钛石膏基可控低强度材料的制备工艺与性能优化研究

钛石膏基可控低强度材料的制备工艺与性能优化研究一、引言1.1研究背景与意义1.1.1研究背景在现代工业发展进程中，各类工业副产物的产生与处理成为了备受关注的环境与资源问题。钛石膏作为硫酸法生产钛白粉过程中产生的大宗工业废渣，其产量巨大且增长态势显著。据相关统计数据显示，每生产1吨硫酸法钛白粉，便会伴随产生6-10吨的钛石膏。随着全球钛白粉产业的持续扩张，我国钛石膏的年排放量已逼近3000万吨，且累计堆存量更是数以亿吨计。如此庞大的钛石膏堆存量，给生态环境带来了沉重的负担。一方面，大量土地被占用用于堆放钛石膏，导致土地资源的浪费与可利用面积的减少；另一方面，钛石膏中含有的酸性物质、重金属元素以及其他有害物质，极易在自然环境中发生迁移转化，进而对周边土壤、水体和大气环境造成严重污染。例如，钛石膏中的酸性成分可能会导致土壤酸化，影响土壤的肥力和微生物活性，从而对农作物的生长产生不利影响；其中的重金属元素，如铅、锌、镉等，可能会通过土壤-植物系统进入食物链，对人体健康构成潜在威胁。与此同时，在道路回填、地基处理、地下工程等众多土木工程领域，对于优质回填材料的需求日益增长。传统的回填材料，如土质填料、级配砂石填料等，在实际应用中暴露出诸多问题。在管沟开挖回填或公路工程的“三背”（桥台背、涵台背、挡墙背）回填等施工场景中，由于操作空间狭窄，传统回填材料难以充分填充结构物与土体之间的死角，导致压实质量难以保证，进而容易引发工程病害，如路基沉陷、路面开裂等，不仅影响了工程的使用寿命，还增加了后期维护成本。可控低强度材料（ControlledLow-StrengthMaterial，CLSM）作为一种新型的水泥基回填材料，凭借其独特的性能优势，逐渐在工程领域崭露头角。CLSM具有高流动性、自流平、自密实等特性，能够在自重作用下无需或仅需少量振捣即可自行填充到复杂的施工空间中，有效解决了传统回填材料存在的填充不密实、死角难以处理等问题。此外，CLSM还具有较低的强度，其28d无侧限抗压强度一般不超过8.3MPa，在实际应用中通常要求低于2.1MPa，这种低强度特性使得CLSM在满足工程基本承载要求的同时，便于后期开挖，降低了工程改造和维护的难度。然而，目前CLSM的制备原料多依赖于天然资源，这不仅加剧了资源的短缺，还增加了制备成本。因此，寻找一种可持续、低成本的原料来制备CLSM，成为了工程领域亟待解决的问题。1.1.2研究意义本研究致力于利用钛石膏制备CLSM，这一探索具有多方面的重要意义。从环境保护角度来看，钛石膏的大量堆存已成为严重的环境隐患，对其进行资源化利用迫在眉睫。通过将钛石膏应用于CLSM的制备，可以有效减少钛石膏的堆存量，降低其对环境的潜在危害，实现工业废渣的减量化和无害化处理。这不仅有助于缓解土地资源紧张的局面，还能减少环境污染，保护生态平衡，促进可持续发展。在资源利用方面，钛石膏虽然是工业废渣，但其中富含硫酸钙等有用成分，具备作为建筑材料原料的潜力。将钛石膏用于制备CLSM，实现了工业废弃物的资源化利用，变废为宝，提高了资源的利用效率，减少了对天然资源的依赖，符合循环经济和绿色发展的理念。从工程应用角度而言，CLSM在道路回填、地基处理等工程中具有广阔的应用前景。利用钛石膏制备的CLSM，不仅可以继承CLSM原有的优良性能，如高流动性、自密实性等，还可能因其独特的化学成分和微观结构，展现出一些特殊的性能优势，如更好的耐久性、抗渗性等。这将为工程建设提供一种性能更优、成本更低的回填材料选择，有助于提高工程质量，降低工程成本，推动土木工程领域的技术进步。综上所述，本研究对于解决钛石膏的环境问题、实现资源的高效利用以及促进CLSM在工程领域的广泛应用具有重要的理论和实践意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外对于可控低强度材料（CLSM）的研究起步较早，在CLSM的性能研究、应用领域拓展以及钛石膏在CLSM中的利用等方面都取得了一定的成果。在CLSM性能研究方面，美国材料试验协会（ASTM）对CLSM的性能测试制定了一系列标准，如ASTMC143、ASTMD6103用于测定CLSM的流动性，规定坍落扩展度低于150mm为低流动性，150-200mm为一般流动性，大于200mm为高流动性；ASTMC403用于测量CLSM的凝结时间。美国许多大学和国家交通部门对CLSM的性能进行了全面深入的研究。路易斯维尔大学和普渡大学通过大量实验，研究了CLSM原材料的组成、配合比等因素对其流动性、强度、耐久性等性能的影响规律。研究表明，CLSM的流动性受水灰比、外加剂等因素影响显著，适当增大水灰比或添加减水剂可有效提高其流动性；而强度则与水泥用量、骨料特性等密切相关，合理调整这些因素可使CLSM满足不同工程对强度的要求。在应用领域，CLSM在欧美地区得到了广泛的应用。美国国家交通部门将CLSM应用于小跨径桥梁和涵洞的施工，爱荷华州交通部将其作为桥梁工程的回填土使用。在市政工程中，CLSM用于管沟开挖回填，利用其高流动性和自密实特性，有效解决了传统回填材料在狭小空间难以压实的问题，提高了工程质量和施工效率。在道路工程中，CLSM可用于道路基层和底基层，为道路提供稳定的支撑，同时其低强度特性便于后期道路改造时的开挖作业。关于钛石膏在CLSM中的利用，国外也有相关研究。一些研究尝试将钛石膏作为部分胶凝材料或骨料替代物用于CLSM的制备。通过对不同钛石膏掺量的CLSM进行性能测试，发现适量的钛石膏掺入会影响CLSM的凝结时间、强度发展和体积稳定性。当钛石膏掺量较低时，对CLSM的强度影响较小，且能在一定程度上改善其工作性能；但当掺量过高时，CLSM的强度会明显下降，体积稳定性也会变差。此外，国外研究还关注钛石膏的预处理方法对CLSM性能的影响，如通过煅烧、水洗等方法去除钛石膏中的杂质，提高其纯度，从而改善CLSM的性能。1.2.2国内研究现状国内在钛石膏基CLSM的制备与性能研究方面也取得了不少进展。近年来，随着对工业废弃物资源化利用的重视程度不断提高，国内众多科研机构和高校纷纷开展了相关研究工作。在制备工艺方面，研究人员通过大量试验探索了不同原材料的配合比、添加剂的种类和用量以及制备工艺参数对钛石膏基CLSM性能的影响。浙江大学朱浩泽等人以钛石膏为原料制备钛石膏基CLSM，采用无侧限抗压强度试验方法和体积稳定性试验方法，研究了建筑渣土取代率、水固比、钛石膏掺量与激发剂掺量等因素对CLSM抗压强度和体积稳定性的影响。试验结果表明，CLSM早期强度随着建筑渣土取代率的增加而增大，但膨胀率有所下降；增大水固比会降低强度，膨胀率随之增加；增大钛石膏掺量，CLSM的强度与膨胀率均会降低，当钛石膏掺量为70%（质量分数）时，CLSM体积呈收缩趋势，且在14d时收缩率基本达到最大，而生石灰掺量的增加，则会改善CLSM的收缩，起到一定的补偿收缩作用。在性能研究方面，国内研究主要集中在钛石膏基CLSM的强度特性、流动性、凝结时间、耐久性等方面。北京工业大学王建刚等将建筑垃圾细料应用于早强型控制性低强度材料（CLSM）中，考察促凝剂掺量、促凝剂类型、水固比与胶集比等因素对CLSM的工作性能、力学性能及抗干缩性能的影响。研究发现，通过合理调整这些因素，可以制备出满足工程要求的早强型CLSM，提高建筑垃圾的资源化利用水平，同时缩短道路管沟回填的施工周期。在应用研究方面，国内也积极探索钛石膏基CLSM在实际工程中的应用。