不同掺合料对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的性能影响及其工程应用

杨 光，李 阳

（1. 上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032； 2. 上海工业固体废弃物资源化利用工程技术研究中心，上海 200032）

0 引言

装修垃圾和拆房垃圾成分复杂，属于处理和利用难度较大的建筑垃圾[1]。2021年，上海市装修垃圾和拆房垃圾的申报总量达到750万t[2]。通过破袋、风选、磁选、破碎和筛分等工序，可将装修垃圾和拆房垃圾处理成质量约为700 万t 的再生骨料。但是这种再生骨料质量性能波动较大，压碎指标、吸水率和含泥量等性能指标难以满足相关标准要求，因此除部分被用于水泥砖的制备外，缺乏其他有效的利用途径[3]。据上海建材协会墙材分会公布的相关数据，全市水泥制砖总产量为200 万m3，最多可消纳130万t的装修垃圾和拆房垃圾再生骨料。而装修垃圾和拆房垃圾再生骨料存在近570 万t 的消纳缺口，因此亟需寻找新的利用途径。

流态填筑材料[4]具有自流平、易于混合和回填等优点[5]，该材料对强度要求不高（28 d 抗压强度通常低于10 MPa），可消纳各类工业固废和建筑垃圾[6]，是发达国家处理大宗低值固废的主要利用途径。国内外许多专家学者针对不同组成、不同应用场景下流态填筑材料的制备和应用技术进行了研究。Achtemichuk 等[7]采用再生混凝土骨料、矿渣和粉煤灰生产流态填筑材料，其7 d 抗压强度达到3.5 MPa；李飞等[8]利用建筑垃圾再生细骨料和再生微粉制备了流态填筑材料，研究发现流态填筑材料的强度主要取决于水固比，为保证其工作性能，灰砂比应随着水固比的增大而降低。目前，不同再生材料及其水固比、灰砂比对流态填筑材料性能的影响倍受关注，而针对作为流态填筑材料重要组成部分的固化材料的研究较少。现有固化体系中，水泥为主要固化材料[9]，而不同掺合料具有不同的化学组成、颗粒细度和水化活性，适当掺入掺合料可以改善流态填筑材料的性能[10]。因此，本文针对不同掺合料对装修垃圾盒拆房垃圾流态填筑材料性能的影响规律开展研究，在此基础上开发出适用于基坑回填的流态填筑材料，并进行工程示范。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥采用平湖南方P·O42.5 普通硅酸盐水泥；矿粉采用上海宝田新型建材有限公司生产的S95 矿粉；粉煤灰采用苏州娄城新材料科技有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，其细度为19.5%，强度活性指数为72.5，需水量比为98%；钢渣粉、矿粉、钠基脱硫灰、污泥焚烧灰和磷石膏均由上海本地企业提供。水泥的基本性能和原材料的化学组成分别见表1和表2。

表1 水泥的基本性能Tab.1 Basic properties of cement

表2 原材料的化学组成Tab.2 Chemical composition of raw materials单位：%

建筑垃圾再生细粉料为上海勤顺建设工程有限公司提供的装修垃圾和拆房垃圾再生细粉料，其级配如图1 所示。相较于GB/T 25176—2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》中的级配标准，建筑垃圾再生细粉料具有粗粒径骨料多、中等粒径骨料少、细粒径骨料多的特点，其基本性能见表3。

图1 建筑垃圾再生细粉料级配曲线Fig.1 Construction waste recycled fine powder gradation curve

表3 建筑垃圾再生细粉料基本性能Tab.3 Basic properties of construction waste recycled fine powder

1.2 试验设计

为了研究掺合料性能对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料性能的影响规律，固定水固比为0.3，灰砂比为0.15，以P·O 42.5 水泥为基础固化材料，研究粉煤灰、钢渣粉、磷石膏、矿粉、污泥焚烧灰和钠基脱硫灰等掺合料对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料坍落扩展度、泌水率和抗压强度的影响。在此基础上，根据基坑回填工程特点，优化装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的配比，并进行工程示范。

1.3 试验方法

装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的流动性能主要通过坍落扩展度来表征，参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中扩展度试验方法进行测试。将新拌的装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料分3 层均匀地装入坍落度筒内，每装1层拌合物，均匀插捣25次，装满后垂直平稳地提起坍落度筒，待拌合物扩散稳定后测量扩展面的最大直径以及最大直径垂直方向的直径，取其算术平均值作为坍落扩展度。

参照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中的水泥砂浆泌水率试验方法进行装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的泌水率测试。将新拌的装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料分2 次装入2 L 的容量筒中，将容量筒加盖并静置，自静置起30 min 内，每隔15 min用吸液管吸出泌水，之后每隔30 min 吸1 次泌水，直到连续3 次吸不出泌水为止。称取泌水的总质量，泌水率为泌水的总质量与容量筒中流态填筑材料总用水量的比值。

参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中的立方体抗压强度试验方法进行装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的抗压强度测试，试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，强度测试的加载速度为0.3 kN/s。

