利用工業(yè)廢棄物制備可控低強度材料（CLSM）概述
摘要：可控低強度材料（CLSM）的具有強度低、流動性好、有效利用廢棄物的典型特點。以粉煤灰、水泥窯灰、礦山酸性排渣等為例介紹了當前CLSM 在大量利用工業(yè)廢棄物研究的一些規(guī)律。最后文中還討論了CLSM 的優(yōu)點和在應用過程中應該注意的一些問題。
關鍵詞：CLSM，低強度，高流動性，工業(yè)廢棄物
1 CLSM 的定義
針對目前工業(yè)廢棄物的排放日益增加，不僅占用大量的土地資源，造成諸多的二次污染問題，同時與環(huán)境保護要求不斷提高愈發(fā)不相協(xié)調(diào)。有關工業(yè)廢棄物的有效再利用日益成為各個高校和研究所的研究熱點?？煽氐蛷姸炔牧暇褪瞧渲兄?，可控低強度材料（CLSM,controlled low strength material）由美國混凝土協(xié)會（ACI 116R）定義為：28 天抗壓強度不大于8.3MPa 的材料。CLSM 的典型組成為水泥、粗細集料（比如砂或者某些工業(yè)固體廢棄物）、水和以粉煤灰為代表的其它工業(yè)廢棄物（包括具有火山灰活性和不具有火山灰活性）。
CLSM 的其它名稱有：可控密實填充材料（CDF，controlled density fill）；流動砂漿（flowablemortar）;（flowable fill）：流動填充材料（lean mix backfill）：貧水泥回填材料等等。事實上，可控低強度材料是一系列具有不同用途的低強度材料的總稱。例如，強度較高的材料可用于建筑物下的建筑回填，而經(jīng)摻入泡沫材料的低強度、低密度的可控低強度材料則可以用于隔熱回填料。所以對于具體的應用，應當從技術(shù)、經(jīng)濟的角度出發(fā)，選擇CLSM的類型。
可控低強度材料不同于混凝土，也不同于水泥，這種材料不需要養(yǎng)護或者壓實，其強度比混凝土低得多，但是可以與壓實回填料相當?？煽氐蛷姸炔牧喜灰笥休^好的抗凍融性、抗磨蝕、抗化學侵蝕能力。這種材料比土質(zhì)或者砂粒回填材料貴，但是這種材料比傳統(tǒng)的回填材料有許多優(yōu)越的性能。
2 CLSM 的顯著特點
2.1 低強度
大多數(shù)用于回填的CLSM 抗壓強度變化范圍是0.35-2.00MPa，保證在以后能夠進行二次回填，通過適當調(diào)整材料組分的含量可以獲得更高的抗壓強度。CLSM 的水泥含量一般為50-100Kg/m3，用以提供所需的強度。與結(jié)構(gòu)混凝土相比較低性能要求使得可以利用工業(yè)廢棄物為原料生產(chǎn)CLSM。S. T¨urkel[1]研究得出由含有低摻量火山灰水泥、高摻量的C 級粉煤灰和壓碎石灰石制備的CLSM 在365 天的抗壓強度為1.16—2.80MPa 范圍內(nèi)。
2.2 高流動性
通過加入大量水或者摻入引氣劑、塑化劑等外加劑（有時基于成本的考慮不摻加外加劑）從而獲得較好的工作性。具有高度流動性的類似混凝土的材料一般粘結(jié)性較差，所以需要大量摻入細集料，否則有離析的危險。因為CLSM 的力學性能低于混凝土的力學性能，所以在生產(chǎn)CLSM 時可以大量摻入細粒物料來改善材料的工作性能而不破壞其力學性能。這也是大量工業(yè)廢物得以有效利用的原因。
M.A. Gabr 和John J. Bowders[2]研究了以礦山酸性排渣（AMD）和粉煤灰制備的典型CLSM，其擴展度達到229mm，在許多試驗中根據(jù)這個擴展度來確定需水量，而且當波特蘭水泥的含量為2.5％，石灰的含量為2.5％時，CLSM 能夠獲得229ｍｍ的合適擴展度，當波特蘭水泥的含量大于2.5％，擴展度接近215ｍｍ，認為是合適工程應用的，而當石灰的含量大于2.5％時，擴展度為180ｍｍ，認為流動度太低，而不適合工程應用。
以粉煤灰為典型代表的工業(yè)廢棄物，顆粒形狀為球形，能夠充分發(fā)揮其形態(tài)效應，提高了CLSM 的流動性，以至于這種材料容易施工，需要一點或者不需要搗筑和壓實。