目前，钛石膏基CLSM已在一些道路回填、地基处理等工程中进行了试点应用，并取得了较好的效果。在某道路桥台背回填工程中，使用钛石膏基CLSM代替传统回填材料，施工过程中CLSM的高流动性使其能够充分填充桥台背的复杂空间，有效避免了压实不密实的问题；经过一段时间的使用监测，该路段未出现明显的沉降和病害，证明了钛石膏基CLSM在道路回填工程中的可行性和有效性。然而，从整体来看，钛石膏基CLSM在国内的应用范围仍相对较窄，尚未形成大规模的产业化应用，还需要进一步加强研究和推广。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究旨在深入探究钛石膏基可控低强度材料（CLSM）的制备工艺、性能特征及其微观结构，以实现钛石膏的高效资源化利用，并为CLSM在工程领域的广泛应用提供理论支持和技术依据。具体研究内容如下：钛石膏基CLSM的制备工艺研究：通过大量试验，系统研究不同原材料（如钛石膏、水泥、骨料、外加剂等）的配合比，以及制备过程中的工艺参数（如搅拌时间、搅拌速度、养护条件等）对钛石膏基CLSM性能的影响。确定制备钛石膏基CLSM的最佳原材料配方和制备工艺，以获得满足工程要求的高流动性、合适强度和良好体积稳定性的CLSM。钛石膏基CLSM的性能研究：全面测试钛石膏基CLSM的各项性能，包括流动性、凝结时间、无侧限抗压强度、抗渗性、抗冻性、体积稳定性等。分析不同因素对这些性能的影响规律，如钛石膏掺量、水泥用量、水灰比、外加剂种类和掺量等。例如，研究钛石膏掺量对CLSM强度的影响时，设置不同的钛石膏掺量梯度，通过无侧限抗压强度试验，绘制强度-钛石膏掺量曲线，从而明确钛石膏掺量与强度之间的定量关系。通过这些研究，为钛石膏基CLSM在不同工程环境下的应用提供性能数据支持。钛石膏基CLSM的微观结构分析：运用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、压汞仪（MIP）等微观测试手段，对钛石膏基CLSM的微观结构进行深入分析。观察CLSM内部的微观形貌，如水泥石与骨料的界面过渡区、孔隙结构等；确定水化产物的种类和含量；分析微观结构与宏观性能之间的内在联系。例如，通过SEM观察不同养护龄期下CLSM的微观形貌变化，研究水化产物的生成和发展过程，从而解释养护龄期对CLSM强度发展的影响机制。钛石膏基CLSM性能影响因素的分析与优化：基于上述研究结果，综合分析影响钛石膏基CLSM性能的各种因素，包括原材料性质、配合比、制备工艺、养护条件等。通过正交试验、响应面分析等方法，建立性能影响因素的数学模型，对CLSM的性能进行优化设计。在保证CLSM性能满足工程要求的前提下，进一步提高钛石膏的掺量，降低生产成本，提高资源利用率。1.3.2研究方法本研究将综合运用试验研究、微观测试以及数据分析等多种方法，确保研究的科学性、全面性和准确性。试验研究法：依据相关标准和规范，开展大量的配合比试验，制备不同原材料组成和工艺参数的钛石膏基CLSM试件。按照ASTMC143、ASTMD6103标准测定CLSM的流动性，通过坍落扩展度试验来评估其在不同配合比下的流动性能；参照ASTMC403标准测量CLSM的凝结时间；采用无侧限抗压强度试验（依据ASTMD2166标准）测试不同龄期下CLSM的强度；通过抗渗性试验（如采用逐级加压法测定渗透高度和渗透压力）和抗冻性试验（按照慢冻法或快冻法进行循环冻融试验）研究CLSM的耐久性；利用体积稳定性试验（如测量试件在养护过程中的长度变化）分析其体积变化情况。通过这些试验，获取大量的试验数据，为后续的研究提供基础。微观测试法：运用扫描电子显微镜（SEM）对CLSM的微观形貌进行观察，分析水泥石与骨料的结合情况、孔隙结构以及水化产物的形态和分布。采用X射线衍射仪（XRD）对CLSM中的物相组成进行分析，确定水化产物的种类。利用压汞仪（MIP）测定CLSM的孔隙结构参数，如孔隙率、孔径分布等。通过这些微观测试方法，深入了解CLSM的微观结构特征，揭示微观结构与宏观性能之间的内在联系。数据分析与优化法：运用统计学方法和数据分析软件，对试验数据进行整理、分析和处理。采用正交试验设计方法，合理安排试验方案，减少试验次数，提高试验效率。通过方差分析、回归分析等方法，确定各因素对CLSM性能的影响显著性和影响规律。建立性能影响因素的数学模型，如强度与各因素之间的回归方程，通过优化算法对模型进行求解，得到满足性能要求的最佳配合比和工艺参数。利用响应面分析法，直观地展示各因素之间的交互作用对CLSM性能的影响，进一步优化CLSM的性能。二、钛石膏基CLSM概述2.1CLSM定义与分类2.1.1CLSM的定义可控低强度材料（ControlledLow-StrengthMaterial，CLSM）是一种具有独特性能的新型水泥基回填材料。美国混凝土协会（ACI229R）将其定义为“一种自密实的，主要用于密实填充的水泥质材料”，其28d无侧限抗压强度不得超过8.3MPa，在实际应用中通常要求低于2.1MPa。CLSM具有高流动性、自流平、自密实等特性，在自重作用下无需或仅需少量振捣即可自行填充到复杂的施工空间中，形成均匀、密实的结构。CLSM的典型组成包括水泥、粗细集料（如砂、某些工业固体废弃物等）、水以及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的废弃物）。水泥作为胶凝材料，为CLSM提供强度；粗细集料构成材料的骨架，影响其体积稳定性和强度；水用于拌合，使各组分混合均匀并参与水泥的水化反应；工业废弃物的掺入不仅可以降低成本，还能实现资源的综合利用，符合可持续发展的理念。与传统回填材料相比，CLSM具有显著的优势。在管沟开挖回填工程中，传统回填材料如土质填料、级配砂石填料等，由于操作空间狭窄，难以充分填充结构物与土体之间的死角，导致压实质量难以保证，容易引发工程病害，如路基沉陷、路面开裂等。而CLSM凭借其高流动性和自密实性，能够轻松填充这些狭小空间，确保回填的密实度，有效减少工程病害的发生。2.1.2CLSM的分类CLSM的分类方式主要有两种，一种是根据其是否具有可开挖性进行分类，另一种是依据其具体用途来划分。根据可开挖性，CLSM可分为可开挖控制性低强度材料与不可开挖控制性低强度材料。可开挖控制性低强度材料的强度相对较低，便于后期进行开挖作业。当CLSM的无侧限抗压强度低于0.35MPa时，仅需以人工方式即可完成再开挖；抗压强度介于0.7MPa-1.4MPa时，可使用小型挖土机完成开挖。这种可开挖性使得CLSM在一些可能需要后期改造或维修的工程中具有重要应用价值，如地下管线铺设工程，若后期需要对管线进行维修或更换，可开挖的CLSM能够降低施工难度和成本。不可开挖控制性低强度材料则具有较高的强度，主要用于对强度要求较高、不需要后期开挖的工程部位，如一些基础支撑结构的回填。Brewer根据CLSM的具体用途，将其分为以下几类：CLSM-CDF：主要用于回填在安装或维修地下管线（自来水、下水道、电信、电力、石油、天然气等）工程或其他工程中形成切口的可控性低强度材料。在此类应用中，CLSM-CDF主要承担掩埋与荷载传递功能，不提供结构性支撑作用。在城市自来水管道铺设后的回填作业中，CLSM-CDF能够有效填充管道周围的空隙，保护管道不受外力挤压，同时将上部荷载均匀传递到下层土体。CLSM-CSF：用于工程建设或维修过程中结构填充的可控性低强度材料。CLSM-CSF除了具有掩埋覆盖作用外，更主要的是承担、传递荷载与支撑结构作用。