CN103030347A

CN103030347A - 一种低强度回填材料配合比的控制方法

Info

Publication number: CN103030347A
Application number: CN2012105456149A
Authority: CN
Inventors: 凌建明; 杨戈; 钱劲松; 张宏; 袁秋
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN103030347B

Abstract

本发明涉及程混凝土工程领域，特别是涉及一种低强度回填材料配合比的控制方法。本发明提供的控制方法，包括如下步骤：1）粉煤灰和砂石混合流动曲线的绘制：流动曲线的横坐标是粉煤灰取代砂石的比例K1，纵坐标是水固比K2，根据确定的坍落扩展度，绘制流动曲线；其中水固比K2=水的质量：水泥、粉煤灰和沙石质量之和，粉煤灰取代砂石的比例K1=沙石质量：沙石和粉煤灰质量之和；2）确定最佳用水量：得出最佳用水量点，并确定沙石和粉煤灰的掺量；3）确定水泥掺量：根据实际需要的抗压强度确定水泥和水的掺量。通过本发明所提供的控制方法配制出的CLSM是一种密实，少空隙的材料，施工时便易，混合料均匀，不发生过离析。

Description

一种低强度回填材料配合比的控制方法

技术领域

本发明涉及市政工程和公路工程混凝土工程领域，特别是涉及一种低强度回填材料配合比的控制方法，用于三背（桥台背、涵台背、挡墙背）等与结构物界面存在死角、难以碾压夯实的特殊部位。

背景技术

市政工程中的管沟开挖回填或者公路工程中的三背（桥台背、涵台背、挡墙背）回填，往往由于施工操作空间狭小，传统回填材料（土质填料、级配砂石填料等）与结构物界面存在死角，导致碾压夯实质量难以保证，常常诱发工程病害发生。

控制性低强度回填材料（Controlled Low-Strength Materials，CLSM）是一种新颖的水泥质材料，其在新拌阶段具有良好的流动性、自充填、自密实性，硬固强度可控以便于再开挖，能有效地取代传统的回填夯实材料，可以广泛应用于道路回填工程中。

控制性低强度回填材料的组成为水、水泥、粉煤灰及粗细骨料等。相对混凝土而言，CLSM是一种新型材料与技术，大家对它的认识与研究还处在发展阶段，远不如对混凝土认识的深刻与全面。目前为止，仅仅只有某些机构或者组织提供出一些推荐配合比，还没有一套可供实际工程设计选用的简便易行的CLSM混合料配合比设计方法。

另外，粉煤灰是我国当前排放量最大的工业废渣之一，大量的粉煤灰若不加处理，会产生扬尘污染大气，而其中的有毒化学成分（砷、铅、锰、铬等）还会对人体和生物造成危害。粉煤灰在可控性低强度材料中的运用，不仅起到了改善流动性、防止骨料离析、减少泌水、干缩等作用，还提高了粉煤灰自身的经济附加值，起到了节能减排和低碳化的作用，符合我国可持续发展战略。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于克服以上现有技术的不足，提供一种简便易行的适合于低强度回填材料的配合比控制方法，以提供具有较好的经济性及较好的工程表现的材料，用于三背（桥台背、涵台背、挡墙背）等与结构物界面存在死角、难以碾压夯实的特殊部位。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种低强度回填材料的配合比控制方法，包括如下步骤：

1、粉煤灰和砂石混合流动曲线的绘制：

流动曲线的横坐标是粉煤灰取代砂石的比例K1，纵坐标是水固比K2，根据确定的坍落扩展度，绘制流动曲线；流动曲线的意义是，曲线上任意一点所对应的CLSM配合比具有相同的流动性，流动性用坍落扩展度来表征，所述坍落扩展度的测量方法是：采用高度200mm，内径100mm的金属坍落度圆筒进行测试；