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2.3 大量利用工業(yè)廢棄物
在許多國家，如何處理由各行各業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢物材料是一個嚴重的問題。工業(yè)化造成了工業(yè)廢棄物和副產(chǎn)物的逐漸增加，為了適應迅速增長的世界人口，原材料和汽油的需求量也在逐漸增加。這又明顯以產(chǎn)生廢棄物的形式帶來許多的環(huán)境問題，同時提高了水體資源、大氣資源和土壤資源污染的可能性。廢物的安全處理成本高，而且缺少合理設計的處理場地，在處理這樣的廢棄物的同時能夠不對環(huán)境造成不利影響。因此，近年來已有研究關于研發(fā)利用廢棄物材料和工業(yè)副產(chǎn)物的有效方法，使其有害影響達到最小甚至消除。建筑工業(yè)是安全利用廢棄物的擁有美好前景的領域。眾所周知，在30 多年前，諸如利用粉煤灰、硅灰、煤粉燃灰、粒狀高爐礦渣等工業(yè)副產(chǎn)物部分代替水泥提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，增強新拌混凝土（例如工作性、泌水率）和硬化混凝土（例如強度）性能。
另一個應用就是將這種材料作為可控低強度材料加以有效再利用。CLSM 是一種由水泥、砂、水和粉煤灰為典型組分組成的料漿。砂和水泥是CLSM 的主要組分；用廢棄物材料代替水泥或者天然砂是有吸引力、有受益的再利用選擇。
CLSM 能夠利用的工業(yè)廢棄物主要包括：粉煤灰、水泥窯灰、瀝青混凝土尾砂、燃煤底灰以及采石場尾砂、水泥旁道灰、焚化爐灰、銅礦渣、礦山酸性排渣、改性的水庫污泥、廢舊鑄造模砂、以及循環(huán)利用的玻璃等等。
一般來說，由于這些工業(yè)廢棄物含有大量的極細顆?；蛘邚姸容^低的性能特點，是不適合用于工業(yè)建設中。大多數(shù)國際標準在混凝土應用中限制細顆粒（顆粒能夠通過200 號篩0.075mm）在碎砂的16%（前歐洲12620：2000）或7%（ASTM C33）。CLSM 也稱為流動填充材料，可以作為一種較好的方法大摻量利用細顆粒材料，同時又不會削弱CLSM 的性能。
Butalia[3]等研究發(fā)現(xiàn)再利用煙氣脫硫（FGD，fuel gas desulfurization）石膏作為一種流動回填材料在可灌筑性、抗壓強度和可回填性方面與普通的流動回填材料具有可比性,還提出摻有摻合料和外加劑比傳統(tǒng)的快凝流動填充材料具有優(yōu)良的性能。Pierce 和Blackwell 以及Siddique 和Naik [6，7]提出將橡膠邊角料作為輕集料應用于流動回填材料中，能夠大量用于諸如橋基回填、溝壕回填等工程以及地基和支撐回填。Katz 和 Kovler [8]研究了工業(yè)副產(chǎn)物在生產(chǎn)CLSM 中的應用。五種不同的工業(yè)副產(chǎn)物分別是：水泥窯灰、瀝青混凝土尾砂、粉煤灰、爐底灰和采石場尾砂。結(jié)果表明CLSM 當含有大量灰（質(zhì)量的25-50%）在大多數(shù)情況下可以獲得優(yōu)良的性能，特別是加入的廢棄物具有諸如粉煤灰和水泥窯灰的某些水泥或火山灰潛在活性。近來，Al-Harthy [9]等提出流動填充材料的水量對強度的影響。研究中所用的水來自Oman 的四大主要產(chǎn)油田。結(jié)果表明：與使用飲用水相比，使用非飲用水獲得的強度較低。然而，所有類型的水仍然能夠獲得對于流動填充材料可以接受的0.35-3.5MPa 的28 天抗壓強度。
3 主要利用的工業(yè)廢棄物
3.1 粉煤灰（FA，F(xiàn)ly ash）
粉煤灰是目前利用效率最高的工業(yè)廢棄物。在發(fā)達國家和國內(nèi)諸如北京、上海等城市粉煤灰被廣泛應用于水泥廠、商品混凝土攪拌站等等，在某些電廠相對不是很集中的地方甚至出現(xiàn)供不應求的狀況。
