利用工业废弃物制备可控低强度材料概述.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除利用工业废弃物制备可控低强度材料（CLSM）概述摘要：可控低强度材料（CLSM）的具有强度低、流动性好、有效利用废弃物的典型特点。以粉煤灰、水泥窑灰、矿山酸性排渣等为例介绍了当前CLSM 在大量利用工业废弃物研究的一些规律。最后文中还讨论了CLSM 的优点和在应用过程中应该注意的一些问题。关键词：CLSM，低强度，高流动性，工业废弃物1 CLSM 的定义针对目前工业废弃物的排放日益增加，不仅占用大量的土地资源，造成诸多的二次污染问题，同时与环境保护要求不断提高愈发不相协调。有关工业废弃物的有效再利用日益成为各个高校和研究所的研究热点。可控低强度材料就是其中之一，可控低强度材料（CLSM,controlled low strength material）由美国混凝土协会（ACI 116R）定义为：28 天抗压强度不大于8.3MPa 的材料。CLSM 的典型组成为水泥、粗细集料（比如砂或者某些工业固体废弃物）、水和以粉煤灰为代表的其它工业废弃物（包括具有火山灰活性和不具有火山灰活性）。CLSM 的其它名称有：可控密实填充材料（CDF，controlled density fill）；流动砂浆（flowablemortar）;（flowable fill）：流动填充材料（lean mix backfill）：贫水泥回填材料等等。事实上，可控低强度材料是一系列具有不同用途的低强度材料的总称。例如，强度较高的材料可用于建筑物下的建筑回填，而经掺入泡沫材料的低强度、低密度的可控低强度材料则可以用于隔热回填料。所以对于具体的应用，应当从技术、经济的角度出发，选择CLSM的类型。可控低强度材料不同于混凝土，也不同于水泥，这种材料不需要养护或者压实，其强度比混凝土低得多，但是可以与压实回填料相当。可控低强度材料不要求有较好的抗冻融性、抗磨蚀、抗化学侵蚀能力。这种材料比土质或者砂粒回填材料贵，但是这种材料比传统的回填材料有许多优越的性能。2 CLSM 的显著特点2.1 低强度大多数用于回填的CLSM 抗压强度变化范围是0.35-2.00MPa，保证在以后能够进行二次回填，通过适当调整材料组分的含量可以获得更高的抗压强度。CLSM 的水泥含量一般为50-100Kg/m3，用以提供所需的强度。与结构混凝土相比较低性能要求使得可以利用工业废弃物为原料生产CLSM。S. Turkel1研究得出由含有低掺量火山灰水泥、高掺量的C 级粉煤灰和压碎石灰石制备的CLSM 在365 天的抗压强度为1.162.80MPa 范围内。2.2 高流动性CLSM 不是一种结构材料，因此不能认为是混凝土。CLSM 是一种能够代替密实土壤主要用作回填材料的流动性胶凝材料，这种流动性填充材料要求不经过捣筑和压实就能够获得要求的强度，所以可以设计为流态状，CLSM 主要用于难以或者不可能应用可以填充材料的土木工程的回填中（ACI 229, 1999），因为在那些地方浇注和捣实是很困难的。在致密或者密集的地方，回填材料的扩展和压实通常通过人工完成，耗费操作时间，提高操作成本。通过加入大量水或者掺入引气剂、塑化剂等外加剂（有时基于成本的考虑不掺加外加剂）从而获得较好的工作性。具有高度流动性的类似混凝土的材料一般粘结性较差，所以需要大量掺入细集料，否则有离析的危险。因为CLSM 的力学性能低于混凝土的力学性能，所以在生产CLSM 时可以大量掺入细粒物料来改善材料的工作性能而不破坏其力学性能。这也是大量工业废物得以有效利用的原因。M.A. Gabr 和John J. Bowders2研究了以矿山酸性排渣（AMD）和粉煤灰制备的典型CLSM，其扩展度达到229mm，在许多试验中根据这个扩展度来确定需水量，而且当波特兰水泥的含量为2.5，石灰的含量为2.5时，CLSM 能够获得229的合适扩展度，当波特兰水泥的含量大于2.5，扩展度接近215，认为是合适工程应用的，而当石灰的含量大于2.5时，扩展度为180，认为流动度太低，而不适合工程应用。