其中水固比K2为水的质量：（水泥质量+粉煤灰质量+沙石质量），粉煤灰取代砂石的比例K1为沙石质量：（沙石质量+粉煤灰质量）；

2、确定最佳用水量：根据步骤1所得的流动曲线，得出最佳用水量点，并确定沙石和粉煤灰的掺量；由于步骤1所得流动曲线中，随着K1的上升，K2先下降，再上升，形成勺型，其最佳用水量点即最小用水量点，即勺型的底部；

3、确定水泥掺量：根据实际工程需要的低强度回填材料的抗压强度，确定水泥和水的掺量；

优选的，所述步骤1中，水泥质量占水泥、粉煤灰和沙石总质量的0.1-10%。

优选的，所述步骤1中，水泥质量占水泥、粉煤灰和沙石总质量的5%。

发明人发现，当水泥掺量占水泥、粉煤灰和沙石总质量的较低时，水泥的掺量对于最小用水量的影响不大，所以在具体步骤中，可将水泥的掺量定于5%以便于流动曲线的绘制。

优选地，所述步骤1中，绘制流动曲线所采用的坍落扩展度为28cm。

具体的，所述步骤1中，流动性曲线的绘制方法为对应每一个K1值，制备好足量的原材料（总质量一般取2500±300g），将干料在拌合锅内搅拌均匀，然后逐步添加室温自来水并搅拌，直至原材料表面完全润湿后开始量测材料的坍落扩展度。如果坍落扩展度小于28cm，逐渐增加用水量（一般每次增加量为10-20mL），直至坍落扩展度等于28cm。此时的水固比即为流动性曲线上该K1所对应的K2值。

对于原材料种类确定的控制性低强度回填材料来说，其流动曲线是唯一的。

所述流动曲线上，随着K1的上升，K2先下降，再上升，当K1小于最佳用水量点时，混合料会出现骨料离析（水固比高）、无流动（水固比低）的现象。当K1逐渐高相应的相同流动性所需用水量逐渐降低，直到最佳用水量点，达到了最低用水量，粉煤灰掺量超过最佳用水量点所对应掺量以后，达到相同流动性所需用水量逐渐升高，直至粉煤灰掺量100%，达到最大用水量。曲线的拐点即最佳用水量点。当K1小于最佳用水量点时，随着K1的升高，K2反而降低，其原因是因为粉煤灰的形态效应，对材料流动性改善有积极的作用；当K1大于最佳用水量点时，随着K1的升高，K2升高，是因为粉煤灰掺量较高时，颗粒在静电吸附作用下形成絮凝结构，使得CLSM的粘滞性增加，流动性降低。

流动性曲线描绘的就是采用同种原材料的CLSM在不同配合比下需水量的变化情况，对于采用砂石及粉煤灰的CLSM来说，均应存在拐点，即最佳用水量点，理想流动曲线如图1所示。

具体的，所述步骤3中，根据实际工程需要的低强度回填材料的抗压强度，确定水泥和水的掺量的具体方法为：根据工程情况，选择低强度回填材料目标28天抗压强度f_目标。对于一般可开挖回填，常选择f_目标=0.7Mpa。对于不可开挖的回填工程选择f_目标=1.1MPa。按照步骤1得到的最少需水量点对应的K1、K2，确定粉煤灰的质量和砂石的质量比例，以及水的质量与水泥、粉煤灰和砂石质量之和的比例，再选取若干水泥掺量，例如2%、4%、6%、8%、10%（也可1%，3%，5%，7%,9%,只需在0-10%之间即可，无差别），根据所选取的水泥掺量确定最终的水、砂石、水泥和粉煤灰的质量比，并将所得材料制备成组件（直径100mm，高200mm）、养护28天后测量抗压强度，根据各组件所测量的抗压强度，计算f_目标所对应的水泥掺量，其计算方法为：

根据工程所需目标材料的28天抗压强度f_目标，选取两个抗压强度最接近的组件，所述两个抗压强度最接近的组件的水泥掺量分别为C_左、C_右，对应抗压强度分别为f_左、f_右，使用线性插值法，计算出28天强度f_目标所对应的水泥掺量为：