在建筑物基础与周边土体之间的填充工程中，CLSM-CSF能够增强基础与土体的连接，提高结构的稳定性，有效传递建筑物的荷载。CLSM-CPB：是用于路面基层的可控性低强度材料。它为路面提供稳定的支撑，保证路面的平整度和承载能力。在道路建设中，CLSM-CPB作为路面基层材料，能够分散车辆荷载，减少路面的变形和损坏，延长道路的使用寿命。CLSM-CTF：用于隔热或导热的可控性低强度回填材料。根据工程对隔热或导热性能的要求，通过调整CLSM的组成材料和配合比，使其具备相应的隔热或导热特性。在一些需要隔热的建筑工程中，如冷库的地面和墙体回填，CLSM-CTF可以有效阻止热量的传递，保持室内的低温环境。CLSM-ACF：主要是指用于防腐蚀的可控性低强度回填材料。通过添加特殊的防腐蚀添加剂或采用具有防腐蚀性能的原材料，使CLSM能够在腐蚀性环境中保护被回填物体，防止其受到腐蚀破坏。在化工企业的地下设施回填中，CLSM-ACF可以抵御化学物质的侵蚀，确保设施的安全运行。CLSM-CPF：为符合对回填材料渗透性能要求的可控性低强度回填材料。在一些对渗透性能有严格要求的工程中，如水利工程的堤坝回填、垃圾填埋场的防渗层回填等，CLSM-CPF能够通过合理的配合比设计，满足工程对渗透系数的要求，防止液体渗漏。需要注意的是，上述CLSM分类之间只是相对的，一种CLSM材料可能在一项工程中有多项功能与作用，只是CLSM的某种性能为工程关心之重，其他则次要而已。在某城市综合管廊工程中，所使用的CLSM既需要具备良好的流动性以填充管廊周围的狭小空间（类似CLSM-CDF的功能），又要能够承担一定的荷载，为管廊提供支撑（类似CLSM-CSF的功能），同时还可能对其渗透性能有一定要求（类似CLSM-CPF的功能）。2.2CLSM的基本工程性质2.2.1流动性流动性是CLSM区别于砂、石等传统回填材料的一个显著特性，也是保证其施工质量和效率的关键因素。正是由于CLSM良好的流动性，使得其具有自我填充、自流平及自我密实的功能特性，不需额外的机械振动夯实，从而可替代传统级回填材料，用于管沟、三背等狭小操作空间的回填工程中，有效降低因碾压夯实质量不合格而引起的工程质量问题。CLSM的流动性主要通过调整材料组合配比来实现，特别是水灰比或水胶比的变化对其流动性能影响显著。增大水灰比或水胶比，可使CLSM拌合物中自由水含量增加，从而提高流动性；但水灰比或水胶比过大，可能会导致离析、泌水等问题，影响CLSM的工作性能和硬化后的性能。此外，外加剂的使用也能有效调节CLSM的流动性。减水剂能够在不增加用水量的前提下，显著提高CLSM的流动性；引气剂则通过引入微小气泡，改善拌合物的和易性，间接提高流动性。目前，CLSM的流动性能评价主要借鉴混凝土的做法，采用坍落与坍落扩展度指标评价CLSM的流动性能。在美国，ASTM制定了专门测试CLSM流动性的试验规程ASTMD6103《可控性低强度材料流动性的标准试验方法》，根据所测定的坍落扩展，将CLSM流动性分为三级：坍落扩展度低于150mm为低流动性，适用于较大空间的管沟、路基等回填工程；坍落扩展度在150-200mm为一般流动性，适用于一般的回填工程；坍落扩展度大于200mm为高流动性，适用于狭窄操作空间或存在死角等回填工程，但对泌水现象有特殊要求的要验证其适用性。在某城市地下综合管廊的回填工程中，由于管廊内部空间狭窄且结构复杂，存在较多的死角，因此需要使用高流动性的CLSM，通过调整水灰比和添加减水剂，使CLSM的坍落扩展度达到250mm，确保了CLSM能够在自重作用下充分填充管廊周围的空间，保证了回填质量。2.2.2离析与泌水性CLSM良好的流动性主要借助掺入大量的拌合水，提供水灰比或水胶比获得。然而，拌合物中大量自由水的存在，往往容易导致CLSM拌合物组成材料之间的粘聚力不足以抵抗粗集料下沉，拌合物相互分离，内部组成和结构不均匀的离析现象。同时，往往伴随多余的自由水从拌合物中析出，聚集在表面，即泌水现象。这与传统混凝土配比为达到高坍落度而发生离析与泌水的机理基本相同。离析和泌水现象会对CLSM的性能产生诸多不利影响。离析会导致CLSM内部结构不均匀，粗骨料集中在某些部位，而细粉料和水泥浆体集中在其他部位，从而影响CLSM的强度均匀性和耐久性。泌水则会使CLSM表面水分过多，导致表面强度降低，耐磨性变差；同时，泌水还可能在粗骨料下方形成水囊，硬化后形成孔隙，削弱界面粘结强度，使强度和耐久性下降；此外，泌水上升形成连通孔道，会削弱CLSM的抗渗性和耐腐蚀能力。为了改善因提高CLSM流动性而产生的离析与泌水现象，常通过添加一定量的掺合料来解决。泡沫剂、氯化钙或适宜的细集料粉煤灰等材料，能够增加拌合物组成材料间的凝聚性，降低离析与泌水现象发生的几率，改善CLSM的工作性能。通过提高拌合物的含气量，减少拌合物用水量，也能降低离析与泌水现象的发生，但仍能保持CLSM良好的流动性。在CLSM的制备过程中，添加适量的粉煤灰，不仅可以增加拌合物的粘聚力，减少离析和泌水，还能改善CLSM的后期强度发展和耐久性。2.2.3硬化时间CLSM的硬化时间是其重要的工程性质之一，它直接影响到施工进度和工程的后续作业。CLSM的凝结时间可参考ASTMC403标准进行测量。一般情况下，经过3-5h后，CLSM就可以达到理想的硬固状态。在正常施工条件下，CLSM浇筑后3-5小时内逐渐失去塑性，开始硬化，具备一定的强度，能够承受自身重量和轻微的外部荷载。然而，在一些特殊情况下，如工程比较紧急，需要加快施工进度时，也可通过添加早强剂、速凝剂等外加剂，促进CLSM的硬化时间。早强剂能够加速水泥的水化反应，使CLSM在较短时间内达到较高的强度；速凝剂则能使CLSM迅速凝结硬化，缩短凝结时间。在某道路抢修工程中，为了尽快恢复交通，在CLSM中添加了适量的速凝剂，使其在1小时内就达到了初凝状态，大大缩短了施工周期。但需要注意的是，外加剂的使用可能会对CLSM的其他性能产生影响，因此在使用时需要严格控制外加剂的种类和掺量，并通过试验验证其对CLSM性能的影响。2.2.4沉陷性沉陷性是CLSM在施工过程中需要关注的一个重要性质，大部分的沉陷现象发生于浇筑阶段。其沉陷的程度需视被释放出的游离水含量多寡而定，在高含水量的配比中，其沉陷量每米约可达1.04mm-2.08mm；若使用较低含水量来拌合，会有较少的沉陷甚至不产生沉陷。沉陷量的测定一般与泌水式样同时进行。沉陷性对工程的影响主要体现在两个方面。一方面，过大的沉陷可能导致回填部位的表面不平整，影响后续工程的施工质量。在道路工程中，如果CLSM回填后出现较大的沉陷，会使路面出现凹凸不平的情况，影响行车舒适性和安全性。另一方面，沉陷还可能导致CLSM内部结构的破坏，降低其承载能力和稳定性。在地基处理工程中，若CLSM因沉陷而出现内部孔隙增大或结构松散，可能无法有效承担上部结构的荷载，从而引发地基沉降等工程事故。为了控制CLSM的沉陷性，在配合比设计时，应合理控制水灰比或水胶比，避免含水量过高。通过添加适量的增稠剂、稳定剂等外加剂，也能提高CLSM的稳定性，减少沉陷的发生。选择级配良好的骨料，也有助于提高CLSM的密实度，降低沉陷的可能性。2.2.5强度特性无侧限抗压强度是表征CLSM强度的重要指标。一般抗压强度在0.35MPa-0.70MPa的CLSM与具有优良夯实性能土壤的抗压强度相当。硬化后的CLSM材料28d无侧限抗压强度不得超过8.3MPa，目前，国内外研发使用的CLSM，其抗压强度大部分不超过2.1MPa，主要以便CLSM易被开挖。