建筑垃圾渣土制备流态固化土及其性能研究_朱龙飞.pdf

流态固化土是一种新型建筑材料，其使用肥槽或基坑开挖后的废弃地基土作为主要原料，添加一定比例的掺和料和固化剂，加水搅拌后形成具有流动性、硬化后具有一定强度的工程材料，适用于各收稿日期：2023-03-07作者简介：朱龙飞，男，助理工程师，主要从事无机非金属材料的研究工作。通讯作者：李世元，男，工程师，硕士，主要从事高性能砂浆和路面材料的研究工作。引文格式：朱龙飞，徐云飞，王国宇，等.建筑垃圾渣土制备流态固化土及其性能研究 J.市政技术，2023，41（5）：246-250，255.（ZHU L F，XUY F，WANG G Y，et al.Study on preparation of fluidized solidified soil by construction waste residue and its properties J.Journal ofmunicipal technology，2023，41（5）：246-250，255.）文章编号：1009-7767（2023）05-0246-06第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.246Journal of Municipal Technology建筑垃圾渣土制备流态固化土及其性能研究朱龙飞1，徐云飞2，王国宇3，姚保华3，李世元4*，刘振刚5，李印光6（1.北京昌开建设工程管理有限责任公司，北京 100000；2.北京市昌平房地产开发有限责任公司，北京 102200；3.北京路鹏达建设发展有限责任公司，北京 102200；4.北京市市政工程研究院，北京 100037；5.北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司，北京 100037；6.中铁四局集团 第三建设有限公司，天津 300300）摘要：采用建筑垃圾渣土作为制备流态固化土的主要原料，在消纳建筑垃圾渣土的同时制备了在工程上有重要用途的新型建筑材料流态固化土。首先通过分析水固比、灰土比、粉煤灰掺量、固化剂掺量对流态固化土性能的影响，确定其基本配比，而后又着重研究了灰土比对流态固化土力学性能的影响。试验结果表明：灰土比与流态固化土的无侧限抗压强度、劈裂强度、回弹模量、抗冻胀能力成正相关关系，提高灰土比是改善流态固化土力学性能的有效手段。关键词：建筑垃圾渣土；流态固化土；流动性；力学性能中图分类号：TU 44文献标志码：AStudy on Preparation of Fluidized Solidified Soil byConstruction Waste Residue and Its PropertiesZhu Longfei1，Xu Yunfei2，Wang Guoyu3，Yao Baohua3，Li Shiyuan4*，Liu Zhengang5，Li Yinguang6（1.Beijing Changkai Construction Engineering Management Co.，Ltd.，Beijing 100000，China；2.Beijing Changping Real EstateDevelopment Co.，Ltd.，Beijing 102200，China；3.Beijing Lupengda Construction Development Co.，Ltd.，Beijing 102200，China；4.Beijing Municipal Engineering Research Institute，Beijing 100037，China；5.Beijing Construction Engineering Quality Third Inspection Co.，Ltd.，Beijing 100037，China；6.The Third Construction Co.，Ltd.，China Railway Fourth Engineering Group，Tianjin 300300，China）Abstract：Construction waste residue is the main raw material for preparation of fluidized solidified soil so that theconstruction waste residue can be absorbed and a new fluidized solidified soil of construction material which hasisimportant applied in engineering can be prepared.Firstly，the effect of the water-solid ratio，cement-soil ratio，flyash content and curing agent content on fluidized solidified soil were analyzed to determine the