优选的，所述若干水泥掺量的范围在0-10%之间。

各水泥掺量可在0-10%之间随意选取，其原因在于发明人发现，在低水泥掺量时，虽然水泥掺杂量有所变化，但是其流动曲线并无明显变化，所以本发明先选用水泥掺量占水泥、粉煤灰和沙石总质量的0-10%之中的一个点，先绘制出流动曲线，再根据该流动曲线，选取合适的水泥掺量以制备一定抗压强度的CLSM。

优选的，所述组件包括5组试件，每组3个平行试件（直径100mm，高200mm）。置于标准养护室养护，28天后从养护室中取出并测试试件的无侧限抗压强度值，每组三次测量取平均值。

若测试所得强度最大组试件的强度平均值小于f_目标，说明采用所选原材料经济性很差，宜重新选择原料。

本发明第二方面提供一种低强度回填材料的配合比控制方法在控制性低强度回填材料领域的应用。

本发明第三方面提供一种低强度回填材料，由水泥、粉煤灰和天然砂石和水组成，其各组分组成由所述低强度回填材料的配合比控制方法计算获得，各组分的重量份如下：

水泥 100份；

粉煤灰 300-900份；

天然砂石 1300-2100份；

水根据流动性确定。

优选的，所述低强度回填材料的抗压强度为0.7-1.1MPa。

优选的，所述水泥选自普通硅酸盐水泥P.O.32.5、P.O.42.5，或复合硅酸盐水泥P.C.32.5、P.C.42.5。

优选的，所述粉煤灰中游离氧化钙含量≤3.0%，烧失量≤15.0%。

优选的，所述粉煤灰细度≤45%，需水量比≤115%，三氧化硫含量≤3%。

优选的，所述天然砂石选自细砂、中砂和粗砂中的一种。

优选的，所述天然砂石为中砂，细度模数为2.3-3.0，平均粒径为0.25-0.5mm。

优选的，所述低强度回填材料，各组分的重量份如下：

水泥 100份；

粉煤灰 350-470份；

天然砂石 1400-1900份；

水 530-720。

本发明中所述重量除水以外，均为干重量。

本发明所提供的可控性低强度材料主要由水泥、粉煤灰、天然砂石和水制成，在低水泥掺量的前提下，依然能够达到所需的抗压强度，且具有良好的流动性、匀质性，施工简单，而且强度连续可控，具有较佳的体积稳定性及耐久性。可用混凝土拌合设备进行制备，可广泛应用于市政工程中的管沟开挖回填及公路工程中的三背（桥台背、涵台背、挡墙背）回填。

本发明中最少需水量点的选用，达到了对低强度回填材料配合比进行性能控制。选用“最少需水量点”所对应的配比作为设计配比时具有以下两个优点：

1）CLSM配比设计的目标是配置出一种密实，少空隙的材料。“最少需水量”点给出了最低水固比，因此其孔隙率也是最低。较少的用水量也可以起到节约水泥用量的作用。

2）配比设计时，不仅要考虑流动性，还要考虑施工便易性，混合料均匀性，是否易发生过离析等等。在高粉煤灰掺量（“最少需水量点”以后）时，混合料粘滞性较大，拌合所需时间较长，会增加现场施工的困难。

附图说明

图1理想流动曲线图；

图2实施例1中所测得的流动曲线图。

图3为长江口细砂流动性曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1：

选用某建筑用中砂（细度模数为2.3-3.0，平均粒径为0.35mm的砂石）作为细集料，粉煤灰采用Ⅲ级粉煤灰（细度不大于45%，需水量比不大于115%，烧失量不大于15%，含水量不规定，三氧化硫含量不大于3%），绘制流动性曲线如图2所示。

由流动性曲线可得，最少用水量点在F/(F+S)=20%附近取得。取对应K1=20%，K2=0.288进行配合比设计。工程为一般回填工程，取f_目标=0.7Mpa。

