不同类型减水剂对渣土基高流态回填材料性能的影响
时间：2023-01-15 13:20:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
谭正日，谭洪波，吕周岭，孔祥辉，蹇守卫，马保国
(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)
随着我国城市化进程的加快，大量建筑垃圾不断产生，其中建筑渣土约占建筑垃圾总量的70%[1-2]。目前，建筑渣土处理方式以堆存为主,此方式不仅占用土地，而且容易引发滑坡风险，如广东省深圳市光明新区渣土堆存场滑坡事故[3]。因此，建筑渣土的消纳利用具有重要的现实意义。
渣土基高流态回填材料是以渣土为主要原料并辅以一定掺量的固化剂和水制得的回填材料，具有高流态、自流平、自密实、可再挖掘性强等优点[4-5]。渣土基高流态回填材料既能消纳大量渣土[6-7]，又能有效避免传统回填材料压实不够致密，在一些狭窄回填区域易存在压实死角等问题[8-9]。然而，渣土基高流态回填材料也存在一定局限性，如渣土吸水量大，需要较高用水量。高的用水量虽然提高了渣土基高流态回填材料的流动度，但也会导致泌水率高、凝结时间长、体积稳定性与耐久性差等问题[10-11]。一般而言，使用减水剂能获得高流动度的同时减少用水量。Jian等[12]研究了脂肪簇减水剂对高流态回填材料的影响，结果表明，脂肪簇减水剂能通过分散渣土和水泥颗粒来降低用水量，并提高了高流态回填材料的力学性能。许多试验研究与工程应用证明，当集料中含泥量高时，聚羧酸减水剂的减水效果会受到抑制[13-15]。李苑[16]发现聚酯类与聚醚类聚羧酸减水剂对含泥量与蒙脱土的敏感性均大于萘系减水剂。
因此，本文研究四种减水剂对渣土基高流态回填材料流动度、凝结时间、泌水率、抗压强度等性能的影响，并比较了掺减水剂与未掺减水剂的渣土基高流态回填材料在工作性能方面的差异，为提升渣土基高流态回填材料工作性能提供技术思路。
1.1 原材料
固化剂采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其各项性能均符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)要求,建筑渣土取自湖北省武汉市,水泥与建筑渣土的化学组成与物相组成如表1和图1所示，建筑渣土的粒径分布如表2所示。减水剂采用聚羧酸减水剂(polycarboxylate superplasticizer, PCE)、脂肪族减水剂(sulfonated acetone formaldehyde, SAF)、萘系减水剂(naphthalene surperplasticizer, FDN)、三聚氰胺减水剂(melamine superplasticizer, PMS)，其中：PCE由实验室合成，固含量为30%；
SAF与FDN购自江苏苏博特新材料股份有限公司，SAF固含量为30%，FDN为固体粉末；
PMS购自上海臣启化工科技有限公司，固体粉末。
表1 建筑渣土和水泥的化学组成
表2 建筑渣土的粒径分布
1.2 试验方案
渣土基高流态回填材料由固化剂、建筑渣土、水组成。本文研究了四种减水剂及其掺量对渣土基高流态回填材料的影响。在保持相同流动度((180±5)mm)下，比较了四种减水剂与未掺减水剂的渣土基高流态回填材料在经时流动度、凝结时间、泌水率、抗压强度等方面的差异，试验配比设计见表3。
表3 渣土基高流态回填材料配比设计
1.3 试验方法