粉煤灰是在電廠燃煤過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。世界范圍內(nèi)燃煤電廠每年以廢棄物形式產(chǎn)生數(shù)百萬噸粉煤灰。土耳其西部的Soma熱電廠每年產(chǎn)生粉煤灰4，000，000噸，但只有0.49%被利用，剩余部分以廢渣填埋形式廢棄了[1]。
同時粉煤灰也是最主要和常見的CLSM原料，在利用其它工業(yè)廢棄物時總會引入粉煤灰組分。ACI委員會報告已經(jīng)作出規(guī)定：粉煤灰（C級和F級）可以用相對低摻量的水泥來激發(fā)它的火山灰活性用來生產(chǎn)CLSM填充材料。
S. T¨urkel[1]研究了以低摻量的火山灰水泥和高摻量的C級粉煤灰和石灰石集料制備的CLSM具有良好的流動性，所有CLSM的火山灰水泥的質(zhì)量保持恒定為粉煤灰質(zhì)量的5%，28天抗壓強度在0.85-1.15MPa范圍內(nèi)，能夠作為一種低強度材料。實驗還發(fā)現(xiàn)CLSM與密實土壤相比有著更高的抗折性能。CLSM的7天齡期的抗折強度、抗滑應力等性能都超過了傳統(tǒng)回填材料的相應性能，所以CLSM適合用于回填。
S. T¨urkel還研究了[10]CLSM的長期技術(shù)性能和物理性能，諸如毛細吸水量和EP毒性。CLSM的28天毛細吸水量數(shù)值在1.43×10−3-- 2.08×10−3 cm2/s。同時發(fā)現(xiàn)增加細集料含量，水/（火山灰水泥+粉煤灰）比也增加，毛細吸水系數(shù)也增加。
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Amnon Katz和 Konstantin Kovler[8]研究發(fā)現(xiàn)含有粉煤灰的CLSM試樣后期強度高，一定程度上高于考慮到試樣中水泥潛在活性的預期強度值。從理論上講，水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH）2只能夠一部分和粉煤灰反應，有限的增加強度。水泥含量為50kg的粉煤灰試樣后期強度高于水泥含量為100kg的試樣的28天強度，需要對這一現(xiàn)象的機理做更深入的研究。
3.2 水泥窯灰（CKD，cement kiln dust）
水泥窯灰（CKD），也稱為旁道灰，是水泥生產(chǎn)的副產(chǎn)物。CKD是細粒顆粒材料，主要由取自生產(chǎn)熟料的高溫過程中的靜電收塵器的氧化的、無水的、微小顆粒組成。CKD的化學組成取決于生產(chǎn)熟料用的原材料以及在回轉(zhuǎn)窯中用來加熱材料的碳基燃料的類型和來源。國外對于CKD的有效利用主要有高速公路、土壤固化、水泥砂漿和混凝土應用、CLSM原料等等。
在美國每年產(chǎn)生將近15，000，000噸CKD（美國環(huán)境保護署，1993年）。水泥窯灰具有在許多方面的再利用潛力，但是再利用這種副產(chǎn)物材料的最好途徑是在水泥生產(chǎn)過程中的再利用。這在某些水泥窯設備中經(jīng)常是不可行的。在美國產(chǎn)生的CKD總量的60-70%（8-8.4，000，000噸）以這種方式再利用（美國環(huán)境保護署，1993年）。CKD的最普遍的有效利用有土壤固化、廢棄物處理、代替水泥、瀝青路面和其它應用。
Al-Jabri 和Pierce[4，5] 等研究了水泥窯灰或者水泥旁道灰（CBPD）在CLSM中的應用。兩者的研究結(jié)果表明加入水泥窯灰能夠生產(chǎn)強度很低的材料，能夠提供與應用在傳統(tǒng)回填或者其它低強度應用中的土壤相當?shù)膹姸取?/DIV>
Amnon Katz和 Konstantin Kovler[8]研究了使用五種工業(yè)副產(chǎn)物制備可控低強度材料（CLSM）。他們使用了水泥窯灰（CKD）、瀝青混凝土的尾砂（AD）、粉煤灰（FA）、爐底灰（BA）和采石場尾砂（QW）。在所有的試樣中都使用了普通波特蘭水泥（OPC）（粉煤灰的10%）。為了達到恒定的流動度200mm調(diào)整加入的水量。
得出的結(jié)論主要有：