水泥掺量分别取2%、4%、6%、8%、10%，制备5组试件，每组3个平行试件（直径100mm，高200mm）。置于标准养护室养护，28天后从养护室中取出并测试试件的无侧限抗压强度值，每组所得平均值如表1。

表1实例1试件强度测试结果

可见f_目标=0.7MPa落在0.648和1.352两个强度之间，即C_左=4%、C_右=6%，对应抗压强度为f_左=0.648Mpa、f_右=1.352Mpa。假设强度与水泥掺量之间是线性关系，使用线性插值，计算出28天强度为f_目标对应的水泥掺量预估值为

则所得配合比按重量份计为水泥掺量4.1%，粉煤灰掺量20%×（1-4.1%）=19.2%，砂掺量1-4.1%-19.2%=76.7%，水掺量为K₂=28.8%。

最终确定使用的配合比是水泥：粉煤灰：砂集料：水=4.1:19.2:76.7:28.8。

按照上述配合比制备道路流动性回填实验材料，现场拌合的过程中拌合物组成材料未产生分离现象，混合物各部分较为均匀，未出现离析现象。现场实测孔隙率为34.1%。将上述混合物制作3组试件，每组3个平行试件（直径100mm，高200mm）。置于标准养护室养护，28天后从养护室中取出并测试试件的无侧限抗压强度值，每组所得平均值如表2。

表2设计配合比28d无侧限抗压强度测试结果

3组试件强度平均值为0.720MPa，能够达到设计要求。

实施例2：

参照实例1，最少用水量点在F/(F+S)=20%附近取得。取对应K₁=20%，K₂=0.288进行配合比设计。若上述材料用于不可开挖回填工程，设计强度值取f_目标=1.1Mpa。

由表1结果可知，f_目标=1.1Mpa落在强度值0.648和1.352之间，C_左=4%、C_右=6%，对应抗压强度为f_左=0.648Mpa、f_右=1.352Mpa。假设强度与水泥掺量之间是线性关系，使用线性插值，计算出28天强度为f_目标对应的水泥掺量预估值为：

则所得配合比按重量份计为水泥掺量5.3%，粉煤灰掺量20%×（1-5.3%）=18.9%，砂掺量1-5.3%-18.9%=75.8%，水掺量为K₂=28.8%。

最终确定使用的配合比是水泥：粉煤灰：砂集料：水=5.3:18.9:75.8:28.8。

按照上述配合比制备道路流动性回填实验材料，现场拌合的过程中拌合物组成材料未产生分离现象，混合物各部分较为均匀，未出现离析现象。现场实测孔隙率为24.6%。将上述材料制作3组试件，每组3个平行试件（直径100mm，高200mm）。置于标准养护室养护，28天后从养护室中取出并测试试件的无侧限抗压强度值，每组所得平均值如表3。

表3设计配合比28d无侧限抗压强度测试结果

3组试件强度平均值为1.104MPa，能够达到设计要求。

实施例3：

长江口某冲积岛，为改善岛上电信服务质量，需要埋设光纤管道。由于岛上富有长江口细砂，而其他集料相对缺乏，因此，选取长江口细砂作为原材料集料组分，平均粒径为0.15mm。水泥选用当地市场最普遍的325级复合硅酸盐水泥，粉煤灰为电厂低钙三级灰。该工程为普通道路回填工程，无特殊要求。因此道路流动性回填材料的流动性要求取坍落扩展度28cm，设计强度取为28天无侧限抗压强度f_目标=0.7MPa。

配合比设计具体流程如下：

绘制所选原材料的流动性曲线，如图3所示，根据流动性曲线得出：“最少需水量点”为F/(F+S)＝20%所对应点，“最少需水量点”对应的粉煤灰取代砂的比率K₁=20%，水固比K₂=0.41。

分别按初定配合比和对比配合比，制备3组试件，每组5个平行试件（直径100mm，高200mm）。置于标准养护室养护，28天后从养护室中取出并测试试件的无侧限抗压强度值，最终强度取平行试件强度均值。分别记为f₀、f₁、f₂。