basic ratio.The in鄄fluence of the cement-soil ratio on the mechanical properties of was emphatically studied.The results show that thecement-soil ratio is positively correlated with the unconfined compressive strength，splitting strength，resiliencemodulus and frost heave resistance of fluidized solidified soil.That increasing cement-soil ratio is an effective meansto improve mechanical properties of fluidized solidified soil.Keywords：construction waste residue；fluidized solidified soil；fluidity；mechanical property第5期液限/%塑限/%最优含水量/%最大干密度/（g/cm3）29.2016.8018.891.76表1建筑垃圾渣土主要物理性能Tab.1 Main physical performance of construction wasteresidue化学成分SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgOSO3烧失量含量59.121.2025.446.920.880.246.2表2建筑垃圾渣土主要化学成分Tab.2 Main chemical components of construction wasteresidue%比表面积/（m2/kg）安定性3581925.731.252.5合格凝结时间/min初凝抗折强度/MPa3 d抗压强度/MPa3 d28 d2499.3终凝28 d表3水泥主要性能指标Tab.3 The main performance indices of cement化学成分SiO2CaOAl2O3Fe2O3MgOSO3烧失量含量47.162.9032.897.210.950.675.9表4粉煤灰主要化学成分Tab.4 The main chemical composition of fly ash%类肥槽、基坑、管沟、管廊和矿洞的回填浇筑。国外流态固化土技术在工程中应用的较为广泛。日本于1998年首次将流态固化土技术应用于港湾工程，至今已完成近50项港湾工程的施工，流态固化土总填筑量达到1 000万m3；2009年，东京国际机场跑道扩建工程采用流态固化土技术，流态固化土使用量49 250 m3，输送距离达1 040 m。近年来，我国对于流态固化土的研究和工程应用也逐步增多。刘成龙1在太原市姚村综合管廊工程中成功应用流态固化土快速、密实地回填了已装配管节背后肥槽，为城市地下综合管廊的快速回填提供了借鉴经验；冯忠民2以大连湾海底疏浚淤泥工程为研究对象，分析了水泥-水泥浆比和粉煤灰-水泥比对固化土流动性和无侧限抗压强度的影响，以及几种常见环境因素对固化土耐久性的影响；陈容华等3研究了不同水泥和粉煤灰掺量对基于粉质黏土的预拌流态固化土性能的影响，试验结果为不同施工条件下预拌流态固化土的配合比预测提供了依据；朱彦鹏等4通过正交试验，研究了不同配比的强风化岩流态固化土压缩特性，得到了各因素的最优配比；杜衍庆等5为提升泥态固化土回填工程的施工质量和耐久性，对流态固化土的材料组成进行了研究，确定了不同材料组成下泥态固化土强度形成机理。虽然国内外对流态固化土的性能和工程应用开展了广泛研究，但对于采用建筑垃圾渣土制备流态固化土的研究尚鲜有报道。我国建筑垃圾渣土产量巨大。采用建筑垃圾渣土制备流态固化土，不仅可以消纳建筑垃圾，而且可以降低施工成本，节约渣土资源。笔者以建筑垃圾渣土为原材料制备流态固化土，研究了水固比、灰土比、粉煤灰掺量和固化剂掺量对流态固化土性能的影响，以期探索一条建筑垃圾渣土再生利用的可行路径。1原材料性能笔者以建筑垃圾渣土作为主要原料，以水泥和粉煤灰作为掺合料，加入固化剂搅拌后制成具有流动性的流态固化土，以取代回填土用于基坑支撑结构、市政传输管道沟槽的回填以及结构垫层的施工等。1.1建筑垃圾渣土建筑垃圾主要由骨料和渣土构成。建筑垃圾渣土主要来源于城中村改造、市政建设和房地产开发等工程，有效组分为多级配建筑废弃物骨料。笔者以北京市昌平区建筑垃圾场内经粉碎处理后的建筑垃圾渣土为研究对象，该渣土具有颗粒细小、有效比表面积大等特点。建筑垃圾渣土的主要物理性能见表1，主要化学成分见表2。1.2其他原材料笔者研究所采用的水泥为某公司生产的PO42.5水泥，其主要性能指标见表3；粉煤灰采用某公司生产的二级粉煤灰，其主要化学成分见表4；固化剂采用北京某公司的产品；试验用水采用自来水。2配合比影响因素影响流态固化土性能的因素包括水固比、灰土比、粉煤灰掺量和固化剂掺量等。