以粉煤灰为典型代表的工业废弃物，颗粒形状为球形，能够充分发挥其形态效应，提高了CLSM 的流动性，以至于这种材料容易施工，需要一点或者不需要捣筑和压实。2.3 大量利用工业废弃物在许多国家，如何处理由各行各业产生的工业废物材料是一个严重的问题。工业化造成了工业废弃物和副产物的逐渐增加，为了适应迅速增长的世界人口，原材料和汽油的需求量也在逐渐增加。这又明显以产生废弃物的形式带来许多的环境问题，同时提高了水体资源、大气资源和土壤资源污染的可能性。废物的安全处理成本高，而且缺少合理设计的处理场地，在处理这样的废弃物的同时能够不对环境造成不利影响。因此，近年来已有研究关于研发利用废弃物材料和工业副产物的有效方法，使其有害影响达到最小甚至消除。建筑工业是安全利用废弃物的拥有美好前景的领域。众所周知，在30 多年前，诸如利用粉煤灰、硅灰、煤粉燃灰、粒状高炉矿渣等工业副产物部分代替水泥提高混凝土结构的耐久性，增强新拌混凝土（例如工作性、泌水率）和硬化混凝土（例如强度）性能。另一个应用就是将这种材料作为可控低强度材料加以有效再利用。CLSM 是一种由水泥、砂、水和粉煤灰为典型组分组成的料浆。砂和水泥是CLSM 的主要组分；用废弃物材料代替水泥或者天然砂是有吸引力、有受益的再利用选择。CLSM 能够利用的工业废弃物主要包括：粉煤灰、水泥窑灰、沥青混凝土尾砂、燃煤底灰以及采石场尾砂、水泥旁道灰、焚化炉灰、铜矿渣、矿山酸性排渣、改性的水库污泥、废旧铸造模砂、以及循环利用的玻璃等等。一般来说，由于这些工业废弃物含有大量的极细颗粒或者强度较低的性能特点，是不适合用于工业建设中。大多数国际标准在混凝土应用中限制细颗粒（颗粒能够通过200 号筛0.075mm）在碎砂的16%（前欧洲12620：2000）或7%（ASTM C33）。CLSM 也称为流动填充材料，可以作为一种较好的方法大掺量利用细颗粒材料，同时又不会削弱CLSM 的性能。Butalia3等研究发现再利用烟气脱硫（FGD，fuel gas desulfurization）石膏作为一种流动回填材料在可灌筑性、抗压强度和可回填性方面与普通的流动回填材料具有可比性,还提出掺有掺合料和外加剂比传统的快凝流动填充材料具有优良的性能。Pierce 和Blackwell 以及Siddique 和Naik 6，7提出将橡胶边角料作为轻集料应用于流动回填材料中，能够大量用于诸如桥基回填、沟壕回填等工程以及地基和支撑回填。Katz 和 Kovler 8研究了工业副产物在生产CLSM 中的应用。五种不同的工业副产物分别是：水泥窑灰、沥青混凝土尾砂、粉煤灰、炉底灰和采石场尾砂。结果表明CLSM 当含有大量灰（质量的25-50%）在大多数情况下可以获得优良的性能，特别是加入的废弃物具有诸如粉煤灰和水泥窑灰的某些水泥或火山灰潜在活性。近来，Al-Harthy 9等提出流动填充材料的水量对强度的影响。研究中所用的水来自Oman 的四大主要产油田。结果表明：与使用饮用水相比，使用非饮用水获得的强度较低。然而，所有类型的水仍然能够获得对于流动填充材料可以接受的0.35-3.5MPa 的28 天抗压强度。3 主要利用的工业废弃物3.1 粉煤灰（FA，Fly ash）粉煤灰是目前利用效率最高的工业废弃物。在发达国家和国内诸如北京、上海等城市粉煤灰被广泛应用于水泥厂、商品混凝土搅拌站等等，在某些电厂相对不是很集中的地方甚至出现供不应求的状况。粉煤灰是在电厂燃煤过程中产生的副产物。世界范围内燃煤电厂每年以废弃物形式产生数百万吨粉煤灰。土耳其西部的Soma热电厂每年产生粉煤灰4，000，000吨，但只有0.49%被利用，剩余部分以废渣填埋形式废弃了1。同时粉煤灰也是最主要和常见的CLSM原料，在利用其它工业废弃物时总会引入粉煤灰组分。ACI委员会报告已经作出规定：粉煤灰（C级和F级）可以用相对低掺量的水泥来激发它的火山灰活性用来生产CLSM填充材料。S. Turkel1研究了以低掺量的火山灰水泥和高掺量的C级粉煤灰和石灰石集料制备的CLSM具有良好的流动性，所有CLSM的火山灰水泥的质量保持恒定为粉煤灰质量的5%，28天抗压强度在0.85-1.15MPa范围内，能够作为一种低强度材料。