表4 28d强度试验结果

计算、调整配合比：

由室内试验结果可得，f₀=494KPa，f₁=249KPa，f₂=888KPa。f_目标=700KPa落在f₀与f₂之间，假设强度与水泥掺量之间是线性关系，采用线性插值，计算出28天强度为f_目标对应的水泥掺量预估值为

则各组分用量按重量份计分别是：

水泥掺量=5.8%

粉煤灰掺量=(1-5.8%)×20%=18.8%

砂集料掺量=(1-5.8%)×(1-20%)=75.4%

水掺量=41%

最终确定使用的配合比是水泥：粉煤灰：砂集料：水=5.8:18.8:75.4:41。

按照上述配合比制备道路流动性回填实验材料，现场拌合的过程中拌合物组成材料未产生分离现象，混合物各部分较为均匀，未出现离析现象。现场实测孔隙率为32.3%。将上述拌合料制作3组试件，每组3个平行试件（直径100mm，高200mm）。置于标准养护室养护，28天后从养护室中取出并测试试件的无侧限抗压强度值，每组所得平均值如下表。

表5设计配合比28d无侧限抗压强度测试结果

3组试件强度平均值为0.739MPa，能够达到设计要求。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种低强度回填材料的配合比控制方法，包括如下步骤：

1）粉煤灰和砂石混合流动曲线的绘制：流动曲线的横坐标是粉煤灰取代砂石的比例K1，纵坐标是水固比K2，根据确定的坍落扩展度，绘制流动曲线；其中水固比K2=水的质量：水泥、粉煤灰和沙石质量之和，粉煤灰取代砂石的比例K1=沙石质量：沙石和粉煤灰质量之和；

2）确定最佳用水量：根据步骤1所得的流动曲线，得出最佳用水量点，并确定沙石和粉煤灰的掺量；

3）确定水泥掺量：根据实际工程需要的低强度回填材料的抗压强度，确定水泥和水的掺量。

2.如权利要求1所述的一种低强度回填材料的配合比控制方法，其特征在于，所述步骤1中，水泥质量占水泥、粉煤灰和沙石总质量的0.1-10%。

3.如权利要求1所述的一种低强度回填材料的配合比控制方法，其特征在于，所述步骤1中，绘制流动曲线所采用的坍落扩展度为28cm。

4.如权利要求1所述的一种低强度回填材料的配合比控制方法，其特征在于，所述步骤3中，根据实际工程需要的低强度回填材料的抗压强度，确定水泥和水的掺量的具体方法为：根据工程情况，选择低强度回填材料目标28天抗压强度f_目标，按照步骤1得到的最少需水量点对应的K1、K2，确定粉煤灰的质量和砂石的质量比例，以及水的质量与水泥、粉煤灰和砂石质量之和的比例，再选取若干水泥的掺量，根据所选取的水泥掺量确定最终的水、砂石、水泥和粉煤灰的质量比，并将所得材料制备成组件、养护后测量抗压强度，根据各组件所测量的抗压强度，计算f_目标所对应的水泥掺量，其计算方法为：

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的一种低强度回填材料的配合比控制方法在控制性低强度回填材料领域的应用。

6.一种低强度回填材料，由水泥、粉煤灰和天然砂石和水组成，各组分的重量份如下：

水泥 100份；

粉煤灰 300-900份；

天然砂石 1300-2100份；

水根据流动性确定。

7.如权利要求6所述的一种低强度回填材料，其特征在于，所述水泥选自普通硅酸盐水泥P.O.32.5、P.O.42.5，或复合硅酸盐水泥P.C.32.5、P.C.42.5。

8.如权利要求6所述的一种低强度回填材料，其特征在于，所述粉煤灰中游离氧化钙含量≤3.0%，烧失量≤15.0%。

9.如权利要求6所述的一种低强度回填材料，其特征在于，所述天然砂石选自细砂、中砂和粗砂中的一种。