CLSM的强度受到多种因素的影响。水泥用量是影响CLSM强度的关键因素之一，增加水泥用量可以提高CLSM的强度。当水泥用量从100kg/m³增加到150kg/m³时，CLSM的28d无侧限抗压强度可能会从1.0MPa提高到1.5MPa左右。骨料的种类和级配也对CLSM的强度有重要影响。级配良好的骨料能够形成紧密的骨架结构，提高CLSM的强度；而骨料的强度和硬度也会直接影响CLSM的强度。此外，水灰比或水胶比、外加剂的使用、养护条件等因素也会对CLSM的强度产生影响。水灰比过大，会导致CLSM的强度降低；外加剂的种类和掺量不当，可能会影响水泥的水化反应，从而影响强度；良好的养护条件，如适宜的温度和湿度，能够促进水泥的水化反应，提高CLSM的强度。2.2.6开挖性具有易开挖性是CLSM区别于传统混凝土材料的显著特性。研究人员常用无侧限抗压强度指标表征CLSM开挖的难易程度。研究认为CLSM无侧限抗压强度低于0.35MPa时，仅需以人工方式可完成再开挖；抗压强度介于0.7MPa-1.4MPa可使用小型挖土机完成开挖。在实际工程中，CLSM的开挖性对于后期工程的改造、维修或扩建具有重要意义。在地下管线铺设工程中，如果后期需要对管线进行维修或更换，可开挖的CLSM能够降低施工难度和成本。如果CLSM的强度过高，难以开挖，可能需要采用爆破等危险且成本较高的方法，不仅会对周围环境和设施造成影响，还会增加工程的安全风险和经济成本。因此，在设计CLSM时，需要根据工程的实际需求，合理控制其强度，以确保其具有良好的开挖性。2.2.7渗透性CLSM的渗透性是指其允许液体通过的能力，它对于一些对防水、防渗有要求的工程具有重要意义。一般而言，常规CLSM的渗透系数约在10⁻⁴cm/s-10⁻⁵cm/s，与一般粉细砂、粉质粘土渗透系数相当。CLSM渗透系数随粘结材料的减少而增加，细集料含量的增加而降低，可降低到10⁻⁷cm/s。CLSM渗透系数一般利用测试土的渗透实验方法进行测定，并根据其渗透系数的大小选择常水头或变水头渗透实验。在水利工程、垃圾填埋场等对防渗要求较高的工程中，CLSM的渗透性必须得到严格控制。在垃圾填埋场的防渗层回填中，如果CLSM的渗透系数过大，垃圾渗滤液可能会通过CLSM渗漏到地下水中，对地下水造成污染。为了降低CLSM的渗透性，可以采取多种措施。增加粘结材料的用量，如水泥的用量，能够提高CLSM的密实度，从而降低渗透系数。选择合适的细集料，并优化其级配，也能有效降低CLSM的渗透性。通过添加防水剂、减水剂等外加剂，改善CLSM的微观结构，减少孔隙和连通通道，也能降低其渗透性。三、钛石膏基CLSM的制备3.1原材料选择3.1.1钛石膏本研究选用的钛石膏来源于某硫酸法钛白粉生产企业。在硫酸法生产钛白粉的过程中，会产生大量含有3-5%硫酸的酸性废水，企业采用石灰石、石灰、电石渣等碱性物质进行中和处理，处理后产生的石膏经过压滤去水，便得到了本研究所需的钛石膏。一般情况下，每生产1吨钛白粉会伴随产生6-12吨钛石膏。钛石膏的主要成分是二水硫酸钙（CaSO₄・2H₂O），同时含有一定的杂质，具有以下特性：含水量高，通常在40%-50%左右，这使得钛石膏的粘度较大；呈弱酸性，pH值一般在4-6之间；刚从废渣处理车间出来时呈灰褐色，置于空气中，其中的二价铁离子逐渐被氧化成三价铁离子，从而变成红色（偏黄），因此钛石膏又名红泥、红、黄石膏。此外，钛石膏中有时会含有少量放射性物质，但我国尚未见有放射性超标的报道；一般还含有铅、锌、铜、镉、汞、砷、铬等重金属元素，不过在无害化处置后可以进行资源综合利用。为了满足制备钛石膏基CLSM的要求，需要对钛石膏进行预处理。首先，将钛石膏置于干燥箱内，在30℃恒温条件下干燥至恒重，以去除其中的大部分水分。接着，利用圆盘粉磨机对干燥后的钛石膏进行粉磨，使其颗粒细化，提高其反应活性。粉磨后的钛石膏过0.2mm方孔筛，控制筛余百分数为13.6%。然后，将粉磨后的钛石膏在180℃下煅烧3h，煅烧过程中，钛石膏中的二水硫酸钙会发生脱水反应，部分转化为半水硫酸钙，从而改变其晶体结构和活性。最后，将煅烧后的钛石膏在室温条件下陈化9d，使其性能更加稳定。经过预处理后的钛石膏，其含水量、颗粒细度、活性等指标都得到了有效控制，为制备性能优良的钛石膏基CLSM奠定了基础。3.1.2工程废土本研究采用的工程废土来源于某城市地下综合管廊施工项目。在地下综合管廊的建设过程中，会产生大量的废弃土，这些废土的产生不仅占用了大量的场地，还对环境造成了一定的影响。将这些工程废土用于制备钛石膏基CLSM，不仅可以实现废土的资源化利用，减少对环境的压力，还能降低CLSM的制备成本。在使用前，对工程废土进行了一系列处理。首先，对废土进行筛分，去除其中的大块杂物，如石块、树枝等，保证废土颗粒的均匀性。然后，采用水洗的方法，去除废土中的部分细颗粒和可溶性杂质，进一步提高废土的纯度。经过处理后的工程废土，其颗粒级配得到了优化，杂质含量显著降低。工程废土在CLSM中主要起到填充和骨架作用。废土中的颗粒可以填充在CLSM的空隙中，增加材料的密实度；同时，废土颗粒相互交织，形成一定的骨架结构，为CLSM提供了一定的强度和稳定性。研究表明，适量的工程废土掺入会影响CLSM的工作性能和强度。当工程废土掺量较低时，CLSM的流动性较好，但强度相对较低；随着工程废土掺量的增加，CLSM的强度会逐渐提高，但流动性会有所下降。因此，在制备CLSM时，需要根据具体的工程要求，合理控制工程废土的掺量。3.1.3矿粉与粉煤灰矿粉是由采石场、矿山等地采集的石灰、石英、石膏等物质，经过磨碎处理后得到的细粉末。其主要成分包括硅酸盐、氧化铝、氧化铁、钙和镁等，其中硅酸盐含量最高，可达50%-70%。矿粉与水泥混合后，可以减缓水化反应速度，提高混凝土的抗裂性和耐久性等性能。在CLSM中，矿粉的作用主要体现在以下几个方面：矿粉作为一种细粉末，可以填充水泥颗粒之间的空隙，使CLSM更加致密，从而提高其强度和耐久性。矿粉中的石英等物质能够减缓水泥的水化反应速度，减少CLSM的收缩和开裂，提高其体积稳定性。矿粉中的镁、钙等成分可以与水中的氢氧根离子反应生成水化镁、水化钙等胶体，进一步提高CLSM的强度和耐久性。粉煤灰是燃煤时排放的一种固体废弃物，颗粒细小，呈现出灰白色或淡灰色。其主要成分含有硅酸盐、氧化铝、氧化铁和钙等，其中硅酸盐含量最高，可达50%-70%。粉煤灰具有优异的活性，可以增强混凝土的耐久性、抗裂性和抗压性等性能。在CLSM中，粉煤灰发挥着重要作用：粉煤灰可以填充水泥颗粒之间的空隙，使CLSM更加密实，提高其抗渗性和耐久性。粉煤灰中含有较多的硅酸盐，可以与水中的钙离子反应生成水化硅酸钙胶体，增强CLSM的耐久性和抗裂性。粉煤灰中的硅酸盐还可以与水中的氢氧根离子反应，生成硅酸盐水化物，提高CLSM的强度。粉煤灰经循环使用后可提高CLSM的抗渗性、抗盐侵蚀性和抗镁盐侵蚀性。由于粉煤灰的颗粒比表面积大，吸附能力强，可以吸附水泥中的碱，并与碱反应消耗其量，从而降低碱-集料反应的风险。矿粉和粉煤灰的掺入会对CLSM的性能产生显著影响。随着矿粉和粉煤灰掺量的增加，CLSM的流动性会有所提高，这是因为它们的颗粒细小，能够填充在水泥颗粒之间，减少颗粒间的摩擦力。但当掺量过高时，CLSM的强度会有所下降，这是由于它们的活性相对较低，过多掺入可能会稀释水泥的胶凝作用。在某研究中，当矿粉和粉煤灰的总掺量从20%增加到40%时，CLSM的28d无侧限抗压强度从1.5MPa下降到了1.0MPa左右，而坍落扩展度则从200mm增加到了250mm。