?。?）粉煤灰、瀝青混凝土尾砂和水泥窯灰的顆粒尺寸極細，而爐底灰和采石場尾砂較粗。顆粒的形狀影響需水量，為了得到恒定的流動度，通過增加細廢料的含量顯著增加了需水量，因為圓形顆粒的需水量較小。水泥量的增加伴隨著碎砂含量的相應減少。由于爐底灰的多孔特性和粗糙表面，需要增加水量。采石場尾砂中大量的細顆粒是導致水量增加的直接原因。由于粉煤灰的球形形狀以及緩凝現(xiàn)象，含有粉煤灰的試樣泌水率值高（比瀝青混凝土尾砂試樣大兩倍，比水泥窯灰試樣大三倍）；（2）水泥窯灰的膠結(jié)能力在早期增大了拌合物的稠度，有利于減少這些拌合物的泌水；（3）增大細廢料的含量略微增加了FA和CKD拌合物的凝結(jié)時間，但是顯著增加了瀝青混凝土拌合物的凝結(jié)時間，因為瀝青混凝土尾砂是完全惰性的材料。用爐底灰代替碎砂，由于爐底灰影響了凝結(jié)過程中的化學作用，縮短了拌合物的凝結(jié)時間。然而，當使用采石場尾砂時，由于細材料的高含量顯著增加了凝結(jié)時間。以水泥質(zhì)量的2%和5%添加CaCl2作為緩凝劑，分別縮短了14%--35%的緩凝時間。（4）在含有粉煤灰和瀝青混凝土尾砂的混合物基體中只檢測到少許的細裂縫。在表現(xiàn)較大收縮的水泥窯灰試樣中檢測到較粗的裂縫；（5）增大細廢料的含量到原來的兩倍增大了體積變化以及開裂的趨勢；含有粉煤灰和瀝青混凝土尾砂的試樣收縮增大了幾乎75%，但是水泥窯灰試樣幾乎增大了300%；（6）在所有試樣中增加水泥的含量，減少了收縮和開裂的趨勢：而增加采石場尾砂的含量顯著增加了收縮，因為在這種細廢物中含有粘土。研究發(fā)現(xiàn)早期收縮與試樣的泌水率成反比。水泥窯灰拌合物的泌水很小，表現(xiàn)出最大的收縮，因為水分是從材料體中蒸發(fā)而不是從材料表面。只要有足夠可用的水分從表面蒸發(fā)，粉煤灰和瀝青混凝土尾砂拌合物的收縮就?。唬?）導致需水量增加的參數(shù)也會影響總吸收，當細廢料的含量增加或者使用多孔材料（爐底灰）時，總吸收量顯著增加。
R.A. Taha等[11]研究了水泥旁道灰、焚化爐灰、銅礦渣在CLSM中的應用，對由各種組分不同比例制備的CLSM進行了坍落度、單位容重以及無側(cè)限抗壓強度測試。所制備的試樣在常溫下密封于塑料袋中養(yǎng)護。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護方法和時間對于CLSM的強度有相當大的影響，室溫下養(yǎng)護比在密封塑料袋中養(yǎng)護的強度高。設計使用廢棄物材料、水泥和砂的拌合物產(chǎn)生的強度值高于使用廢棄物材料完全代替水泥制的拌合物的強度。因此，建議將焚化爐灰、銅礦渣和水泥旁道灰與水泥混合使用以增強它們的火山灰活性。雖然添加銅礦渣獲得的強度結(jié)果可以接受，但是可以預期在CLSM中使用銅礦渣完全代替砂能夠獲得更好的性能。銅礦渣比砂的吸收性小，強度高。對于在CLSM中銅礦渣的有效利用有必要作進一步的研究。
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3.3 礦山酸性排渣（AMD，Acid mining drainage ）
M.A. Gabr 和John J. Bowders [2]研究了用礦山酸性排渣（AMD）和粉煤灰制備CLSM。AMD 是一種石灰基工業(yè)廢棄物，與粉煤灰混合后，表現(xiàn)的自我硬化特性與水泥相似，AMD礦泥取自沉降池，是地下礦井水通過沉降池用消石灰Ca（OH）2 進行處理得到的，由AMD制備的CLSM 的典型配比為礦山酸性排渣（AMD）：10％，波特蘭水泥：2.5％，F(xiàn) 級粉煤灰：87.5％（該研究中粉煤灰的摻量不小于80％）。