流动性试验参考ASTM D6103与《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077—2012)，采用流动度测试仪(上口直径36 mm，下口直径60 mm，高60 mm)测试渣土基高流态回填材料的流动度。渣土基高流态回填材料的干湿密度测试参考标准ASTM D6023。泌水率按照ASTM D6023进行测试,泌水率为2 h时渣土基高流态回填材料浆体泌水体积与总体积的比值。渣土基高流态回填材料的凝结时间按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346—2011)测定，测试仪器为标准法维卡仪。抗压强度试验参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)，测试仪器为TYE-3000型压力试验机，加载速率为0.1 kN/s，在3 d、7 d、28 d测试成型试块的抗压强度。
2.1 流动度与经时流动度
流动度是高流态回填材料在实际应用中的重要指标之一。当W/S为0.52、C/CS为0.1时，研究了减水剂的掺量(0%～1.4%)与类型(PCE、SAF、FDN、PMS)对渣土基高流态回填材料流动度的影响，结果如图2(a)所示。由图2(a)可知，PCE、SAF、FDN、PMS掺量在0%～0.4%时，渣土基高流态回填材料流动度的增加并不显著。原因是建筑渣土用量多，固化剂掺量少，减水剂被大量渣土颗粒包裹，未能发挥减水效果。当PCE掺量为0.8%时，渣土基高流态回填材料的流动度达到185 mm。比较另外三种减水剂体系，流动度达到(180±5)mm时，FDN、SAF、PMS的掺量分别为1.4%、1.0%、1.2%。此外，从图2(a)中可以发现，随着减水剂掺量增加，PCE的减水效果更加优异，当PCE掺量达到1.0%时，继续提高PCE掺量对流动度的改善趋于平缓。
当C/CS为0.1、减水剂掺量为0%时，通过改变W/S(0.52～0.80)来调节渣土基高流态回填材料的流动度。图2(b)展示了未掺减水剂体系的流动度与用水量的关系。从图中可以发现，随着W/S提高，未掺减水剂体系的流动度不断增加，当流动度达到(180±5)mm时，未掺减水剂体系的W/S为0.75。
图2 减水剂类型与未掺减水剂对渣土基高流态回填材料流动性的影响
综上可知，在保持相同流动度((180±5)mm)下，四种减水剂对渣土基高流态回填材料的减水效果从高到低依次为PCE>SAF>PMS>FDN。未掺减水剂体系达到与四种减水剂体系相同流动度时，W/S为0.75。
为进一步探讨减水剂类型对渣土基高流态回填材料流动度的影响,通过比较四种减水剂在低掺量时渣土基高流态回填材料的流动度来确定四种减水剂体系的流动度转折点，结果如图3所示。SAF与PMS体系的流动度转折点出现在掺量为0.25%时，PCE与FDN体系的流动度转折点出现在掺量为0.40%时。原因为：在PCE体系中，由于建筑渣土中存在少量蒙脱石，PCE会与蒙脱石发生插层反应[17]，PCE减水性能失效，因此PCE体系的流动度转折点迟于SAF与PMS体系；
对于FDN体系，由文献[16]可知，FDN对蒙脱石的敏感性低，但FDN的减水率低，因此FDN体系的流动度转折点迟于SAF与PMS体系。研究[18]表明，FDN、SAF、PMS对含泥量的敏感度较PCE低，故在相同含泥量下，减水率相近的SAF与PMS体系的流动度转折点高于PCE体系。此外，FDN、SAF、PMS减水原理是通过静电斥力理论使颗粒分散，而PCE减水原理主要是空间位阻效应[19]。
图3 减水剂类型和掺量与渣土基高流态回填材料流动度转折点的关系
在一些回填工程中，由于现场设施与条件的限制，有时需要将回填材料从搅拌站运往施工现场。这要求高流态回填材料在运输期间仍能保持良好的流动性。图4展示了在保证初始流动度为(180±5)mm的条件下，未掺减水剂与不同类型减水剂对渣土基高流态回填材料经时流动度的影响。由图可知，未掺减水剂体系在2 h内保持着较好的流动度，2 h内流动度从185 mm降至140 mm，下降了24.3%。但该体系用水量大，部分自由水会从浆体内渗出，导致浆体出现分层，产生严重的泌水现象。FDN体系在1 h内能保持较为优异的流动性，1 h内流动度从180 mm降至160 mm，下降了11.1%。PCE体系在0.5 h内能保持良好的流动性，之后流动度迅速下降。SAF与PMS体系的流动度保持性差，随着时间的增加流动性迅速衰减。原因是：FDN与渣土浆体具有较好的相容性，FDN体系在1 h内能保持良好的流动性；