因此，在制备CLSM时，需要根据工程对强度和工作性能的要求，合理控制矿粉和粉煤灰的掺量。3.1.4天然砂天然砂在CLSM中主要起到骨料的作用，它构成了CLSM的骨架结构，对CLSM的强度、体积稳定性和工作性能都有着重要影响。在选择天然砂时，需要遵循一定的标准。从颗粒级配方面来看，良好的颗粒级配能够使砂粒之间相互填充，形成紧密的堆积结构，从而提高CLSM的密实度和强度。一般要求天然砂的颗粒级配符合相关标准，如细度模数在2.3-3.0之间，属于中砂范围。这样的砂粒粗细适中，既能保证CLSM具有良好的工作性能，又能提供足够的强度。若砂粒过细，会导致CLSM的需水量增加，流动性变差，且容易出现离析现象；若砂粒过粗，则会使CLSM的和易性变差，难以施工，同时也会影响其强度均匀性。天然砂的含泥量也是一个重要指标。含泥量过高会降低砂与水泥浆体之间的粘结力，从而影响CLSM的强度和耐久性。因此，通常要求天然砂的含泥量不超过3%。当含泥量超过这一标准时，需要对砂进行清洗处理，以降低含泥量，保证CLSM的性能。在实际工程中，如果使用含泥量超标的天然砂制备CLSM，可能会导致CLSM在硬化后出现裂缝、强度不足等问题，影响工程质量。此外，天然砂的坚固性也不容忽视。坚固性好的天然砂能够在CLSM中承受更大的荷载，不易破碎，从而保证CLSM的长期稳定性。一般通过硫酸钠溶液浸泡法等试验来检测天然砂的坚固性，要求其质量损失不超过一定范围。若天然砂的坚固性较差，在CLSM的使用过程中，砂粒可能会逐渐破碎，导致CLSM的结构破坏，强度降低。3.1.5碱激发剂碱激发剂是碱激发胶凝材料的关键组成部分，在化学中可视为催化剂。常见的碱激发剂包括苛性碱、含碱性元素的硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐等物质。在本研究中，选用的碱激发剂为氢氧化钠（NaOH）和硅酸钠（Na₂SiO₃）。碱激发剂激发钛石膏的原理基于火山灰反应。在一些火山灰质的混合料中，存在着一定数量的活性二氧化硅、活性氧化铝等活性组分。这些活性组分与氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硫铝酸钙等反应产物。对于钛石膏而言，其主要成分二水硫酸钙在碱激发剂的作用下，会发生一系列化学反应。以氢氧化钠为例，氢氧化钠在溶液中电离出氢氧根离子（OH⁻），氢氧根离子与钛石膏中的钙离子（Ca²⁺）结合，促进了钛石膏的溶解和水化反应。硅酸钠中的硅酸根离子（SiO₃²⁻）则可以与钙离子反应生成水化硅酸钙凝胶，这些凝胶物质填充在CLSM的孔隙中，增强了CLSM的强度和密实度。具体反应过程可表示为：CaSO₄・2H₂O+2NaOH→Ca(OH)₂+Na₂SO₄+2H₂O（钛石膏与氢氧化钠反应）；xCa(OH)₂+SiO₂+mH₂O→xCaO・SiO₂・nH₂O（氢氧化钙与活性二氧化硅反应生成水化硅酸钙）。在这个过程中，碱激发剂不仅促进了钛石膏的水化反应，还改变了水化产物的组成和结构，从而显著影响了CLSM的性能。3.1.6保水增稠材料与减水剂保水增稠材料在CLSM中起着至关重要的作用。CLSM由于具有高流动性的特点，拌合物中含有大量的自由水，在施工过程中容易出现泌水和离析现象。保水增稠材料能够有效增加拌合物的粘聚力和保水性，防止自由水的析出，从而避免泌水和离析的发生。它通过在水泥颗粒表面形成一层保护膜，阻止水分的快速流失，使CLSM在施工过程中保持均匀稳定的状态。常用的保水增稠材料有纤维素醚类、淀粉醚类、膨润土等。在本研究中，选用纤维素醚作为保水增稠材料。纤维素醚具有良好的水溶性和增稠性能，能够在CLSM拌合物中形成三维网状结构，增加拌合物的粘性和保水性。当纤维素醚掺量为0.1%-0.3%时，CLSM的泌水率明显降低，从原来的10%-15%降低到了5%以下，有效改善了CLSM的工作性能。减水剂则主要用于提高CLSM的流动性。在不增加用水量的前提下，减水剂能够显著降低水泥颗粒之间的表面张力，使水泥颗粒在水中更好地分散，从而提高CLSM的流动性。减水剂的作用原理是通过其分子结构中的活性基团，如磺酸基（-SO₃H）、羧基（-COOH）等，吸附在水泥颗粒表面，形成一层带有相同电荷的吸附层。由于同性电荷相互排斥，水泥颗粒之间的团聚现象得到抑制，从而使CLSM的流动性得到提高。在本研究中，选用聚羧酸系减水剂。聚羧酸系减水剂具有较高的减水率和良好的适应性，能够在较低掺量下发挥显著的减水效果。当聚羧酸系减水剂掺量为0.5%-1.0%时，CLSM的坍落扩展度从150mm-200mm提高到了250mm-300mm，满足了高流动性CLSM的施工要求。同时，减水剂的使用还可以减少CLSM的用水量，降低水灰比，从而提高CLSM的强度和耐久性。3.2制备工艺3.2.1原材料预处理钛石膏的预处理对于制备性能优良的CLSM至关重要。如前文所述，钛石膏通常含水量高、呈弱酸性且含有杂质，这些特性会影响CLSM的性能。将采集的钛石膏置于干燥箱内，在30℃恒温条件下干燥至恒重，去除其中大量的水分，以减少水分对后续制备过程和CLSM性能的影响。利用圆盘粉磨机对干燥后的钛石膏进行粉磨，使其颗粒细化，增加比表面积，提高反应活性。粉磨后的钛石膏过0.2mm方孔筛，控制筛余百分数为13.6%，确保颗粒细度符合要求。将粉磨后的钛石膏在180℃下煅烧3h，使其中的二水硫酸钙发生脱水反应，部分转化为半水硫酸钙，改变晶体结构和活性。将煅烧后的钛石膏在室温条件下陈化9d，使其性能更加稳定。工程废土的预处理同样不容忽视。在地下综合管廊施工等工程中产生的工程废土，可能含有大块杂物和杂质。对工程废土进行筛分，去除其中的石块、树枝等大块杂物，保证废土颗粒的均匀性。采用水洗的方法，去除废土中的部分细颗粒和可溶性杂质，进一步提高废土的纯度。经过处理后的工程废土，其颗粒级配得到优化，杂质含量显著降低，能够更好地参与CLSM的制备，为CLSM提供稳定的骨架结构。3.2.2配料与搅拌在配料过程中，各原材料的配比需要严格控制。根据前期的试验研究和相关经验，确定了以下基本配比范围（质量比）：钛石膏占20%-40%，工程废土占30%-50%，水泥占10%-20%，矿粉占5%-10%，粉煤灰占5%-10%，天然砂占10%-20%，碱激发剂（以氢氧化钠和硅酸钠计）占0.5%-2%，保水增稠材料（纤维素醚）占0.1%-0.3%，减水剂（聚羧酸系减水剂）占0.5%-1.0%。在实际制备过程中，可根据具体的工程要求和原材料特性，对配比进行适当调整。若工程对CLSM的强度要求较高，可适当增加水泥的用量；若对流动性要求较高，则可调整减水剂的掺量。搅拌顺序和时间对CLSM的性能也有重要影响。先将经过预处理的钛石膏、工程废土、水泥、矿粉、粉煤灰、天然砂等固体原材料加入搅拌机中，干拌3-5min，使各固体原材料充分混合均匀，确保后续反应的一致性。向搅拌机中加入计算好的水和碱激发剂溶液，搅拌5-8min，使水和碱激发剂与固体原材料充分接触，促进化学反应的进行。加入保水增稠材料和减水剂，继续搅拌3-5min，使这些外加剂均匀分散在拌合物中，发挥其保水增稠和提高流动性的作用。在搅拌过程中，要注意观察拌合物的状态，确保搅拌均匀，无结块、离析等现象。3.2.3含水率控制工程废土的含水率是一个重要的影响因素，其变化会对CLSM的制备工艺和性能产生显著影响。工程废土的含水率较高，会导致CLSM拌合物的实际水灰比增大。