可控性低强度材料的研究进展

陈晶

（建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

城市道路不仅承担着交通运输的功能，同时也是各种管线的重要承载体。随着城市经济的繁荣发展，每年在城市道路上进行着大量的管道工程，管道工程的回填速度和密实度直接影响城市道路路面的平整性、行车的顺畅性以及城市道路的面貌和道路使用寿命。以往这类管道工程的沟槽是用回填土或其它松散材料夯实成型的，但此种工序施工周期长，不易保证质量。为此，研究者们将目光聚焦于一种新型的回填材料——可控性低强度材料上。

1 可控性低强度材料（CLSM）简介

可控性低强度材料（controlled low strength material，简称 CLSM）又称为流动性填料、无收缩性填料、流动性砂浆和可控密度填料[1,2]。根据美国混凝土协会（ACI）229 委员会的定义[3]，CLSM 是一种具有自我充填性质，主要用于管沟回填，其 28d 无围抗压强度≤1200 PSI（约8.4MPa）的低强度（与普通混凝土相比）水泥质材料。CLSM 既不是混凝土，也不是水泥砂浆，但是却具有类似两者的性质。它是由普通水泥、水、细集料、粉煤灰，有时也有添加剂组成的流动性拌合物。其粘滞性如同泥浆或灌浆，灌注后数小时便足以承受交通荷载而不致沉陷。

CLSM 作为一种新型的回填材料，具有以下优点：

（1）可流动。CLSM 作为能够代替密实土壤用于回填的流动性胶凝材料，具有高流动性的优点。用于管道工程时，不需要夯实就能够填充管沟空间，减少了以往施工中夯实和压密度检查等工序，降低了施工工作量和施工噪音。所以此种材料可应用于那些难以浇注和捣实的回填工程中。

（2）易挖掘。与普通混凝土相比，CLSM 的强度不高，大多数用于回填的 CLSM 抗压强度变化范围是 0.35～2.00MPa。低强度的特点方便于日后挖掘维修，保证以后能够进行二次回填。CLSM 的水泥含量一般为 50～100kg/m3，根据不同工程的性能要求，通过适当调整材料组分的含量可以获得更高的抗压强度。

（3）不沉陷。CLSM 在拌和过程中，由于水泥固化和水分蒸发而硬化成型，得到的成型体密实并且均匀。没有粉状颗粒回填材料常有的密实度与平整度的矛盾，能够降低施工的难度。且不需振动或碾压密实，降低了施工工作量。

（4）可快速硬化。通常 CLSM 在 3～5 小时硬化。通过掺入早强剂就可以调节材料的凝结时间，使材料在数小时内具有强度并可开放交通[4]，由于施工方便，工期较短，CLSM特别适用于市区管道工程中。

（5）低渗透。通常 CLSM 的渗透速率与土壤相似，为10-4～10-5cm/sec，在工程的要求下，可以提高抗渗性，渗透速率降低至10-7cm/sec。

（6）抗冻融。CLSM如同普通混凝土，通过加入引气剂来抵抗冻融的破坏。所以道路不会出现因冻融而造成的翻浆现象。

（7）密度可变。通过加入不同密度的原材料和引气剂，普通 CLSM 密度可达到1600kg/m3，泡沫 CLSM 的密度可达到320kg/m3。

（8）CLSM 可利用各种工业固体废弃物作为原料，绿色环保，避免环境污染。利用场地开挖土石方作为骨料，可减少天然砂石材料的耗用，有利于资源节约。

总之，与传统的管道回填材料（回填砂、粘土等）相比，这种可控性低强度材料具有性能优异、施工方便、绿色环保等诸多优点。

2 CLSM 组成

常规 CLSM 材料组成与普通混凝土类似，主要由胶凝材料、集料、水以及各种添加剂组成。胶凝材料主要为水泥、粉煤灰；集料为细骨料或粗骨料或者两者皆有；添加剂有引气剂、早强剂等，用来调整 CLSM 的工作性能，以满足不同施工或力学上的要求。

虽然与普通混凝土的组成材料相类似，但 CLSM 在对原材料的技术要求方面，没有混凝土的要求严格。目前，由于CLSM 是一种相对比较新型的材料，兴起于 20 世纪 70 年代，行业内对 CLSM 还缺乏系统的、充分的认识和深入的理解。并且由于 CLSM 可回收利用工业生产过程中产生的废弃物或建筑垃圾[5,6]，这些废弃物对 CLSM 的性能影响规律还缺乏系统的研究。所以国内外还没有专门针对 CLSM 材料技术要求的规范或标准。

3 CLSM 主要利用的工业废弃物

3.1 电厂燃煤副产物

粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，它是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。CLSM 组成中，粉煤灰是最常见的原料。ACI 委员会报告已经作出规定：可以用相对低掺量的水泥来激发粉煤灰（C 级和 F 级）的火山灰活性，用来生产 CLSM 填充材料[5]。

薛永杰[7]利用电厂燃煤副产物——脱硫石膏和脱硫渣制备 CLSM 的工序如下：首先，利用脱硫副产物制备胶凝材料以替代水泥在 CLSM 中的应用；其次以脱硫副产物、粉煤灰、破碎钢渣和废旧混凝土作为集料添加一定量的水和外加剂制备 CLSM 混合料。