PCE与渣土浆体的相容性次之；
PMS、SAF与渣土浆体的相容性最差，故PMS和SAF体系的经时流动度损失大。综上可知，四种减水剂体系流动度保持性从优到劣依次为FDN>PCE>PMS>SAF。
图4 未掺减水剂与不同类型减水剂对渣土基高流态回填材料经时流动度的影响
2.2 密 度
图5展示了不同类型减水剂和未掺减水剂与渣土基高流态回填材料干湿密度的关系。由图可知：四种减水剂体系的湿密度相近，且湿密度与干密度差值小(<150 kg/m3)；
未掺减水剂体系湿密度低，湿密度与干密度的差值大于250 kg/m3。原因是未掺减水剂体系W/S高，浆体的黏度低，使体系密度小。此外，未掺减水剂体系内存在大量自由水，自由水会随着时间延长而渗出蒸发，导致未掺减水剂体系湿密度与干密度的差值大。在实际回填工程中，干湿密度差值大使渣土基高流态回填材料的沉陷量高，不利于工程应用。掺有不同类型减水剂的渣土基高流态回填材料干湿密度差值小，能避免体系的沉陷。
图5 减水剂类型与干湿密度的关系
2.3 泌水率
泌水率是衡量高流态回填材料体积稳定性和保水性的重要标准。一般要求高流态回填材料在2 h内的泌水率不大于5%[20]。图6展示了在相同流动度((180±5)mm)下，未掺减水剂和不同类型减水剂与渣土基高流态回填材料泌水率的关系。由图可知：未掺减水剂体系泌水率为9.48%，超过了工程限定值；
PCE、SAF、PMS、FDN体系泌水率分别为1.45%、1.64%、1.55%、1.32%，均符合工程要求。其中，FDN体系相比PCE、SAF、PMS体系泌水率最低。与未掺减水剂体系相比，FDN体系泌水率下降了86.1%。原因是：四种减水剂体系W/S低，渣土基高流态回填材料中自由水少，减水剂将体系中浆体颗粒包裹的水释放出来，提高了体系流动度；
未掺减水剂的高流态回填材料的W/S为0.75，该体系中的水一部分被渣土吸收和包裹，一部分来改善浆体的流动性，其中改善浆体流动性的自由水过量，导致浆体颗粒间结合并不紧密，宏观表现为未掺减水剂体系黏度低，过量自由水易从浆体中渗出，使高流态回填材料体积稳定性和保水性差。
图6 减水剂类型与泌水率的关系
2.4 凝结时间
凝结时间是指高流态回填材料从浆体状态到凝结硬化状态所需时间，凝结时间决定了高流态回填材料的应用范围。本文研究了在相同流动度下，未掺减水剂和掺入不同类型减水剂与渣土基高流态回填材料凝结时间的关系，结果如图7所示。由图可知，掺入不同类型减水剂的渣土基高流态回填材料之间凝结时间差异小，四种减水剂体系的初凝时间均在9～10 h，终凝时间均在10～12 h。对比未掺减水剂体系，不同类型减水剂的掺入使渣土基高流态回填材料初、终凝时间分别降低了27.5%～32.5%、29.4%～33.9%，其中，PCE体系的凝结时间最短。未掺减水剂体系的初、终凝时间分别为808 min、936 min，PCE体系的初、终凝时间分别为545 min、619 min，PCE体系较未掺减水剂体系初、终凝时间分别缩短了32.5%、33.9%。该结果表明减水剂的加入减少了渣土基高流态回填材料的用水量，使渣土基高流态回填材料浆体更加致密，固化剂能更快地形成支撑骨架，缩短渣土基高流态回填材料的凝结时间。
图7 减水剂类型与凝结时间关系
2.5 抗压强度与开挖模量