水灰比的增大会使CLSM的流动性增加，但同时也会降低其强度和耐久性。当工程废土的含水率从20%增加到30%时，CLSM的坍落扩展度可能会从200mm增加到250mm左右，但28d无侧限抗压强度可能会从1.5MPa降低到1.0MPa左右。因此，需要根据工程废土的含水率对制备工艺进行调整。当工程废土含水率较高时，可采取以下措施。减少额外加入的拌合水用量，以维持设计的水灰比，保证CLSM的强度和耐久性。在工程废土含水率为30%时，原本设计的拌合水用量为150kg/m³，可适当减少至120kg/m³左右。增加水泥等胶凝材料的用量，以提高CLSM的强度，弥补因含水率过高导致的强度损失。可将水泥用量从15%增加到18%左右。通过添加适量的保水增稠材料，增强拌合物的保水性，减少水分的流失，防止离析和泌水现象的发生。若工程废土含水率较低，可适当增加拌合水的用量，以满足CLSM对流动性的要求。也可通过对工程废土进行预先湿润处理，使其达到合适的含水率，再进行制备。在工程废土含水率为10%时，可将拌合水用量从150kg/m³增加到180kg/m³左右，或者对工程废土进行喷水湿润，使其含水率达到20%左右后再进行制备。在调整含水率的过程中，要密切关注CLSM拌合物的工作性能和硬化后的性能，通过试验不断优化调整方案，以确保制备出的CLSM满足工程要求。四、钛石膏基CLSM的性能研究4.1流动性测试4.1.1测试方法本研究采用坍落扩展度来测试钛石膏基CLSM的流动性，具体测试方法参考ASTMD6103《可控性低强度材料流动性的标准试验方法》。首先，将坍落度筒放置在水平、干净且湿润的底板上，用脚踩住坍落度筒两边的踏脚板，确保其在装料过程中位置固定。使用小铲将搅拌均匀的CLSM拌合物分三层均匀装入坍落度筒内，每层装填高度约为筒高的三分之一。每层用直径16mm、长约650mm且具有半球形端头的钢质捣棒插捣25次，插捣应沿螺旋方向由外向中心进行，每次插捣在截面上均匀分布。插捣底层时，捣棒应贯穿整个深度；插捣第二层和顶层时，捣棒应插透本层至下一层的表面。浇灌顶层时，CLSM拌合物应灌到高出筒口。插捣过程中，若CLSM拌合物沉落到低于筒口，则应随时添加。顶层插捣完后，用抹刀将多余的CLSM拌合物刮去，使其与筒口平齐。清除筒边底板上的CLSM拌合物后，在5-10s内垂直平稳地提起坍落度筒。从开始装料到提坍落度筒的整个过程应不间断地进行，并在150s内完成。提起坍落度筒后，测量筒高与坍落后CLSM试体最高点之间的高度差，即为该CLSM拌合物的坍落度值。当CLSM拌合物的坍落度大于220mm时，用钢尺测量CLSM扩展后最终的最大直径和最小直径，在这两个直径之差小于50mm的条件下，用其算术平均值作为坍落扩展度值；若两个直径之差大于等于50mm，则此次试验无效。在测试过程中，还需观察CLSM拌合物的棍度、含砂情况、保水性和粘聚性等工作性能，并进行记录。棍度按插捣CLSM拌合物时的难易程度评定，“”表示插捣容易，“”表示插捣时稍有石子阻滞的感觉，“”表示很难插捣；含砂情况按拌合物外观含砂多少评定，“多”表示用抹刀抹拌合物表面时，一两次即可使拌合物表面平整无蜂窝，“中”表示抹五、六次才可使表面平整无蜂窝，“少”表示抹面困难，不易抹平，有空隙及石子外露等现象；保水性指水分从拌合物中析出程度，坍落度筒提起后如有较多的稀浆从底部析出，锥体部分的混凝土也因失浆而骨料外露，则表明此CLSM拌合物的保水性能不好，如坍落度筒提起后无稀浆或仅有少量稀浆自底部析出，则表示此CLSM拌合物的保水性良好；粘聚性通过观测拌合物各组成分相互粘聚情况评定，用捣棒在已坍落的CLSM锥体侧面轻轻敲打，若锥体逐渐下沉，则表示粘聚性良好，如锥体倒塌、部分崩裂或出现离析现象，则表示粘聚性不好。4.1.2结果分析通过对不同配合比的钛石膏基CLSM进行流动性测试，分析了各因素对其流动性的影响。水灰比是影响CLSM流动性的关键因素之一。随着水灰比的增大，CLSM拌合物中的自由水含量增加，颗粒间的润滑作用增强，流动性显著提高。当水灰比从0.4增加到0.5时，CLSM的坍落扩展度从180mm增加到230mm。但水灰比过大时，会导致CLSM拌合物出现离析和泌水现象，反而降低其工作性能和硬化后的性能。当水灰比达到0.6时，CLSM出现明显的离析，骨料下沉，浆体上浮，坍落扩展度虽然进一步增大到280mm，但已无法满足工程要求。外加剂的种类和掺量对CLSM的流动性也有重要影响。聚羧酸系减水剂能够在不增加用水量的前提下，显著提高CLSM的流动性。当聚羧酸系减水剂掺量为0.5%时，CLSM的坍落扩展度从180mm提高到250mm。这是因为聚羧酸系减水剂分子结构中的活性基团吸附在水泥颗粒表面，形成带有相同电荷的吸附层，同性电荷相互排斥，使水泥颗粒在水中更好地分散，从而提高了CLSM的流动性。保水增稠材料纤维素醚的加入，虽然在一定程度上会降低CLSM的流动性，但能有效改善其保水性和粘聚性。当纤维素醚掺量为0.2%时，CLSM的坍落扩展度从250mm降低到220mm，但保水性明显改善，泌水率从10%降低到5%以下，粘聚性也得到增强，在捣棒敲打时锥体不易倒塌。钛石膏的掺量对CLSM的流动性也有一定影响。随着钛石膏掺量的增加，CLSM的流动性呈现先增加后降低的趋势。当钛石膏掺量从20%增加到30%时，由于钛石膏的颗粒形态和表面性质，能够在一定程度上改善拌合物的和易性，使CLSM的坍落扩展度从180mm增加到200mm。但当钛石膏掺量继续增加到40%时，由于钛石膏中含有一定的杂质和水分，且其活性相对较低，过多的钛石膏会导致拌合物的粘性增加，流动性下降，坍落扩展度降低到160mm。工程废土的掺量同样会影响CLSM的流动性。随着工程废土掺量的增加，CLSM的流动性逐渐降低。工程废土的颗粒相对较粗，比表面积较小，掺量增加会使拌合物中细颗粒含量相对减少，导致颗粒间的摩擦力增大，流动性变差。当工程废土掺量从30%增加到50%时，CLSM的坍落扩展度从200mm降低到140mm。在实际工程应用中，需要根据具体的施工要求和工程条件，综合考虑各因素对CLSM流动性的影响，合理调整配合比，以获得满足工程需求的流动性。4.2强度测试4.2.1无侧限抗压强度试验本研究采用无侧限抗压强度试验来测试钛石膏基CLSM的强度，试验方法依据ASTMD2166标准进行。在试件制备方面，根据前期确定的配合比，将搅拌均匀的CLSM拌合物分三层装入试模中。试模尺寸根据骨料最大粒径选择，若骨料最大粒径不超过26.5mm，采用直径×高=100mm×100mm的试模；若骨料最大粒径不超过37.5mm，则采用直径×高=150mm×150mm的试模。每层装填高度约为试模高度的三分之一，每层用直径16mm、长约650mm且具有半球形端头的钢质捣棒插捣25次，插捣应沿螺旋方向由外向中心进行，每次插捣在截面上均匀分布。插捣底层时，捣棒应贯穿整个深度；插捣第二层和顶层时，捣棒应插透本层至下一层的表面。浇灌顶层时，CLSM拌合物应灌到高出试模。插捣过程中，若CLSM拌合物沉落到低于试模口，则应随时添加。顶层插捣完后，用抹刀将多余的CLSM拌合物刮去，使其与试模口平齐。试件成型后，立即用不透水的薄膜覆盖表面，以防止水分蒸发。然后将试件移至标准养护室进行养护，养护条件为温度20℃±2℃，相对湿度95%以上。在养护至规定龄期（如3d、7d、14d、28d等）时，取出试件进行无侧限抗压强度试验。试验时，将试件放置在压力机的下压板中心位置，调整压力机，使其以0.5MPa/min-1.0MPa/min的加载速率均匀加载，直至试件破坏，记录破坏荷载。