其中，水固比是水与所有固体材料的质量比；灰土比是水泥、粉煤灰的质量总和与建筑垃圾渣土的质量比；粉煤灰掺量为粉煤灰替代水泥的量；固化剂掺量为固化剂占建筑垃圾渣土质量的百分比。该研究中流动度测定方法参照T/BGEA 0012019预拌流态固化土填筑工程技术标准，无侧限抗压强度测定方法参照JGJ/T 233朱龙飞等：建筑垃圾渣土制备流态固化土及其性能研究247Journal of Municipal Technology第41卷2011水泥土配合比设计规程。2.1水固比和灰土比笔者在参考文献67的基础上，分别选用灰土比0.08、0.10、0.12、0.14进行水固比对流态固化土流动性的影响研究。流动性是指流态固化土在本身重力的作用下，充分填充沟槽的性能。其中，水膜有效地发挥了润滑作用。水膜的厚度越厚，越有助于流动度的提升8。水固比和灰土比对流态固化土流动性的影响见图1。由图1可知，水固比对流态固化土的流动性影响较大，流态固化土的流动度随着水固比的增大而增大；而灰土比对流态固化土流动性影响较小，可以忽略不计。2.2粉煤灰掺量选择水固比0.32进行粉煤灰掺量对流态固化土性能的影响研究。刘霖等9通过试验研究了粉煤灰替代水泥对流态固化土强度的影响，结果表明：粉煤灰与水泥质量比为28，即粉煤灰替代水泥量为20%时，流态固化土强度最高；粉煤灰替代水泥量低于20%时，流态固化土强度会随着粉煤灰替代水泥量的增加而升高；粉煤灰替代水泥量超过20%时，流态固化土强度会随着粉煤灰替代水泥量的增加而降低，具体占比需要根据土、掺合料、固化剂的成分通过试验确定。笔者在综合考虑粉煤灰掺量对流态固化土流动性和强度影响的基础之上，在粉煤灰掺量为20%附近分别选择了12%、15%、18%、20%、22%、25%、28%，并依次测量流态固化土的流动度和7 d无侧限抗压强度。试验结果见图2、3。由图2可知，当粉煤灰掺量由12%增加到28%时，流态固化土的流动度从192 mm提高到了232 mm，说明粉煤灰掺量与流态固化土的流动性成正相关关系。由图3可知，随着粉煤灰掺量的增加，流态固化土7 d无侧限抗压强度呈现先增大后减小的趋势；当粉煤灰掺量为20%时，流态固化土的强度最高。2.3固化剂掺量选择水固比0.32、粉煤灰掺量20%进行固化剂掺量对流态固化土性能的影响研究。该研究采用的固化剂掺量分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，依次测量流态固化土的流动度和7 d无侧限抗压强度。试验结果见图4、5。由图4可知，随着固化剂掺量由1.0增大至4.0，流态固化土的流动度在201220 mm之间上下波动，说明固化剂掺量对流态固化土的流动性影响并不明显。由图5可知，当固化剂掺量由1.0增大至4.0时，流态固化土的7 d无侧限抗压强度由460 kPa增长至544 kPa，说明固化剂掺量与流态固图1水固比和灰土比对流态固化土流动性的影响Fig.1 Effect of water-solid ratio and cement-soil ratio on fluidityof fluidized solidified soil图2粉煤灰掺量对流态固化土流动性的影响Fig.2 Effect of fly ash content on fluidity of fluidizedsolidified soil图3粉煤灰掺量对流态固化土强度的影响Fig.3 Effect of fly ash content on strength of fluidizedsolidified soil248第5期编号灰土比水固比水泥掺量/%粉煤灰掺量/%固化剂掺量/A1A2A3A40.080.100.120.140.320.320.320.326.48.09.611.21.62.02.42.84.04.04.04.02152684465233565488621 025无侧限抗压强度/kPa7 d28 d表5无侧限抗压强度试验结果Tab.5 Results of unconfined compressive strength test编号灰土比水固比水泥掺量/%粉煤灰掺量/%固化剂掺量/B1B2B3B40.080.100.120.140.320.320.320.326.48.09.611.21.62.02.42.84.04.04.04.04589102174165300510685劈裂强度/kPa7 d28 d表6间接抗拉强度试验结果Tab.6 Results of indirect tensile strength test化土的强度成正相关关系。综上所述，水固比、粉煤灰掺量与流态固化土的流动性成正相关关系，固化剂掺量对流态固化土的流动性影响较小，可以忽略；固化剂掺量与流态固化土的7 d无侧限抗压强度成正相关关系；流态固化土的7 d无侧限抗压强度随着粉煤灰掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，在该试验条件下，当粉煤灰掺量为20%时，流态固化土的强度最高。3力学性能研究流态固化土组成材料中最大的成本是水泥和粉煤灰。笔者为研究灰土比对流态固化土力学性能的影响，分别选取灰土比0.08、0.10、0.12、0.14，水固比0.32，粉煤灰掺量20%，固化剂掺量4.0 配制流态固化土并制作试块，在标准养护条件下养护7、28 d，分别测量各项指标数据。