实验还发现CLSM与密实土壤相比有着更高的抗折性能。CLSM的7天龄期的抗折强度、抗滑应力等性能都超过了传统回填材料的相应性能，所以CLSM适合用于回填。S. Turkel还研究了10CLSM的长期技术性能和物理性能，诸如毛细吸水量和EP毒性。CLSM的28天毛细吸水量数值在1.43103- 2.08103 cm2/s。同时发现增加细集料含量，水/（火山灰水泥+粉煤灰）比也增加，毛细吸水系数也增加。Amnon Katz和 Konstantin Kovler8研究发现含有粉煤灰的CLSM试样后期强度高，一定程度上高于考虑到试样中水泥潜在活性的预期强度值。从理论上讲，水泥水化过程中产生的Ca（OH）2只能够一部分和粉煤灰反应，有限的增加强度。水泥含量为50kg的粉煤灰试样后期强度高于水泥含量为100kg的试样的28天强度，需要对这一现象的机理做更深入的研究。3.2 水泥窑灰（CKD，cement kiln dust）水泥窑灰（CKD），也称为旁道灰，是水泥生产的副产物。CKD是细粒颗粒材料，主要由取自生产熟料的高温过程中的静电收尘器的氧化的、无水的、微小颗粒组成。CKD的化学组成取决于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。国外对于CKD的有效利用主要有高速公路、土壤固化、水泥砂浆和混凝土应用、CLSM原料等等。在美国每年产生将近15，000，000吨CKD（美国环境保护署，1993年）。水泥窑灰具有在许多方面的再利用潜力，但是再利用这种副产物材料的最好途径是在水泥生产过程中的再利用。这在某些水泥窑设备中经常是不可行的。在美国产生的CKD总量的60-70%（8-8.4，000，000吨）以这种方式再利用（美国环境保护署，1993年）。CKD的最普遍的有效利用有土壤固化、废弃物处理、代替水泥、沥青路面和其它应用。Al-Jabri 和Pierce4，5 等研究了水泥窑灰或者水泥旁道灰（CBPD）在CLSM中的应用。两者的研究结果表明加入水泥窑灰能够生产强度很低的材料，能够提供与应用在传统回填或者其它低强度应用中的土壤相当的强度。Amnon Katz和 Konstantin Kovler8研究了使用五种工业副产物制备可控低强度材料（CLSM）。他们使用了水泥窑灰（CKD）、沥青混凝土的尾砂（AD）、粉煤灰（FA）、炉底灰（BA）和采石场尾砂（QW）。在所有的试样中都使用了普通波特兰水泥（OPC）（粉煤灰的10%）。为了达到恒定的流动度200mm调整加入的水量。得出的结论主要有：（1）粉煤灰、沥青混凝土尾砂和水泥窑灰的颗粒尺寸极细，而炉底灰和采石场尾砂较粗。颗粒的形状影响需水量，为了得到恒定的流动度，通过增加细废料的含量显著增加了需水量，因为圆形颗粒的需水量较小。水泥量的增加伴随着碎砂含量的相应减少。由于炉底灰的多孔特性和粗糙表面，需要增加水量。采石场尾砂中大量的细颗粒是导致水量增加的直接原因。由于粉煤灰的球形形状以及缓凝现象，含有粉煤灰的试样泌水率值高（比沥青混凝土尾砂试样大两倍，比水泥窑灰试样大三倍）；（2）水泥窑灰的胶结能力在早期增大了拌合物的稠度，有利于减少这些拌合物的泌水；（3）增大细废料的含量略微增加了FA和CKD拌合物的凝结时间，但是显著增加了沥青混凝土拌合物的凝结时间，因为沥青混凝土尾砂是完全惰性的材料。用炉底灰代替碎砂，由于炉底灰影响了凝结过程中的化学作用，缩短了拌合物的凝结时间。然而，当使用采石场尾砂时，由于细材料的高含量显著增加了凝结时间。以水泥质量的2%和5%添加CaCl2作为缓凝剂，分别缩短了14%-35%的缓凝时间。（4）在含有粉煤灰和沥青混凝土尾砂的混合物基体中只检测到少许的细裂缝。在表现较大收缩的水泥窑灰试样中检测到较粗的裂缝；（5）增大细废料的含量到原来的两倍增大了体积变化以及开裂的趋势；含有粉煤灰和沥青混凝土尾砂的试样收缩增大了几乎75%，但是水泥窑灰试样几乎增大了300%；（6）在所有试样中增加水泥的含量，减少了收缩和开裂的趋势：而增加采石场尾砂的含量显著增加了收缩，因为在这种细废物中含有粘土。