可控性低强度材料及其工程应用

张宏洲　王丽玫　杨锦辉　谭永波

【摘   要】   可控性低强度材料（CLSM）是一种主要用于回填的自密实功能性材料。介绍可控性低强度材料的特点，对其应用领域、配置方法、主要原材料、性能及工作性能进行了分析，讨论了该材料在我国推广应用的情况。

【关键词】   可控性低强度材料; 工作性能; 工程应用

Applications of Controllable Low-Strength Material（CLSM）

Zhang Hongzhou1，2， Wang Limei1，2， Yang Jinhui1 ， Tan Yongbo1

（1.Langfang Normal University， Langfang 065000， China; 2.Langfang Geotechnical Physical and Mechanical Performance Testing Laboratory， Langfang 065000， China）

【Abstract】    Controllable low strength materials （CLSM） emerged in the 1990s， it is a relatively new type of material. This paper introduces the controlled the characteristics of low strength materials， its application field， configuration method， main material， material performance and working performance are analyzed， and the paper also discusses its application in China.

【Key words】     controllable low-strength material; performance; the engineering application

〔中圖分类号〕  TU521                          〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2023）02- 0097- 03

1     可控性低强度材料的主要特点

可控性低强度材料（CLSM）是一种上世纪90年代后在北美及中国台湾地区广泛使用的功能性填充材料。据美国混凝土协会（ACI）的定义，可以根据不同的配合比控制其强度，其抗压强度应小于[8.3MPa]。为方便开挖当前使用的可控性低强度材料无侧限抗压强度应小于[2.1MPa]。可控性低强度材料不是传统意义上的混凝土，也不是普通填土，而是一种能自密实的填充材料，具有较好的自流平性能，不需要振捣、压实，方便施工，适合填充狭窄空间，几乎不存在开裂和沉降［1］。可控性低强度材料的综合成本要高于普通填土，但有优良的工作性能。

（1）可直接使用项目所在地材料，包括各类固体废弃物，如粉煤灰、矿渣、混凝土再生骨料等拌制符合使用要求的CLSM；混合料可通过混凝土搅拌运输车运至现场，实现工厂化生产，质量均一稳定。可以通过调整配合比，满足不同工况要求。可以通过调整配合比获得不同流动性的混合料；通过增加水泥或粉煤灰的比例增加强度；通过添加外加剂调整硬化时间等性质；通过添加发泡剂，生产轻质、绝缘材料。

（2）其承载能力一般高于压实土或颗粒填料，用作永久性结构填充，28天抗压强度达[8.3MPa]。CLSM的渗透性较差，因此抗侵蚀能力更强。相比传统填料，CLSM在填筑中没有空洞，在静载或动载作用下几乎不会产生沉降，尤其适合路面小面积的填补。

（3）与普通填土相比，CLSM施工不需用振捣压实设备，易于填筑，快速硬化，可以有效减少道路铺装时间，可以快速恢复路面交通；CLSM强度低，可在保证回填强度的情况下采用常规工具开挖。

（4）使用CLSM填筑可以在保证填筑质量的前提下减小开挖沟槽宽度，减少了开挖回填工作量。施工人员可以在沟槽外施工，不用进入沟槽，避免了沟槽垮塌可能造成的伤害，施工相对较安全。当沟槽内有积水时，CLSM可以把沟槽里的积水置换排除，减少对水泵的需求。冬季填筑CLSM时，可以使用加热预拌方法。

（5）普通填土回填时要求分层填筑、分层压实、分层检测密实度，CLSM可自密实，不需分层检测密实度，施工质量易控制。

2     可控性低强度材料的应用

CLSM的主要用途是作为结构填土或回填土代替填充土。由于不需要压实，而且可以被设计成流体状，所以非常适合在填充和压实填料困难的情况下使用。如果是未来可能要二次开挖的区域，回填材料的强度可以被限制在[2.1MPa]以下。

2.1   应用领域

可控性低强度材料主要应用领域包括：（1）回填，例如管沟、沟槽、空洞、基础［2］；（2）既有建筑物地基加固；（3）保温工程；（4）路基，用于基层和底基层；（5）管床，可以作为各类管道优良的垫层材料，能够有效填充管道下部的孔隙，并提供一定的支撑；（6）抗侵蚀，在堤防抛石和大坝溢洪道下的溢流池中，常采用CLSM来固定岩块，抗侵蚀；（7）空洞填充，隧道、地下工程、矿井、采空区治理；（8）核设施；（9）桥梁改造时临时管涵的回填。

2.2   制备

（1）原料

传统的可控性低强度材料的制备原料主要包括水、水泥、粉煤灰、骨料及外加剂。除此之外，还可以采用一些非标准材料，比如说炉渣、钢渣、建筑渣土、铸造用砂、电石渣、煤矸石、再生混凝土骨料等，在采用此类材料时，一定要通过试验确定适宜的配合比，保证混合料的性质［3］。

