 CLSM 的原材料，使得 CLSM 的性能靈活可調(diào)，所以CLSM 在許多工程上具有廣泛應(yīng)用范圍。

回填工程：CLSM 可用于各種溝槽管洞、廢棄的隧道、水渠、地下室和其它地下結(jié)構(gòu)的回填工程。CLSM 由罐車(chē)澆筑或泵送后硬化成型，無(wú)需振動(dòng)、碾壓、擊實(shí)等工序，在相同質(zhì)量要求的條件下，可大大提高施工進(jìn)度。并且還能減少相關(guān)的機(jī)械和人工的使用，降低成本。

路基工程：CLSM 作為路基材料，可以解決粉狀材料平整度與密實(shí)度的矛盾和土壤凍融翻漿的現(xiàn)象。CLSM 用于立交橋橋涵臺(tái)背回填，可減少回填材料的沉降，降低擋墻荷載。

管道埋設(shè)工程：CLSM 能夠很好地滿(mǎn)足電力電訊管道、熱力管道等對(duì)底部填充的要求，做到流動(dòng)的均勻支撐。不同的管路，可在 CLSM 中摻加不同的色料，以便區(qū)分。

管道隔熱或散熱工程：摻入隔熱材料或?qū)岵牧显贑LSM 中可以滿(mǎn)足管道或建筑物的溫度要求。

管路防腐工程：對(duì)于一些有防腐要求的結(jié)構(gòu)和管路，可通過(guò)提高 CLSM 密實(shí)度，對(duì)管道形成保護(hù)層，達(dá)到防腐要求。由于 CLSM 的 pH 值為 8～12，可以為鑄鐵管提供強(qiáng)堿環(huán)境，減少鐵銹腐蝕。但不能用在有大量鋁銅等金屬的工程中。

5 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)回填材料相比， CLSM 由于增加了水泥等成分而使得材料成本有所上升，但良好的流動(dòng)性和自密性使其不會(huì)產(chǎn)生承載力不足的問(wèn)題，故施工時(shí)可節(jié)省夯實(shí)和密實(shí)度試驗(yàn)的費(fèi)用，降低施工成本，縮短工期，提高施工質(zhì)量。并且由于 CLSM 流動(dòng)性好，具有類(lèi)似于自流平的特性，尤其適用于要求密實(shí)度較高的回填工程中，對(duì)于狹窄、難以接觸到的地方也能夠施工。考慮施工質(zhì)量、機(jī)械和人工費(fèi)用、施工速度、開(kāi)挖方量、工程特殊結(jié)構(gòu)、重復(fù)開(kāi)挖、特種工程需要，CLSM 代替?zhèn)鹘y(tǒng)填充材料將成為發(fā)展趨勢(shì)。

[1] Bernard, R.D., and R.S.Tansle.Laboratory Testing Program for Development of a Lean Mix Backfill Specification[R].Department of Housing and Urban Development, Washington，DC, 1981: 30-32.

[2] Brewer, W.E. Controlled Low Strength Material-Controlled Density Fill(CLSM-CDF)Research-Corrosion Testing[R].The Cincinnati Gas＆Electric Company，Cincinnati，OH.1991.

[3] American Concrete Institute.Controlled Low-Strength Materials(CLSM)[R].ACI 229，1999.

[4] 潘昌林，鄭瑞濱.控制性低強(qiáng)度材料 CLSM 之工程運(yùn)用[C].臺(tái)灣第四屆鋪面材料再生學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[A].臺(tái)北：臺(tái)灣營(yíng)建研究院， 2000.

[5] 王棟民，羅小紅.利用工業(yè)廢棄物制備可控低強(qiáng)度材料（CLSM）概述[C].第二屆全國(guó)化學(xué)激發(fā)膠凝材料研討會(huì)論文集[A].西安: 西安建筑科技大學(xué)，2007: 204-210.

[6] M.C.Nagaraija, Y.Nalanda. Performance of industrial by products in controlled low－strength materials(CLSM)[J].Waster Management，2008，28:1168-1181.

[7] 薛永杰，李雄浩，侯浩波.脫硫灰渣制備新型控制性低強(qiáng)度材料的研究[J].粉煤灰，2009, 2: 20-22.

[8] Amnon Katz, Konstantin Kovler. 2004. Utilization of industrial by-products for the production of controlled low strength materials(CLSM). Waste Management, 24: 501-512.

[9] M.A.Gabr, J.J.Bowders. Controlled low-strength material using f ly ash and AMD sludge. J.Hazard Mater. 2000.76: 251-263.

[10] Wen-Yih Kuo, Jong-Shin Huang, Tsze-Eng Tan, Organomodified reservoir sludge as fine aggregates in cement mortars Construction and Building Materials, 2007.21: 609-615.

[11] 成岳，李燕孫，李蔣超. 利用銅礦尾砂研制低強(qiáng)度可控性填料[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011,34(9): 170-173.