研究发现早期收缩与试样的泌水率成反比。水泥窑灰拌合物的泌水很小，表现出最大的收缩，因为水分是从材料体中蒸发而不是从材料表面。只要有足够可用的水分从表面蒸发，粉煤灰和沥青混凝土尾砂拌合物的收缩就小；（7）导致需水量增加的参数也会影响总吸收，当细废料的含量增加或者使用多孔材料（炉底灰）时，总吸收量显著增加。R.A. Taha等11研究了水泥旁道灰、焚化炉灰、铜矿渣在CLSM中的应用，对由各种组分不同比例制备的CLSM进行了坍落度、单位容重以及无侧限抗压强度测试。所制备的试样在常温下密封于塑料袋中养护。实验结果发现养护方法和时间对于CLSM的强度有相当大的影响，室温下养护比在密封塑料袋中养护的强度高。设计使用废弃物材料、水泥和砂的拌合物产生的强度值高于使用废弃物材料完全代替水泥制的拌合物的强度。因此，建议将焚化炉灰、铜矿渣和水泥旁道灰与水泥混合使用以增强它们的火山灰活性。虽然添加铜矿渣获得的强度结果可以接受，但是可以预期在CLSM中使用铜矿渣完全代替砂能够获得更好的性能。铜矿渣比砂的吸收性小，强度高。对于在CLSM中铜矿渣的有效利用有必要作进一步的研究。3.3 矿山酸性排渣（AMD，Acid mining drainage ）M.A. Gabr 和John J. Bowders 2研究了用矿山酸性排渣（AMD）和粉煤灰制备CLSM。AMD 是一种石灰基工业废弃物，与粉煤灰混合后，表现的自我硬化特性与水泥相似，AMD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 进行处理得到的，由AMD制备的CLSM 的典型配比为矿山酸性排渣（AMD）：10，波特兰水泥：2.5，F 级粉煤灰：87.5（该研究中粉煤灰的掺量不小于80）。实验发现所有试样随着AMD 矿泥的百分数不同，比重在2.52.7 之间，与普通土壤的比重值2.6-2.8 具有相似之处；含有水泥的CLSM 在不到24 小时硬化（应用于快速施工），与矿山酸性排渣的含量无关；含有石灰的CLSM 硬化时间从含有矿山酸性排渣的2 天变化到不含有矿山酸性排渣的14.5 天；CLSM 的流动度与粘度之间存在相关性。由于试样采用波特兰水泥作为胶凝剂，当粘度为22002650cp 是流动度可以相应达到229。由于含有石灰，对应于229流动的粘度范围为1500-3375cp；当试样中水泥和AMD 矿泥的含量均为10时，无侧限抗压强度从7 天的0.64MPa 增大到28 天的0.442MPa；若水泥和AMD矿泥的含量均为10的试样超出了最高的回填强度限制值。3.4 改性水库污泥（OMRS，Organo-modified reservoir sludge）在台湾，相当多的水库淤泥在垃圾填埋场日益难以处理，同时产生了严重的处理问题。与焚化的生活污泥灰不同，水库污泥由大量的蒙脱石粘土组成，当与水混合时会引起一定程度的有害膨胀。因此，水库污泥不能作为细集料在混凝土中直接使用，在研究中必须首先被改性然后用作水泥砂浆中的细集料。 Wen-Yih Kuo12等研究了用有机改性的水库污泥（OMRS ，Organo-modified reservoir sludge）代替细集料的百分含量超过80%，可以用于可控低强度材料中。鉴于CLSM 主要用于回填，对于其它的回填材料也做一些介绍：德国和前苏联等国家在70 年代开展了全尾砂膏体泵送充填技术研究13, 全尾砂膏体泵送充填的特点是料浆浓度大, 其重量浓度可达75 %85 % ,呈牙膏状。由于膏体的塑料粘度和屈服切应力大,必须采用加压输送。膏体料浆象塑性结构体一样在管道中作整体运动, 膏体中的固体颗粒一般不发生沉淀, 层间也不出现交流, 膏体在管路中呈柱状流动。孙恒虎13等提出高水固化速凝材料用于矿山回填。该充填工艺技术的实质是: 以高水速凝固化材料作胶凝剂, 使用全尾砂作充填骨料, 按一定的配比加水混合后, 形成高水固结充填料浆。