3.2 水泥窑灰

水泥窑灰是水泥生产过程中的副产品。水泥窑灰为细颗粒状，主要由水泥熟料高温生产过程中的静电收尘器中氧化的、无水的、微小颗粒组成。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决定了水泥窑灰的化学组成。大多数的水泥窑灰中钾、铝的含量较高。

Amnon Katz 和 Konstantin Kovler[8]研究了水泥窑灰、沥青混凝土的尾砂、粉煤灰、炉底灰和采石场尾砂这五种工业副产物对可控低强度材料（CLSM）性能的影响。其中发现水泥窑灰具有较强的胶结能力，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 矿山酸性排渣矿泥

M.A.Gabr 和 John J.Bowders[9]采用矿山酸性排渣矿泥和粉煤灰制备 CLSM。矿山酸性排渣矿泥取自沉降池，是地下矿井水通过沉降池用消石灰 Ca(OH)2处理后得到的。这种石灰基工业废弃物，与粉煤灰混合后，表现出与水泥相似的自硬化特性。

3.4 水库污泥

水库污泥的主要组成成分是蒙脱石粘土，当与水混合时会引起一定程度的有害膨胀。Wen-Yih Kuou[10]等对水库污泥进行了有机改性，用改性后的水库污泥代替可控低强度材料中的细集料。

3.5 尾砂

尾砂是选矿厂在特定的经济技术条件下，将矿石磨细，选取有用成分后排放的废弃物。成岳[11]利用铜矿尾砂、粉煤灰、水泥以及加气剂等，混合搅拌成泥浆体，振动成型，制备出低强度可控性填料（CLSM），28d 抗压强度 0.5 MPa，具有低强度、高流动性的特点。Amnon Katz 和 Konstantin Kovler[8]在制备 CLSM 时使用的采石场尾砂。

4 CLSM 的应用

CLSM 在国外使用已有多年历史。从 1970 年开始，美国许多城市的公共工程部门、工程公司、州运输部门的回填工程中都采用 CLSM。七十年代，美国密执安州的第二核电站，使用高掺量粉煤灰的 CLSM 来回填土槽；1991 年，美国科罗拉多交通部使用 CLSM 改造水渠，费用由 40 万美元降至 17 万美元；1993 年美国科罗拉多交通部使用 CLSM 改造旧桥，花费 93000 美元，节省资金超过一半；1992 年起，波士顿港口隧道十年改造工程中使用 CLSM 2.3×106 m3；1995～1996 年，俄克拉何马州交通部在 Tulsa 的街道开挖和修补工程中，使用快凝型 CLSM，节省 1/3 资金。

目前，国内已经有一些工程在应用可控性低强度材料，但还未见大量有关 CLSM 的报道。由于许多不同性质的材料可作为 CLSM 的原材料，使得 CLSM 的性能灵活可调，所以CLSM 在许多工程上具有广泛应用范围。

回填工程：CLSM 可用于各种沟槽管洞、废弃的隧道、水渠、地下室和其它地下结构的回填工程。CLSM 由罐车浇筑或泵送后硬化成型，无需振动、碾压、击实等工序，在相同质量要求的条件下，可大大提高施工进度。并且还能减少相关的机械和人工的使用，降低成本。

路基工程：CLSM 作为路基材料，可以解决粉状材料平整度与密实度的矛盾和土壤冻融翻浆的现象。CLSM 用于立交桥桥涵台背回填，可减少回填材料的沉降，降低挡墙荷载。

管道埋设工程：CLSM 能够很好地满足电力电讯管道、热力管道等对底部填充的要求，做到流动的均匀支撑。不同的管路，可在 CLSM 中掺加不同的色料，以便区分。

管道隔热或散热工程：掺入隔热材料或导热材料在CLSM 中可以满足管道或建筑物的温度要求。

管路防腐工程：对于一些有防腐要求的结构和管路，可通过提高 CLSM 密实度，对管道形成保护层，达到防腐要求。由于 CLSM 的 pH 值为 8～12，可以为铸铁管提供强碱环境，减少铁锈腐蚀。但不能用在有大量铝铜等金属的工程中。

5 结语

与传统回填材料相比， CLSM 由于增加了水泥等成分而使得材料成本有所上升，但良好的流动性和自密性使其不会产生承载力不足的问题，故施工时可节省夯实和密实度试验的费用，降低施工成本，缩短工期，提高施工质量。并且由于 CLSM 流动性好，具有类似于自流平的特性，尤其适用于要求密实度较高的回填工程中，对于狭窄、难以接触到的地方也能够施工。考虑施工质量、机械和人工费用、施工速度、开挖方量、工程特殊结构、重复开挖、特种工程需要，CLSM 代替传统填充材料将成为发展趋势。

[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，郑瑞滨.控制性低强度材料 CLSM 之工程运用[C].台湾第四届铺面材料再生学术研讨会论文集[A].台北：台湾营建研究院， 2000.

[5] 王栋民，罗小红.利用工业废弃物制备可控低强度材料（CLSM）概述[C].第二届全国化学激发胶凝材料研讨会论文集[A].西安: 西安建筑科技大学，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.脱硫灰渣制备新型控制性低强度材料的研究[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，李燕孙，李蒋超. 利用铜矿尾砂研制低强度可控性填料[J].环境科学与技术，2011,34(9): 170-173.