實驗發(fā)現(xiàn)所有試樣隨著AMD 礦泥的百分數(shù)不同，比重在2.5－2.7 之間，與普通土壤的比重值2.6-2.8 具有相似之處；含有水泥的CLSM 在不到24 小時硬化（應用于快速施工），與礦山酸性排渣的含量無關；含有石灰的CLSM 硬化時間從含有礦山酸性排渣的2 天變化到不含有礦山酸性排渣的14.5 天；CLSM 的流動度與粘度之間存在相關性。由于試樣采用波特蘭水泥作為膠凝劑，當粘度為2200－2650cp 是流動度可以相應達到229ｍｍ。由于含有石灰，對應于229ｍｍ流動的粘度范圍為1500-3375cp；當試樣中水泥和AMD 礦泥的含量均為10％時，無側(cè)限抗壓強度從7 天的0.64MPa 增大到28 天的0.442MPa；若水泥和AMD礦泥的含量均為10％的試樣超出了最高的回填強度限制值。
3.4 改性水庫污泥（OMRS，Organo-modified reservoir sludge）
在臺灣，相當多的水庫淤泥在垃圾填埋場日益難以處理，同時產(chǎn)生了嚴重的處理問題。與焚化的生活污泥灰不同，水庫污泥由大量的蒙脫石粘土組成，當與水混合時會引起一定程度的有害膨脹。因此，水庫污泥不能作為細集料在混凝土中直接使用，在研究中必須首先被改性然后用作水泥砂漿中的細集料。 Wen-Yih Kuo[12]等研究了用有機改性的水庫污泥（OMRS ，Organo-modified reservoir sludge）代替細集料的百分含量超過80%，可以用于可控低強度材料中。鑒于CLSM 主要用于回填，對于其它的回填材料也做一些介紹：德國和前蘇聯(lián)等國家在70 年代開展了全尾砂膏體泵送充填技術(shù)研究[13], 全尾砂膏體泵送充填的特點是料漿濃度大, 其重量濃度可達75 %～85 % ,呈牙膏狀。由于膏體的塑料粘度和屈服切應力大,必須采用加壓輸送。膏體料漿象塑性結(jié)構(gòu)體一樣在管道中作整體運動, 膏體中的固體顆粒一般不發(fā)生沉淀, 層間也不出現(xiàn)交流, 膏體在管路中呈柱狀流動。
孫恒虎[13]等提出高水固化速凝材料用于礦山回填。該充填工藝技術(shù)的實質(zhì)是: 以高水速凝固化材料作膠凝劑, 使用全尾砂作充填骨料, 按一定的配比加水混合后, 形成高水固結(jié)充填料漿。根據(jù)工藝設備條件和現(xiàn)場技術(shù)的要求, 充填料漿濃度在30 %～70 %之間變化, 充入采場后不脫水便可以凝結(jié)為固態(tài)充填體。
4 CLSM 的優(yōu)點
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5 需要注意的幾個問題：
5.1 浸出危險
CLSM是高浸出性材料，并且應用于例如填充、廢渣填埋場的襯里材料，所以應該研究它們對環(huán)境可能造成的影響。組成粉煤灰的細顆粒含有可浸出的重金屬，因此Carlson、Adriano和Ferreira[15]等把粉煤灰定義為有毒廢棄物。有關CLSM應用的主要環(huán)境問題是某些組分可能會浸出滲入地下水中，達到一定的濃度會對人身健康造成潛在危害。
S. T¨urkel [10]在進行EP毒性測試之后，測得了八種重金屬的濃度：分別是砷、鋇、鎘、鉻、鉛、汞、硒和銀。實驗結(jié)果表明，選出的CLSM的所有重金屬的濃度都要低于EPA規(guī)定的限值。因此，CLSM不會對地下水產(chǎn)生危害。同時根據(jù)EPA標準CLSM是環(huán)境合格型材料。
Amnon Katz*和 Konstantin Kovler[8]指出當工業(yè)廢物被包裹在CLSM 材料中時，大多數(shù)痕量元素的浸出率顯著減少。只有Fe 的浸出率增加，原因是水泥和碎砂中存在Fe。同樣，Al 的浸出率相對減少較少，也可能是因為水泥和碎砂中存在Al。
5.2 二次回填困難
CLSM的強度若高于周圍的土壤，勢必給二次回填帶來困難。CLSM的28抗壓強度通常不大于8MPa，從技術(shù)要求的角度出發(fā)，要求嚴格將CLSM的強度控制在較低的水平，在許多流動回填中，有些回填材料的28天強度低至0.7MPa，但是CLSM的強度值遠遠大于大多數(shù)天然土壤，這導致回填部分的強度高于周圍土壤。如果CLSM中含有火山灰活性的組分，在后期如果要進行二次回填，強度值太高可能會造成問題。所以當有必要進行二次回填的時候其365天的抗壓強度要求低至1.16-2.80MPa。