3.1单因素变量无侧限抗压强度试验参照JTG E512009公路工程无机结合料稳定材料试验规程中的T 08051994无机结合料稳定材料无侧限抗压强度试验方法进行试验，试验结果见表5。由表5可知，随着灰土比的增加，流态固化土的7、28 d无侧限抗压强度均逐渐增大，说明胶凝材料的占比对流态固化土的强度有很大影响，流态固化土的强度和胶凝材料的掺量成正相关关系。当灰土比为0.12时，流态固化土的7 d无侧限抗压强度满足T/BGEA 0012019预拌流态固化土填筑工程技术标准中大于0.4 MPa的质量要求。该条件下的流态固化土质价比最高。3.2单因素变量间接抗拉强度试验参照JTG E512009公路工程无机结合料稳定材料试验规程中的T 08061994无机结合料稳定材料间接抗拉强度试验方法进行试验，试验结果见表6。由表6可知，水固比0.32、固化剂掺量4.0条件下，灰土比0.10、0.12、0.14组流态固化土的7 d劈裂强度分别是灰土比0.08组的2.0、2.3、3.9倍，28 d劈裂强度分别是灰土比0.08组的1.8、3.1、4.2倍。试验证明，流态固化土的劈裂强度与灰土比成正相关关系，且灰土比越高，流态固化土的劈裂强度越大。3.3单因素变量回弹模量试验参照JTG E512009公路工程无机结合料稳定材料试验规程中的T 08081994无机结合料稳定材料室内抗压回弹模量试验方法进行试验，试验结果见表7。由表7可知，灰土比0.10、0.12、0.14组的7 d回弹模量分别是灰土比0.08组的1.4、2.9、3.1倍，28 d图4固化剂掺量对流态固化土流动性的影响Fig.4 Effect of curing agent content on fluidity of fluidizedsolidified soil图5固化剂掺量对流态固化土强度的影响Fig.5 Effect of curing agent content on strength of fluidizedsolidified soil朱龙飞等：建筑垃圾渣土制备流态固化土及其性能研究249Journal of Municipal Technology第41卷编号灰土比水固比水泥掺量/%粉煤灰掺量/%固化剂掺量/C1C2C3C40.080.100.120.140.320.320.320.326.48.09.611.21.62.02.42.84.04.04.04.0233267713867101149回弹模量/MPa7 d28 d表7室内抗压回弹模量试验结果Tab.7 Experimental results of compressive resiliencemodulus in laboratory编号水固比灰土比D1D2D3D40.320.320.320.320.080.100.120.14-12-8-121-21-23-18-10-38-35-26-19-46-38-31-21冻融循环强度变化率/%3次6次9次12次表8冻融试验结果Tab.8 Results of freeze-thaw test回弹模量分别是灰土比0.08组的1.8、2.7、3.9倍。试验证明，随着灰土比的增加，流态固化土的7、28 d回弹模量均逐渐增大，流态固化土的回弹模量与灰土比成正相关关系。3.4单因素变量冻融试验参照JTG E512009公路工程无机结合料稳定材料试验规程中的T 08582009无机结合料稳定材料冻融试验方法进行试验，试验结果见表8。由表8可知，流态固化土的强度随着冻融循环次数的增加而降低，灰土比增加有助于提升流态固化土抗冻胀的能力，但是除D4组3次冻融循环的强度变化率为正值外，其余试验组的强度变化率均为负值。流态固化土强度随着冻融循环次数的增加而降低，是因为冻融循环改变了流态固化土的内部结构，冻融作用增大了土中平均孔隙直径，降低了微孔隙含量，导致土样产生裂隙，土的黏聚力和内摩擦角均变小，以致强度降低。冻融循环初期强度下降最大，随着冻融循环次数的增加，流态固化土的强度下降程度逐渐减小。4结论通过试验，笔者研究了水固比、灰土比、粉煤灰掺量、固化剂掺量对建筑垃圾渣土制备的流态固化土性能的影响，得到以下结论：1）流态固化土的流动性受到水量影响。水固比增加，流态固化土的流动度也随之增大。水固比可以较好地控制流态固化土的流动性能。2）当水固比一定时，流态固化土的流动度随着粉煤灰掺量的增加而增大，但无侧限抗压强度随着粉煤灰掺量的增加呈现先增大后减小的趋势。3）当水固比和粉煤灰掺量一定时，固化剂掺量对流态固化土的流动性无明显影响，与流态固化土的强度成正相关关系。4）胶凝材料的占比对流态固化土的强度有很大影响，灰土比与流态固化土的无侧限抗压强度、劈裂强度、回弹模量、抗冻胀能力成正相关关系。当灰土比为0.12时，流态固化土的质价比最高。参考文献1刘成龙.新型预拌流态固化土性能及回填施工工艺J.山东交通学院学报，2021，29（4）：91-98.