在高流态回填材料中，抗压强度是衡量其质量控制的重要指标，也是评定回填后可再开挖性的重要参数之一。图8展示了未掺减水剂与掺入不同减水剂的渣土基高流态回填材料在3 d、7 d和28 d的抗压强度。由图可知，在3 d时，四种减水剂体系中PCE体系抗压强度最低，PMS体系抗压强度最高，PMS体系较PCE体系抗压强度提高了22.9%。比较四种减水剂体系，PMS体系在3 d、7 d和28 d时抗压强度最高，28 d抗压强度为1.11 MPa，FDN体系在28 d时抗压强度最低，为0.89 MPa，PMS体系较FDN体系在28 d时抗压强度提高了24.7%。比较四种减水剂体系28 d抗压强度，从高到低依次为PMS>PCE>SAF>FDN。上述结果表明PMS较PCE、FDN、SAF对强度的提升更为显著。从图8中还可以发现，未掺减水剂体系与掺入不同减水剂体系在各个龄期的抗压强度均存在显著差异。与未掺减水剂对比，不同减水剂的掺入使渣土基高流态回填材料28 d抗压强度提高了162%～226%。比较未掺减水剂体系与PMS体系，未掺减水剂体系28 d抗压强度为0.34 MPa，PMS体系28 d抗压强度为1.11 MPa，抗压强度提高了226%。原因是未掺减水剂体系W/S高，存在着大量自由水，部分自由水会在渣土颗粒表面形成一层水膜，这层水膜会阻止渣土颗粒通过相互吸引形成更大的渣土颗粒。此外，渣土颗粒被自由水分散，水泥在水化后生成的水化硅酸钙不易在渣土颗粒间形成一个致密的网状骨架，导致未掺减水剂体系内部存在大量孔隙，因而抗压强度低。
图8 减水剂类型与抗压强度的关系
具有易开挖性是高流态回填材料的一个重要优点。一般而言，当高流态回填材料的28 d抗压强度在0.3～1.1 MPa时，有利于将来开挖且不需要使用大型开挖设备。一般用开挖模量(removability modulus，RE)来衡量高流态回填材料的可开挖性，其计算公式如式(1)[21]所示。
(1)
式中：RE为开挖模量；
W为28 d抗压强度，kPa；
C为28 d干密度，kg/m3。当RE<1.0时，表示该高流态回填材料具有较好的可开挖性，一般RE值越小，表示越易开挖[22]。图9展示了减水剂类型与开挖模量的关系。由图可知，PCE、FDN、SAF、PMS及未掺减水剂体系的开挖模量分别为0.79、0.64、0.70、0.91、0.13。结果表明掺入四种减水剂的渣土基高流态回填材料仍具有较好的人工挖掘性，在手动挖掘范围内，人工挖掘性从难到易依次为PMS>PCE>SAF>FDN。
图9 减水剂类型与开挖模量的关系
(1)在保持相同流动度((180±5)mm)下，不同类型减水剂对渣土基高流态回填材料的减水效果从高到低依次为PCE>SAF>PMS>FDN。不同类型减水剂的掺入均能有效提高渣土基高流态回填材料的流动度。
(2)在经时流动度方面，四种减水剂系体的流动度保持性从优到劣依次为FDN>PCE>PMS>SAF。FDN体系在1 h内具有更好的流动性，PCE体系在0.5 h内具有优异的流动性，SAF与PMS体系的流动性随时间的延长迅速衰减。
(3)不同类型的减水剂均能降低渣土基高流态回填材料的泌水率。FDN体系较PCE、SAF、PMS体系泌水率最低，与未掺减水剂体系相比，FDN体系泌水率降低了86.1%。
(4)不同类型减水剂均能有效缩短渣土基高流态回填材料的凝结时间。四种减水剂体系初、终凝时间较未掺减水剂体系分别降低了27.5%～32.5%、29.4%～33.9%，其中PCE体系凝结时间最短，与未掺减水剂体系相比，初、终凝时间分别缩短了32.5%、33.9%。
(5)与未掺减水剂体系相比，不同类型减水剂的掺入使渣土基高流态回填材料的抗压强度提高了162%～226%，其中PMS对渣土基高流态回填材料抗压强度的提升更加显著。四种减水剂体系仍保持了较好的人工挖掘性，在手动挖掘范围内，人工挖掘性从难到易依次为PMS>PCE>SAF>FDN。
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