2 不同掺合料对流态填筑材料的影响

粉煤灰、钢渣粉、磷石膏、矿粉、污泥焚烧灰和钠基脱硫灰等掺合料对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料坍落扩展度、泌水率、抗压强度的影响结果见表4。

表4 不同掺合料对流态填筑材料性能的影响表4 Influence of different admixtures on the properties of flow backfill materials

2.1 流动性

不同掺合料对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料流动性能的影响如图2所示。

图2 不同掺合料对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料流动性的影响Fig.2 The influence of different admixtures on the fluidity of renovation and demolition waste flow backfill materials

由图2 可见：钢渣粉对流态填筑材料坍落扩展度的影响不明显，粉煤灰、磷石膏、矿粉、污泥焚烧灰、钠基脱硫灰的掺入均会降低流态填筑材料的坍落扩展度；其中污泥焚烧灰的掺入对坍落扩展度的影响最明显，当其掺加量分别为30%、50%时，流态填筑材料坍落扩展度较纯水泥固化时分别降低约9.0%和13.0%；钢渣粉、钠基脱硫灰的掺入会略提高流态填筑材料的坍落扩展度，随着其掺加量由30%增加到50%，流态填筑材料坍落扩展度的增幅分别约为3.0%和2.0%。粉煤灰、磷石膏、矿粉、污泥焚烧灰的掺入会降低流态填筑材料的坍落扩展度，随着其掺加量由30%增加到50%，流态填筑材料坍落扩展度的降幅分别为5.0%、2.5%、3.5%和4.0%。

2.2 泌水率

不同掺合料对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料泌水率的影响如图3 所示。由图3 可见：粉煤灰、矿粉、污泥焚烧灰的掺入导致流态填筑材料的泌水率降低，这是因为粉煤灰、矿粉、污泥焚烧灰等掺合料的需水量较高，其掺入提高了浆体的保水性；其中，粉煤灰对流态填筑材料泌水性能的改善最为显著，其掺量为30%、50%时，材料泌水率较纯水泥固化时分别降低约35%和74%；磷石膏、钠基脱硫灰的掺入会使得泌水率提高，其中钠基脱硫灰对流态填筑材料泌水率的影响最显著，其掺量为30%、50%时，材料泌水率分别提高约93%和181%；随着钢渣粉掺量的增大，流态填筑材料的泌水率先降低后升高，与纯水泥固化相比，钢渣粉掺量为30%时泌水率降低约39%，掺量为50%时泌水率提高约90%。

图3 不同掺合料对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料泌水率的影响Fig.3 Influence of different admixtures on the bleeding rate of renovation and demolition waste flow backfill materials

2.3 抗压强度

不同掺合料对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料力学性能的影响如图4 所示。由图4 可见：矿粉对流态填筑材料力学性能的影响不大，其3、7、28 d抗压强度均与纯水泥接近；粉煤灰、钢渣粉、磷石膏、钠基脱硫灰、污泥焚烧灰的掺入会明显降低流态填筑材料的抗压强度；以掺量为30%时的28 d 抗压强度为例，与纯水泥固化装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料相比，掺入粉煤灰、钢渣粉、磷石膏、钠基脱硫灰、污泥焚烧灰后抗压强度分别降低约52%、67%、57%、53%和76%；随着各掺合料掺量的增加，装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的力学性能均有所降低，但降幅差异较大；当掺入量从30%增加到50%时，以28 d 抗压强度为例，掺合料为矿粉、钢渣粉、钠基脱硫灰、粉煤灰、污泥焚烧灰和磷石膏时抗压强度的降幅分别约为4%、28%、29%、38%、41%和72%。

图4 不同掺合料对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料力学性能的影响Fig.4 Influence of different admixtures on the mechanical properties of renovation and demolition waste flow backfill materials

综上所述，掺入污泥焚烧灰后装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料流动性的降幅最明显，而粉煤灰对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料流动性的调控效果最显著；粉煤灰对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的泌水改善效果最显著，而装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料泌水率可通过改变钢渣粉的掺量来调控；矿粉对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料力学性能的影响不明显。综合考虑性能改善效果和成本因素，后续考虑使用粉煤灰、钢渣粉、矿粉复配出装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料用水泥基固化材料。

3 基坑回填用装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的开发与工程示范

3.1 项目概况

本研究在上海某基坑回填中进行示范应用，该工程位于上海市闵行区，占地约30 666.7 m2，建设总投资约15～20 亿元。项目基坑肥槽宽度为0.8 m，深度为9.0 m，空间狭窄，其回填总方量近8 000 m3方。基坑肥槽现场图及基坑施工平面图如图5 所示，采用传统渣土回填方式施工困难，且难以回填密实，此处更适合用流态填筑材料进行回填。

图5 基坑肥槽现场图及基坑施工平面图Fig.5 Foundation pit fertilizer tank site drawing and foundation pit construction plan