參考文獻
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關鍵詞：CLSM，低強度，高流動性，工業(yè)廢棄物
1 CLSM 的定義
針對目前工業(yè)廢棄物的排放日益增加，不僅占用大量的土地資源，造成諸多的二次污染問題，同時與環(huán)境保護要求不斷提高愈發(fā)不相協(xié)調(diào)。有關工業(yè)廢棄物的有效再利用日益成為各個高校和研究所的研究熱點?？煽氐蛷姸炔牧暇褪瞧渲兄?，可控低強度材料（CLSM,controlled low strength material）由美國混凝土協(xié)會（ACI 116R）定義為：28 天抗壓強度不大于8.3MPa 的材料。CLSM 的典型組成為水泥、粗細集料（比如砂或者某些工業(yè)固體廢棄物）、水和以粉煤灰為代表的其它工業(yè)廢棄物（包括具有火山灰活性和不具有火山灰活性）。
CLSM 的其它名稱有：可控密實填充材料（CDF，controlled density fill）；流動砂漿（flowablemortar）;（flowable fill）：流動填充材料（lean mix backfill）：貧水泥回填材料等等。事實上，可控低強度材料是一系列具有不同用途的低強度材料的總稱。例如，強度較高的材料可用于建筑物下的建筑回填，而經(jīng)摻入泡沫材料的低強度、低密度的可控低強度材料則可以用于隔熱回填料。所以對于具體的應用，應當從技術(shù)、經(jīng)濟的角度出發(fā)，選擇CLSM的類型。
可控低強度材料不同于混凝土，也不同于水泥，這種材料不需要養(yǎng)護或者壓實，其強度比混凝土低得多，但是可以與壓實回填料相當?？煽氐蛷姸炔牧喜灰笥休^好的抗凍融性、抗磨蝕、抗化學侵蝕能力。這種材料比土質(zhì)或者砂粒回填材料貴，但是這種材料比傳統(tǒng)的回填材料有許多優(yōu)越的性能。
2 CLSM 的顯著特點
2.1 低強度
大多數(shù)用于回填的CLSM 抗壓強度變化范圍是0.35-2.00MPa，保證在以后能夠進行二次回填，通過適當調(diào)整材料組分的含量可以獲得更高的抗壓強度。CLSM 的水泥含量一般為50-100Kg/m3，用以提供所需的強度。與結(jié)構(gòu)混凝土相比較低性能要求使得可以利用工業(yè)廢棄物為原料生產(chǎn)CLSM。S. T¨urkel[1]研究得出由含有低摻量火山灰水泥、高摻量的C 級粉煤灰和壓碎石灰石制備的CLSM 在365 天的抗壓強度為1.16—2.80MPa 范圍內(nèi)。
2.2 高流動性
CLSM 不是一種結(jié)構(gòu)材料，因此不能認為是混凝土。CLSM 是一種能夠代替密實土壤主要用作回填材料的流動性膠凝材料，這種流動性填充材料要求不經(jīng)過搗筑和壓實就能夠獲得要求的強度，所以可以設計為流態(tài)狀，CLSM 主要用于難以或者不可能應用可以填充材料的土木工程的回填中（ACI 229, 1999），因為在那些地方澆注和搗實是很困難的。在致密或者密集的地方，回填材料的擴展和壓實通常通過人工完成，耗費操作時間，提高操作成本。
通過加入大量水或者摻入引氣劑、塑化劑等外加劑（有時基于成本的考慮不摻加外加劑）從而獲得較好的工作性。具有高度流動性的類似混凝土的材料一般粘結(jié)性較差，所以需要大量摻入細集料，否則有離析的危險。因為CLSM 的力學性能低于混凝土的力學性能，所以在生產(chǎn)CLSM 時可以大量摻入細粒物料來改善材料的工作性能而不破壞其力學性能。這也是大量工業(yè)廢物得以有效利用的原因。
M.A. Gabr 和John J. Bowders[2]研究了以礦山酸性排渣（AMD）和粉煤灰制備的典型CLSM，其擴展度達到229mm，在許多試驗中根據(jù)這個擴展度來確定需水量，而且當波特蘭水泥的含量為2.5％，石灰的含量為2.5％時，CLSM 能夠獲得229ｍｍ的合適擴展度，當波特蘭水泥的含量大于2.5％，擴展度接近215ｍｍ，認為是合適工程應用的，而當石灰的含量大于2.5％時，擴展度為180ｍｍ，認為流動度太低，而不適合工程應用。