根据破坏荷载和试件的承压面积，计算试件的无侧限抗压强度，计算公式为：f_{cu}=\frac{P}{A}，其中f_{cu}为无侧限抗压强度（MPa），P为破坏荷载（N），A为试件的承压面积（mm²）。4.2.2结果分析通过对不同配合比和养护龄期的钛石膏基CLSM试件进行无侧限抗压强度试验，分析了各因素对其强度的影响。建筑渣土取代率对CLSM强度有显著影响。随着建筑渣土取代率的增加，CLSM的早期强度（3d、7d）呈现增大的趋势。这是因为建筑渣土中的粗颗粒可以形成骨架结构，增强CLSM的内部支撑力，从而提高早期强度。当建筑渣土取代率从30%增加到40%时，CLSM的3d无侧限抗压强度从0.5MPa增加到0.7MPa。但随着建筑渣土取代率的进一步增加，CLSM的后期强度（28d）增长幅度逐渐减小，甚至出现下降趋势。这是由于建筑渣土的活性相对较低，过多的建筑渣土会稀释水泥等胶凝材料的含量，影响后期的水化反应，导致强度增长受限。当建筑渣土取代率达到50%时，CLSM的28d无侧限抗压强度从1.2MPa降低到1.0MPa左右。水固比也是影响CLSM强度的重要因素。随着水固比的增大，CLSM的强度逐渐降低。增大水固比会使CLSM拌合物中的自由水含量增加，导致水泥石结构中的孔隙增多，从而降低了水泥石与骨料之间的粘结力，最终使CLSM的强度下降。当水固比从0.4增加到0.5时，CLSM的28d无侧限抗压强度从1.5MPa降低到1.0MPa。钛石膏掺量对CLSM强度的影响较为复杂。在一定范围内，随着钛石膏掺量的增加，CLSM的强度先略有增加后逐渐降低。适量的钛石膏可以参与水泥的水化反应，生成一些具有胶凝性的产物，如钙矾石等，从而在一定程度上提高CLSM的强度。但当钛石膏掺量过高时，由于钛石膏的活性相对较低，且含有一定的杂质，会影响水泥的正常水化，导致强度下降。当钛石膏掺量从20%增加到30%时，CLSM的28d无侧限抗压强度从1.2MPa增加到1.3MPa；当钛石膏掺量继续增加到40%时，强度则降低到1.0MPa。碱激发剂的掺量对CLSM强度也有重要影响。适量的碱激发剂可以促进钛石膏的水化反应，提高CLSM的强度。碱激发剂中的氢氧根离子可以与钛石膏中的钙离子反应，加速水化产物的生成。但当碱激发剂掺量过高时，会导致CLSM内部结构疏松，强度反而下降。当碱激发剂（以氢氧化钠和硅酸钠计）掺量从1%增加到2%时，CLSM的28d无侧限抗压强度从1.2MPa提高到1.5MPa；当掺量继续增加到3%时，强度则降低到1.3MPa。养护龄期对CLSM强度的发展有着明显的影响。随着养护龄期的延长，CLSM的强度逐渐增加。在早期（3d、7d），水泥的水化反应迅速进行，生成大量的水化产物，使CLSM的强度快速增长。在后期（14d、28d），水化反应逐渐减缓，但仍在持续进行，强度继续增长，但增长速度逐渐变缓。CLSM的3d无侧限抗压强度可能仅为0.5MPa-0.7MPa，而28d强度则可达到1.0MPa-1.5MPa。4.3体积稳定性测试4.3.1体积稳定性试验本研究采用测量试件长度变化的方法来测试钛石膏基CLSM的体积稳定性。具体试验步骤如下：首先，根据前期确定的配合比制备CLSM拌合物。将拌合物分三层装入尺寸为40mm×40mm×160mm的三联试模中，每层装填高度约为试模高度的三分之一。每层用直径10mm、长约350mm且具有半球形端头的钢质捣棒插捣15次，插捣应沿螺旋方向由外向中心进行，每次插捣在截面上均匀分布。插捣底层时，捣棒应贯穿整个深度；插捣第二层和顶层时，捣棒应插透本层至下一层的表面。浇灌顶层时，CLSM拌合物应灌到高出试模。插捣过程中，若CLSM拌合物沉落到低于试模口，则应随时添加。顶层插捣完后，用抹刀将多余的CLSM拌合物刮去，使其与试模口平齐。试件成型后，立即用不透水的薄膜覆盖表面，防止水分蒸发。将试件移至标准养护室进行养护，养护条件为温度20℃±2℃，相对湿度95%以上。在养护至规定龄期（如1d、3d、7d、14d、28d等）时，取出试件。使用精度为0.01mm的游标卡尺测量试件的长度，测量位置在试件的中部，每个试件测量三个方向的长度，取平均值作为该试件的长度值。根据测量得到的不同龄期的长度值，计算试件的长度变化率，以此来表征CLSM的体积稳定性。长度变化率计算公式为：\DeltaL=\frac{L-L_0}{L_0}\times100\%，其中\DeltaL为长度变化率（%），L为某龄期时试件的长度（mm），L_0为试件的初始长度（mm）。若长度变化率为正值，表示试件体积膨胀；若为负值，则表示试件体积收缩。4.3.2结果分析通过对不同配合比和养护龄期的钛石膏基CLSM试件进行体积稳定性测试，分析了各因素对其体积稳定性的影响。钛石膏掺量对CLSM的体积稳定性有显著影响。随着钛石膏掺量的增加，CLSM的体积变化呈现出先膨胀后收缩的趋势。当钛石膏掺量较低时，钛石膏中的二水硫酸钙在水泥水化产物的激发下，会发生一定的水化反应，生成钙矾石等膨胀性产物，从而使CLSM产生一定的膨胀。当钛石膏掺量为20%时，CLSM在7d龄期时的膨胀率约为0.05%。但当钛石膏掺量继续增加时，由于钛石膏的活性相对较低，且含有一定的杂质，会影响水泥的正常水化，导致水泥石结构疏松，孔隙增多，从而使CLSM的体积逐渐收缩。当钛石膏掺量达到40%时，CLSM在14d龄期时的收缩率约为0.1%。碱激发剂的掺量也对CLSM的体积稳定性有重要影响。适量的碱激发剂可以促进钛石膏的水化反应，生成更多的膨胀性产物，从而改善CLSM的体积稳定性。碱激发剂中的氢氧根离子可以与钛石膏中的钙离子反应，加速水化产物的生成。当碱激发剂（以氢氧化钠和硅酸钠计）掺量为1%时，CLSM的膨胀率相对较高，在7d龄期时膨胀率可达0.1%。但当碱激发剂掺量过高时，会导致CLSM内部结构过度膨胀，产生微裂缝，反而降低其体积稳定性。当碱激发剂掺量增加到3%时，CLSM在7d龄期时虽然膨胀率有所提高，达到0.15%，但在后期（14d、28d）由于微裂缝的发展，收缩率也明显增大，在28d龄期时收缩率达到0.2%。养护龄期对CLSM的体积变化也有明显影响。在早期（1d、3d），CLSM的体积变化主要是由于水泥的水化反应和钛石膏的初步水化，膨胀或收缩速率相对较快。随着养护龄期的延长，水化反应逐渐趋于稳定，体积变化速率逐渐减缓。CLSM在1d龄期时的膨胀率或收缩率可能达到0.03%-0.05%，而在28d龄期时，膨胀率或收缩率变化相对较小，基本稳定在0.1%-0.2%之间。在实际工程应用中，需要根据具体的工程要求，合理控制钛石膏掺量和碱激发剂掺量，以确保CLSM具有良好的体积稳定性。4.4微观结构分析4.4.1XRD分析为了深入探究钛石膏基CLSM的水化产物及成分变化，对不同养护龄期的CLSM试件进行了X射线衍射（XRD）分析。XRD图谱能够清晰地反映出试件中各种晶体相的种类和相对含量。在早期（3d）的XRD图谱中，可以观察到明显的水泥熟料矿物特征峰，如硅酸三钙（C₃S）、硅酸二钙（C₂S）等。这表明在早期，水泥的水化反应已经开始，但仍有部分水泥熟料未完全水化。随着养护龄期的延长（7d），水泥熟料矿物的特征峰强度逐渐减弱，说明水泥的水化反应在持续进行。同时，图谱中出现了水化硅酸钙（C-S-H）凝胶和氢氧化钙（Ca(OH)₂）的特征峰。C-S-H凝胶是水泥水化的主要产物之一，它具有良好的粘结性和强度，对CLSM的强度发展起到了关键作用。Ca(OH)₂则是水泥水化过程中的副产物，其含量的变化也会影响CLSM的性能。