3.2 基坑回填用流态填筑材料的开发

该基坑回填工程一般存在回填施工面狭窄、回填空间有碾压盲区等问题，对流态填筑材料有较高的流动性要求，但对材料强度无特别要求。根据相关掺合料对流态填筑材料性能影响的结论，选用粉煤灰、矿粉为掺合料，通过调节掺合料掺量及种类，并微调水固比和灰砂比，设计了3 组配合比，见表5。

表5 基坑回填用流态填筑材料的配合比Tab.5 Mix ratio of flow filling material for foundation pit backfill

试件成型后，测试坍落扩展度、泌水率、抗压强度以及表观密度、干密度、收缩率等，以确保材料工程性能。为确保材料的环境安全性，对回填材料硬化后可浸出重金属含量进行了检测，结果见表6。

表6 基坑回填用流态填筑材料的性能Tab.6 Properties of flow filling materials for foundation pit backfill

根据表6 可知，在流动性方面，将灰砂比、水固比分别控制在0.16 和0.30～0.35，装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的坍落扩展度可达到700 mm，可满足基坑回填工程的需求。当粉煤灰掺量为70%时流态填筑材料坍落扩展度初始值为715 mm，60 min 后坍落扩展度的经时损失为25 mm；而当粉煤灰掺量降低至50%时，流态填筑材料坍落扩展度初始值增大至860 mm，60 min 后坍落扩展度仍可达到855 mm，自流平性能稳定；使用矿粉替代部分粉煤灰后，流态填筑材料坍落扩展度初始值略降低至830 mm。

在抗压强度方面，降低粉煤灰掺量有助于提高流态填筑材料的抗压强度。当粉煤灰掺量为70%时，流态填筑材料28 d 抗压强度为1.5 MPa，仍低于2 MPa，适用于有二次开挖需求的回填工程；当粉煤灰掺量为30%、矿粉掺量为20%时，流态填筑材料28 d抗压强度为6.0 MPa，7 d抗压强度达到3.1 MPa，这适用于有早强需求或有一定承载需求的回填工程；当粉煤灰掺量为50%时，流态填筑材料28 d抗压强度为3.4 MPa，其强度适中，适用于基坑回填工程。

在泌水率方面，降低粉煤灰掺量可提高流态填筑材料的泌水率。粉煤灰掺量分别为70%、50%时，流态填筑材料的泌水率仅为1.5%和1.7%；而当粉煤灰掺量为30%、矿粉掺量为20%时，流态填筑材料的泌水率增大至4%。

此外，3 种配合比流态填筑材料的表观密度、干密度、收缩率均满足工程需求，铬、铜、锌、铅、镉、砷、汞等重金属均未浸出，满足环境安全要求。

综合考虑工程需求、材料性能和工程成本，最适用于该基坑回填工程的装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料配合比如下：灰砂比为0.15，水固比为0.32，粉煤灰掺量为50%。

3.3 基坑回填施工及效果分析

根据所选择的装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料配比，在混凝土拌站中集中生产，经混凝土罐车运输至项目部，装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料初始坍落扩展度为850 mm，3 h 后坍落扩展度为750 mm，坍落扩展度损失在可施工允许范围内。

采用溜槽法将装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料倒入基坑肥槽中，每个溜槽大致可覆盖100～150 m回填区域，如图6（a）所示。项目北侧边界临近道路，空间狭窄，无法采用溜槽法进行施工，改为使用泵车将装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料泵送至基坑肥槽内，如图6（b）所示。泵送过程中未出现材料离析、堵泵等现象。

图6 装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料溜槽法施工和泵送施工现场图Fig.6 Chute construction pumping construction of renovation and demolition waste flow backfill materials

按项目部要求，将装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料回填至距肥槽顶面约2 m 处。回填面平整，16 h 后可进行工人施工，7 d 后材料的抗压强度达到1.5 MPa。综合计算原材料费用、加工费、运输费、税费以及测试化验费后得出，装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的综合成本约为119 元/m3，具有良好的经济效益和环境效益。

4 结语

（1） 掺入污泥焚烧灰后，装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的流动性降幅最明显，而装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料泌水率可通过改变钢渣粉掺量进行调控；矿渣粉对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料力学性能的影响不显著，而粉煤灰对装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的泌水改善效果最显著。

（2） 控制装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的灰砂比为0.16左右、水固比为0.30～0.35，坍落扩展度可达到700 mm，满足基坑回填工程需求。降低粉煤灰掺量有助于提高流态填筑材料的抗压强度，但泌水率也会相应提高。粉煤灰掺量为70%时，装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的抗压强度低于2 MPa，适用于有二次开挖需求的回填工程；粉煤灰掺量为30%、矿粉掺量为20%时，装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的抗压强度达到6 MPa，适用于有早强需求或有一定承载需求的回填工程；粉煤灰掺量为50%时，装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的强度适中，适用于基坑回填工程。

（3） 控制装修垃圾和拆房垃圾流态填筑材料的灰砂比为0.15、水固比为0.32、粉煤灰掺量为50%，并将其应用于上海某工程基坑回填中，通过溜槽法、泵送法回填基坑肥槽，具有良好的经济效益和环境效益。