以粉煤灰為典型代表的工業(yè)廢棄物，顆粒形狀為球形，能夠充分發(fā)揮其形態(tài)效應，提高了CLSM 的流動性，以至于這種材料容易施工，需要一點或者不需要搗筑和壓實。
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2.3 大量利用工業(yè)廢棄物
在許多國家，如何處理由各行各業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢物材料是一個嚴重的問題。工業(yè)化造成了工業(yè)廢棄物和副產(chǎn)物的逐漸增加，為了適應迅速增長的世界人口，原材料和汽油的需求量也在逐漸增加。這又明顯以產(chǎn)生廢棄物的形式帶來許多的環(huán)境問題，同時提高了水體資源、大氣資源和土壤資源污染的可能性。廢物的安全處理成本高，而且缺少合理設計的處理場地，在處理這樣的廢棄物的同時能夠不對環(huán)境造成不利影響。因此，近年來已有研究關于研發(fā)利用廢棄物材料和工業(yè)副產(chǎn)物的有效方法，使其有害影響達到最小甚至消除。建筑工業(yè)是安全利用廢棄物的擁有美好前景的領域。眾所周知，在30 多年前，諸如利用粉煤灰、硅灰、煤粉燃灰、粒狀高爐礦渣等工業(yè)副產(chǎn)物部分代替水泥提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，增強新拌混凝土（例如工作性、泌水率）和硬化混凝土（例如強度）性能。
另一個應用就是將這種材料作為可控低強度材料加以有效再利用。CLSM 是一種由水泥、砂、水和粉煤灰為典型組分組成的料漿。砂和水泥是CLSM 的主要組分；用廢棄物材料代替水泥或者天然砂是有吸引力、有受益的再利用選擇。
CLSM 能夠利用的工業(yè)廢棄物主要包括：粉煤灰、水泥窯灰、瀝青混凝土尾砂、燃煤底灰以及采石場尾砂、水泥旁道灰、焚化爐灰、銅礦渣、礦山酸性排渣、改性的水庫污泥、廢舊鑄造模砂、以及循環(huán)利用的玻璃等等。
一般來說，由于這些工業(yè)廢棄物含有大量的極細顆?；蛘邚姸容^低的性能特點，是不適合用于工業(yè)建設中。大多數(shù)國際標準在混凝土應用中限制細顆粒（顆粒能夠通過200 號篩0.075mm）在碎砂的16%（前歐洲12620：2000）或7%（ASTM C33）。CLSM 也稱為流動填充材料，可以作為一種較好的方法大摻量利用細顆粒材料，同時又不會削弱CLSM 的性能。
Butalia[3]等研究發(fā)現(xiàn)再利用煙氣脫硫（FGD，fuel gas desulfurization）石膏作為一種流動回填材料在可灌筑性、抗壓強度和可回填性方面與普通的流動回填材料具有可比性,還提出摻有摻合料和外加劑比傳統(tǒng)的快凝流動填充材料具有優(yōu)良的性能。Pierce 和Blackwell 以及Siddique 和Naik [6，7]提出將橡膠邊角料作為輕集料應用于流動回填材料中，能夠大量用于諸如橋基回填、溝壕回填等工程以及地基和支撐回填。Katz 和 Kovler [8]研究了工業(yè)副產(chǎn)物在生產(chǎn)CLSM 中的應用。五種不同的工業(yè)副產(chǎn)物分別是：水泥窯灰、瀝青混凝土尾砂、粉煤灰、爐底灰和采石場尾砂。結(jié)果表明CLSM 當含有大量灰（質(zhì)量的25-50%）在大多數(shù)情況下可以獲得優(yōu)良的性能，特別是加入的廢棄物具有諸如粉煤灰和水泥窯灰的某些水泥或火山灰潛在活性。近來，Al-Harthy [9]等提出流動填充材料的水量對強度的影響。研究中所用的水來自Oman 的四大主要產(chǎn)油田。結(jié)果表明：與使用飲用水相比，使用非飲用水獲得的強度較低。然而，所有類型的水仍然能夠獲得對于流動填充材料可以接受的0.35-3.5MPa 的28 天抗壓強度。
3 主要利用的工業(yè)廢棄物
3.1 粉煤灰（FA，F(xiàn)ly ash）