根据工艺设备条件和现场技术的要求, 充填料浆浓度在30 %70 %之间变化, 充入采场后不脱水便可以凝结为固态充填体。4 CLSM 的优点（1）能够有效而且大量利用各种工业废弃物，相对于商品混凝土搅拌站和水泥厂来说，CLSM 对于粉煤灰等工业废弃物的质量要求相对低得多，但是用量却要大得多；（2）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；（3）简单易得，原材料来源广泛，水泥品质要求较低，在原材料准备好之后可以在现有的混凝土搅拌站搅拌生产并运输至指定地点；（4）使用范围广泛，比如：开放式涵洞、露天矿山、衬里、桥梁底下施工、涵箱的内部和周围、排水渠或者排水管的内部或者周围以及其它具体的回填应用等等，但CLSM的应用不仅仅局限于此。（5）CLSM 消耗了大量的废弃物，但不会对环境造成二次污染和潜在的污染；（6）CLSM 便于施工、节省了操作时间（8m3 的回填材料只需要3 分钟的工作时间），减少了人工投入，抗压强度可控、就地施工成本低，使得CLSM 要优于传统的回填方法。Landwermeyer 和Rice14提出这种材料是经济的、节约劳力的、并且不会由于变化的空气湿度而引起不良的影响。5 需要注意的几个问题：5.1 浸出危险CLSM是高浸出性材料，并且应用于例如填充、废渣填埋场的衬里材料，所以应该研究它们对环境可能造成的影响。组成粉煤灰的细颗粒含有可浸出的重金属，因此Carlson、Adriano和Ferreira15等把粉煤灰定义为有毒废弃物。有关CLSM应用的主要环境问题是某些组分可能会浸出渗入地下水中，达到一定的浓度会对人身健康造成潜在危害。S. Turkel 10在进行EP毒性测试之后，测得了八种重金属的浓度：分别是砷、钡、镉、铬、铅、汞、硒和银。实验结果表明，选出的CLSM的所有重金属的浓度都要低于EPA规定的限值。因此，CLSM不会对地下水产生危害。同时根据EPA标准CLSM是环境合格型材料。Amnon Katz*和 Konstantin Kovler8指出当工业废物被包裹在CLSM 材料中时，大多数痕量元素的浸出率显著减少。只有Fe 的浸出率增加，原因是水泥和碎砂中存在Fe。同样，Al 的浸出率相对减少较少，也可能是因为水泥和碎砂中存在Al。5.2 二次回填困难CLSM的强度若高于周围的土壤，势必给二次回填带来困难。CLSM的28抗压强度通常不大于8MPa，从技术要求的角度出发，要求严格将CLSM的强度控制在较低的水平，在许多流动回填中，有些回填材料的28天强度低至0.7MPa，但是CLSM的强度值远远大于大多数天然土壤，这导致回填部分的强度高于周围土壤。如果CLSM中含有火山灰活性的组分，在后期如果要进行二次回填，强度值太高可能会造成问题。所以当有必要进行二次回填的时候其365天的抗压强度要求低至1.16-2.80MPa。参考文献1 S. Turkel 2007. Strength properties of fly ash based controlled low strength materials. Journal ofHazardous Materials2 M.A. Gabr, J.J. Bowders. 2000. Controlled low-strength material using fly ash and AMD sludge. J.Hazard. Mater. 76: 2512633Butalia TS, Wolfe WE, Lee JW. 2001. Evaluation of a dry FGD material as a flowable fill. Fuel.80:845504 Al-Jabri K, Taha R, Al-Harthy A, Al-Oraimi S, Al-Nuaimi A. 2002. Use of cement by-pass dust inflowable fill mixtures. 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