（LIU C L.Properties andbackfill construction technology of new ready-mixed fluidizedsolidified soilJ.Journal of Shandong Jiaotong University，2021，29（4）：91-98.）2冯忠民.大连湾海底淤泥流动固化土室内试验研究D.保定：河北大学，2020.（FENG Z M.Laboratory test study on flow so-lidified soil of seabed silt in Dalian BayD.Baoding：HebeiUniversity，2020.）3陈容华，甄朋民.基于粉质黏土的预拌流态固化土的影响因素分析J.重庆建筑，2020，19（9）：32-36.（CHEN R H，ZHEN PM.Analysis on influencing factors of ready-mixed fluidized so-lidified soil based on silty clayJ.Chongqing architecture，2020，19（9）：32-36.）4朱彦鹏，王浩，房光文，等.强风化岩流态固化土压缩特性正交试验研究J/OL.2022-12-14（2023-02-25）.https：/ Y P，WANG H，FANG G W，et al.Orthogonal experimental study oncompression characteristics of fluid-solidified soil of stronglyweathered rockJ/OL.2022-12-14（2023-02-25）.https：/ Y Q，WANGX Q，ZENG W，et al.Basic properties and engineering practiceoffluidsolidifiedsoilforroaduseJ.Tianjinconstructionscienceand technology，2021，31（3）：12-15.）6艾志伟，罗嗣海，曾勇，等.水泥土强度室内外试验对比研究J.江西理工大学学报，2013（3）：47-53.（AI Z W，LUO S H，ZENG Y，et al.Comparative study of soil-cement strength in in-doorandoutdoortestsJ.JournalofJiangxiUniversityofScienceand Technology，2013（3）：47-53.）（下转第 255 页）250第5期（上接第 250 页）7陈烨，简文彬，林生凉，等.水泥土的超声波特性研究J.福州大 学学报（自然科学版），2006，34（1）：124-127.（CHEN Y，JIAN W B，LIN S L，et al.Ultrasonic characteristics of soil-cementJ.Journal of Fuzhou University（natural science edition），2006，34（1）：124-127.）8周永祥，王继忠.预拌固化土的原理及工程应用前景J.新型建筑材料，2019，46（10）：117-120.（ZHOU Y X，WANG J Z.Principle and application prospect of ready-mixed solidified soilJ.New building materials，2019，46（10）：117-120.）9刘霖，郝伟，傲海霞，等.影响水泥土强度的固化剂配比试验J.低温建筑技术，2015，37（1）：138-140.（LIU L，HAO W，AO HX，et al.Experiment of curing agent ratio affecting strength ofsoil-cementJ.Low temperature architecture technology，2015，37（1）：138-140.）其他作者：徐云飞，男，助理工程师，主要从事现场施工技术管理工作。王国宇，男，助理工程师，主要从事路面材料的研究工作。姚保华，男，助理工程师，主要从事现场施工技术管理工作。刘振刚，男，助理工程师，主要从事建筑材料检测的研究工作。李印光，男，工程师，学士，主要从事现场施工技术管理工作。改性沥青-石灰岩集料，SBS改性沥青-玄武岩集料的界面能小了39%47%，剥落能小了12%18%，能量比降低了30%39%。因此，从化学成分角度看，SBS改性沥青-石灰岩集料的黏附性优于SBS改性沥青-玄武岩集料。3结论1）范德华力对SBS改性沥青-集料的黏附性能起主要作用；不同温度下，SBS改性沥青-CaO的界面能和黏附功是SBS改性沥青-SiO2的界面能和黏附功的3.55.4倍；SBS改性沥青-SiO2的界面能和黏附功在-10、20 下较大，而SBS改性沥青-CaO的界面能和黏附功在0、40 下较大。2）水在SBS改性沥青-CaO界面处产生的剥落能高于在SBS改性沥青-SiO2界面处产生的剥落能；SBS改性沥青-CaO体系的能量比明显高于SBS改性沥青-SiO2，其水稳性能更优；SBS改性沥青-CaO体系水稳定性受温度影响较大。