在14d和28d的XRD图谱中，水泥熟料矿物的特征峰进一步减弱，C-S-H凝胶和Ca(OH)₂的特征峰相对增强。这表明随着养护龄期的增加，水泥的水化反应更加充分，生成了更多的C-S-H凝胶，从而提高了CLSM的强度。值得注意的是，在XRD图谱中还检测到了钙矾石（AFt）的特征峰。钙矾石是一种具有膨胀性的水化产物，它的生成与钛石膏中的硫酸钙以及水泥中的铝酸盐反应有关。适量的钙矾石可以填充CLSM的孔隙，提高其密实度和强度；但如果钙矾石生成过多，可能会导致CLSM体积膨胀过大，甚至出现开裂现象。在钛石膏掺量较高的CLSM试件中，钙矾石的特征峰相对较强，这与前文提到的体积稳定性测试结果相呼应，即当钛石膏掺量增加时，CLSM的体积先膨胀后收缩，这可能是由于钙矾石生成量的变化所导致的。4.4.2SEM分析利用扫描电子显微镜（SEM）对钛石膏基CLSM的微观结构进行观察，能够直观地了解其内部的微观形貌、孔隙分布以及水泥石与骨料的界面过渡区等情况。在早期（3d）的SEM图像中，可以看到水泥颗粒表面开始水化，形成了一层薄薄的水化产物膜。此时，CLSM内部的孔隙较大且分布不均匀，骨料与水泥石之间的界面过渡区较为明显，粘结强度相对较弱。随着养护龄期的延长（7d），水泥的水化产物逐渐增多，C-S-H凝胶开始填充孔隙，使CLSM的结构逐渐变得致密。骨料与水泥石之间的界面过渡区也有所改善，粘结强度有所提高。在14d和28d的SEM图像中，CLSM内部的孔隙进一步减小，大部分孔隙被C-S-H凝胶填充。骨料与水泥石之间的界面过渡区变得更加模糊，粘结强度显著增强。此时，CLSM形成了一个较为密实的整体结构，这也解释了为什么随着养护龄期的增加，CLSM的强度会逐渐提高。从SEM图像中还可以观察到，钛石膏颗粒在CLSM中分布较为均匀。部分钛石膏颗粒参与了水化反应，其表面生成了一些水化产物，如钙矾石等。这些水化产物与水泥的水化产物相互交织，共同构成了CLSM的微观结构。在一些区域，还可以看到未反应的钛石膏颗粒，这可能是由于其活性较低或反应条件不够充分所致。未反应的钛石膏颗粒可能会对CLSM的性能产生一定影响，如在体积稳定性方面，当钛石膏掺量过高时，未反应的钛石膏颗粒可能会在后期继续参与反应，导致体积变化。通过SEM分析，我们能够更加直观地理解CLSM微观结构的形成和发展过程，以及各组成成分在其中所起的作用，为进一步优化CLSM的性能提供了微观层面的依据。五、影响钛石膏基CLSM性能的因素分析5.1原材料因素5.1.1钛石膏掺量钛石膏作为制备CLSM的关键原材料之一，其掺量对CLSM的性能有着显著影响。随着钛石膏掺量的增加，CLSM的强度呈现出先上升后下降的趋势。在一定范围内，适量的钛石膏能够参与水泥的水化反应，生成钙矾石等具有胶凝性的产物，从而在一定程度上提高CLSM的强度。当钛石膏掺量从20%增加到30%时，CLSM的28d无侧限抗压强度从1.2MPa增加到1.3MPa。这是因为钛石膏中的硫酸钙在水泥水化产物的激发下，与水泥中的铝酸盐反应生成钙矾石，钙矾石填充在CLSM的孔隙中，增强了结构的密实度，进而提高了强度。然而，当钛石膏掺量继续增加时，CLSM的强度则会逐渐降低。当钛石膏掺量达到40%时，CLSM的28d无侧限抗压强度降低到1.0MPa。这主要是由于钛石膏的活性相对较低，且含有一定的杂质，过多的钛石膏会稀释水泥等胶凝材料的含量，影响水泥的正常水化进程。钛石膏中的杂质可能会阻碍水泥颗粒与水的接触，延缓水化反应的进行，导致水化产物的生成量减少，从而降低了CLSM的强度。钛石膏掺量对CLSM的体积稳定性也有重要影响。随着钛石膏掺量的增加，CLSM的体积变化呈现出先膨胀后收缩的趋势。当钛石膏掺量较低时，钛石膏中的二水硫酸钙在水泥水化产物的激发下，会发生一定的水化反应，生成钙矾石等膨胀性产物，从而使CLSM产生一定的膨胀。当钛石膏掺量为20%时，CLSM在7d龄期时的膨胀率约为0.05%。但当钛石膏掺量继续增加时，由于钛石膏的活性相对较低，且含有一定的杂质，会影响水泥的正常水化，导致水泥石结构疏松，孔隙增多，从而使CLSM的体积逐渐收缩。当钛石膏掺量达到40%时，CLSM在14d龄期时的收缩率约为0.1%。这表明在制备钛石膏基CLSM时，需要严格控制钛石膏的掺量，以确保CLSM具有良好的强度和体积稳定性。5.1.2工程废土与建筑渣土工程废土和建筑渣土在CLSM中主要起到填充和骨架作用。它们的颗粒可以填充在CLSM的空隙中，增加材料的密实度；同时，这些颗粒相互交织，形成一定的骨架结构，为CLSM提供了一定的强度和稳定性。工程废土和建筑渣土的掺量对CLSM的性能有着重要影响。随着工程废土和建筑渣土掺量的增加，CLSM的早期强度（3d、7d）呈现增大的趋势。这是因为这些废土和渣土中的粗颗粒可以形成骨架结构，增强CLSM的内部支撑力，从而提高早期强度。当建筑渣土取代率从30%增加到40%时，CLSM的3d无侧限抗压强度从0.5MPa增加到0.7MPa。但随着废土和渣土掺量的进一步增加，CLSM的后期强度（28d）增长幅度逐渐减小，甚至出现下降趋势。这是由于废土和渣土的活性相对较低，过多的掺入量会稀释水泥等胶凝材料的含量，影响后期的水化反应，导致强度增长受限。当建筑渣土取代率达到50%时，CLSM的28d无侧限抗压强度从1.2MPa降低到1.0MPa左右。废土和渣土的掺量还会影响CLSM的流动性。随着工程废土和建筑渣土掺量的增加，CLSM的流动性逐渐降低。这些废土和渣土的颗粒相对较粗，比表面积较小，掺量增加会使拌合物中细颗粒含量相对减少，导致颗粒间的摩擦力增大，流动性变差。当工程废土掺量从30%增加到50%时，CLSM的坍落扩展度从200mm降低到140mm。在实际工程应用中，需要根据具体的工程要求，合理控制工程废土和建筑渣土的掺量，以平衡CLSM的强度和流动性等性能。5.1.3矿粉与粉煤灰掺量矿粉和粉煤灰在CLSM中具有重要作用。矿粉作为一种细粉末，可以填充水泥颗粒之间的空隙，使CLSM更加致密，从而提高其强度和耐久性。矿粉中的石英等物质能够减缓水泥的水化反应速度，减少CLSM的收缩和开裂，提高其体积稳定性。粉煤灰可以填充水泥颗粒之间的空隙，使CLSM更加密实，提高其抗渗性和耐久性。粉煤灰中含有较多的硅酸盐，可以与水中的钙离子反应生成水化硅酸钙胶体，增强CLSM的耐久性和抗裂性。矿粉和粉煤灰的掺量对CLSM的强度和工作性能有着显著影响。随着矿粉和粉煤灰掺量的增加，CLSM的流动性会有所提高。这是因为它们的颗粒细小，能够填充在水泥颗粒之间，减少颗粒间的摩擦力。但当掺量过高时，CLSM的强度会有所下降。这是由于它们的活性相对较低，过多掺入可能会稀释水泥的胶凝作用。在某研究中，当矿粉和粉煤灰的总掺量从20%增加到40%时，CLSM的28d无侧限抗压强度从1.5MPa下降到了1.0MPa左右，而坍落扩展度则从200mm增加到了250mm。因此，在制备CLSM时，需要根据工程对强度和工作性能的要求，合理控制矿粉和粉煤灰的掺量。5.1.4碱激发剂种类与掺量碱激发剂在钛石膏基CLSM中起着至关重要的作用，它能够激发钛石膏的活性，促进其水化反应，从而显著影响CLSM的性能。不同种类的碱激发剂对CLSM性能的影响存在差异。氢氧化钠（NaOH）和硅酸钠（Na₂SiO₃）是常用的碱激发剂。氢氧化钠能够提供氢氧根离子（OH⁻），促进钛石膏中钙离子（Ca²⁺）的溶解和水化反应。硅酸钠中的硅酸根离子（SiO₃²⁻）则可以与钙离子反应生成水化硅酸钙凝胶，这些凝胶物质填充在CLSM的孔隙中，增强了C