（2）配合比

为了方便使用，美国各州的交通部门制定出了在本区域内实用的建议配合比，如表1所示［4］，但是在具体工程中还要结合工程要求进行优化。

虽然美国混凝土协会（ACI）已经建议了常规情况下的配合比，但是可控性低强度材料的配合比主要是根据具体工程的需要，通过试配确定。通过试验，确定出较好满足强度、流动性、密度等要求的混合料。

3     混合料性质

可控性低强度材料的性質介于土和混凝土之间，它的制备过程、设备和混凝土非常相似，主要的性质又近似于土，混合料的性质主要由混合料的配比所决定，主要性质如下。

3.1   流动性

流动性是可控性低强度材料区别于其他材料的一个根本性质，它保证可控性低强度材料不通过振捣就可以有效填充满空洞。流动性的测试采用的是ASTM D 6103标准，采用[75×150mm]圆筒试验，根据可控性低强度材料散布直径的大小分为三类［2］：低流动性，散布直径小于150mm；中流动性，散布直径在150mm到200mm之间；高流动性，散布直径大于200mm。

3.2   离析

与混凝土类似，当可控性低强度材料流动性是通过单纯加水获得时，容易发生离析现象，可以通过增加粉体材料，如水泥、粉煤灰比例的方式避免此类问题的发生。

3.3   沉降

沉降主要发生在混合料填筑之后，是由于可控性低强度材料中的水分被与之接触的物质（比如土层）吸附，或渗透至表面造成，沉降值由渗水的数量决定。可以通过优化混合料配合比，添加外加剂以减少用水量等方式控制沉降。

3.4   硬化时间

硬化时间通常可以表示为可上人时间，主要有混合料中的胶凝材料的种类和数量决定。影响硬化时间的因素还包括：与CLSM接触的土层渗透率和饱和度；CLSM的含水量；CLSM的比例；混合物和环境温度；湿度；填充深度等。通过调配，混合料的硬化时间可缩短至1小时，一般的混合料硬化时间是3-5小时。

3.5   可泵性

泵送是可控性低强度材料混合料的非常重要的运输填筑方式，主要是通过调整混合料的配合比保证其可泵性，适当增加粉煤灰等胶凝材料的占比可显著提高可泵性。

4     工作性能

4.1   强度

当前主要采用无侧限抗压强度表征可控性低强度材料的强度，在混合物拌制过程中的一些材料，如水泥、粉煤灰对混合物的强度影响较大，同时硬化后混合物的强度还有可能继续增加，对后期开挖造成不利影响。

4.2   密度

可控性低强度材料的湿密度在[1804-][2320kg/m3]，大于一般填土，可以通过添加轻质骨料，加入引气剂、发泡剂等方式降低其密度［5］。

4.3   沉降量

对于普通的填土，即使在填筑工程中通过了压实度的测试，后期也会产生沉降。可控性低强度材料在填筑后基本不会产生沉降。

4.4   保温性能

普通的可控性低强度材料的保温性并不好，但是添加了引气剂、发泡剂等外加剂的可控性低强度材料（LD-CLSM）具有较好的热工性能，可以用在对保温性有特殊要求的工程，比如地源热泵、供热管沟填埋、地暖保护层等。

4.5   可开挖性

对于很多未来有开挖需求的工程来说，可控性低强度材料的低强度尤其重要，一般认为硬化后强度低于[0.3MPa]的材料能够人工开挖，水泥及粉煤灰的配比对可开挖性有重大影响，同时，28天后的后期强度的增长同样不可忽视。为了限制混合料的强度，除了可以限制胶凝材料的用量外，还可以通过加入引气剂，增加硬化后的混合料的孔隙比。除此之外，常见的工作性能还包括渗透性、收缩性、抗剪强度、抗侵蚀性等。

5      讨论与结论

可控性低强度材料是一种工作性能良好的回填材料，但在我国大陆地区认可度不高，主要原因如下。

（1）我国大陆地区尚未制定关于可控性低强度材料的规范标准，设计、施工、质量控制无依据。

（2）可控性低强度材料需要根据工程具体情况进行配合比调配，对施工技术人员要求高，量少不经济。

可控性低强度材料是一种优良的功能性回填材料，通过配合比的调制，能够满足多种工况下的使用要求，适用性广、针对性强，直接成本虽然高于普通填土，但考虑开挖成本的减少及使用效果，同时可以使用多种固体废弃物，环保效益好，是一种很好的回填材料的选择。

［参考文献］

［1］ 柯睦濠，张耀中，赵秀云.可控性低强度材料的研究进展［J］.地产，2019（16）：26.

［2］ 张土乔， 王直民， 黄亚东. 控制性低强度材料（CLSM）在管沟回填中的应用［J］. 中国给水排水， 2006（6）：87-91.

［3］ 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.

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

［5］ M C Nataraja， Y Nalanda. Performance of industrial by-products in controlled low-strength materials （CLSM）［J］. Waste Management， 2008，28（7）：1168-1181.

[收稿日期]   2022-10-26

[作者简介]   张宏洲（1981- ），男，廊坊师范学院建筑工程学院副教授，研究方向：环境岩土工程。