3）随温度升高，SBS改性沥青-集料的能量比先减小后增大，在40C时达到最小值。4）与SBS改性沥青-石灰岩集料相比，SBS改性沥青-玄武岩集料的界面能小了39%47%，剥落能小了12%18%，能量比降低了30%39%，表明SBS改性沥青-石灰岩集料的黏附性优于SBS改性沥青-玄武岩集料。参考文献1XU G.Characterization of asphalt properties and asphalt-aggre-gate interaction using molecular dynamics simulationD.NewJersey：Rutgers University，2017.2豆莹莹，魏定邦，李晓民，等.沥青-集料界面黏附性衰减机理研究J.建筑材料学报，2019，22（5）：771-779.（DOUYY，WEID B，LI X M，et al.Adhesion attenuation mechanism of asphalt-aggregate interfaceJ.Journal ofbuilding materials，2019，22（5）：771-779.）3XU J Y，MA B，MAO W J，et al.Review of interfacial adhesionbetween asphalt and aggregate based on molecular dynamicsJ.Construction and building materials，2023（362）：129642.4陈正隆，徐为人，汤立达.分子动力学模拟的理论与实践M.北京：化学工业出版社，2007：166-186.（CHEN Z L，XU W R，TANG L D.Theory and practice of molecular dynamics simula-tionM.Beijing：Chemical Industry Press，2007：166-186.）5汪海年，丁鹤洋，冯珀楠，等.沥青混合料分子模拟技术综述J.交通运输工程学报，2020，20（2）：1-14.（WANG H N，DINGH Y，FENG B N，et al.Advances on molecular simulation tech-nique in asphalt mixtureJ.Journal of traffic and transportationengineering，2020，20（2）：1-14.）6郭猛.沥青与矿料界面作用机理及多尺度评价方法研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.（GUO M.Study on mechanismand multiscale evaluation method of interfacial interaction be-tween asphalt binder and mineral aggregateD.Harbin：HarbinInstitute of Technology，2015.）7徐霈.基于分子动力学的沥青与集料界面行为虚拟实验研究D.西安：长安大学，2013.（XU P.Modeling and analysis ofmolecular dynamics for characterizing asphalt-aggregate interac-tionD.Xian：Changan University，2013.）8LIU J Z，YU B，HONG Q Z.Molecular dynamics simulation ofdistribution and adhesion of asphalt components on steel slagJ.Construction and building materials，2020（255）：119332.9WANG H，LIN E Q，XU G J.Molecular dynamics simulation ofasphalt-aggregate interface adhesion strength with moisture effectJ.International journal of pavement engineering，2017，18（5）：414-423.10吕志田，潘伶，张晋铭，等.沥青-集料界面黏附机理的分子动力学模拟J.材料科学与工程学报，2022，40（5）：809-815，834.（LYU Z T，PAN L，ZHANG J M，et al.Molecular dynamics sim-ulation of adhesion mechanism of asphalt-aggregate interfaceJ.Journal of materials science&engineering，2022，40（5）：809-815，834.）其他作者：王丰亦，男，工程师，学士，主要研究方向为沥青路面材料。罗正宇，男，在读硕士研究生，主要研究方向为沥青路面材料。王涛利等：基于分子动力学模拟的SBS改性沥青-集料界面黏附性能研究255