粉煤灰是目前利用效率最高的工業(yè)廢棄物。在發(fā)達國家和國內(nèi)諸如北京、上海等城市粉煤灰被廣泛應用于水泥廠、商品混凝土攪拌站等等，在某些電廠相對不是很集中的地方甚至出現(xiàn)供不應求的狀況。
粉煤灰是在電廠燃煤過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。世界范圍內(nèi)燃煤電廠每年以廢棄物形式產(chǎn)生數(shù)百萬噸粉煤灰。土耳其西部的Soma熱電廠每年產(chǎn)生粉煤灰4，000，000噸，但只有0.49%被利用，剩余部分以廢渣填埋形式廢棄了[1]。
同時粉煤灰也是最主要和常見的CLSM原料，在利用其它工業(yè)廢棄物時總會引入粉煤灰組分。ACI委員會報告已經(jīng)作出規(guī)定：粉煤灰（C級和F級）可以用相對低摻量的水泥來激發(fā)它的火山灰活性用來生產(chǎn)CLSM填充材料。
S. T¨urkel[1]研究了以低摻量的火山灰水泥和高摻量的C級粉煤灰和石灰石集料制備的CLSM具有良好的流動性，所有CLSM的火山灰水泥的質(zhì)量保持恒定為粉煤灰質(zhì)量的5%，28天抗壓強度在0.85-1.15MPa范圍內(nèi)，能夠作為一種低強度材料。實驗還發(fā)現(xiàn)CLSM與密實土壤相比有著更高的抗折性能。CLSM的7天齡期的抗折強度、抗滑應力等性能都超過了傳統(tǒng)回填材料的相應性能，所以CLSM適合用于回填。
S. T¨urkel還研究了[10]CLSM的長期技術(shù)性能和物理性能，諸如毛細吸水量和EP毒性。CLSM的28天毛細吸水量數(shù)值在1.43×10−3-- 2.08×10−3 cm2/s。同時發(fā)現(xiàn)增加細集料含量，水/（火山灰水泥+粉煤灰）比也增加，毛細吸水系數(shù)也增加。
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Amnon Katz和 Konstantin Kovler[8]研究發(fā)現(xiàn)含有粉煤灰的CLSM試樣后期強度高，一定程度上高于考慮到試樣中水泥潛在活性的預期強度值。從理論上講，水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH）2只能夠一部分和粉煤灰反應，有限的增加強度。水泥含量為50kg的粉煤灰試樣后期強度高于水泥含量為100kg的試樣的28天強度，需要對這一現(xiàn)象的機理做更深入的研究。
3.2 水泥窯灰（CKD，cement kiln dust）
水泥窯灰（CKD），也稱為旁道灰，是水泥生產(chǎn)的副產(chǎn)物。CKD是細粒顆粒材料，主要由取自生產(chǎn)熟料的高溫過程中的靜電收塵器的氧化的、無水的、微小顆粒組成。CKD的化學組成取決于生產(chǎn)熟料用的原材料以及在回轉(zhuǎn)窯中用來加熱材料的碳基燃料的類型和來源。國外對于CKD的有效利用主要有高速公路、土壤固化、水泥砂漿和混凝土應用、CLSM原料等等。
在美國每年產(chǎn)生將近15，000，000噸CKD（美國環(huán)境保護署，1993年）。水泥窯灰具有在許多方面的再利用潛力，但是再利用這種副產(chǎn)物材料的最好途徑是在水泥生產(chǎn)過程中的再利用。這在某些水泥窯設備中經(jīng)常是不可行的。在美國產(chǎn)生的CKD總量的60-70%（8-8.4，000，000噸）以這種方式再利用（美國環(huán)境保護署，1993年）。CKD的最普遍的有效利用有土壤固化、廢棄物處理、代替水泥、瀝青路面和其它應用。
Al-Jabri 和Pierce[4，5] 等研究了水泥窯灰或者水泥旁道灰（CBPD）在CLSM中的應用。兩者的研究結(jié)果表明加入水泥窯灰能夠生產(chǎn)強度很低的材料，能夠提供與應用在傳統(tǒng)回填或者其它低強度應用中的土壤相當?shù)膹姸取?/DIV>
Amnon Katz和 Konstantin Kovler[8]研究了使用五種工業(yè)副產(chǎn)物制備可控低強度材料（CLSM）。他們使用了水泥窯灰（CKD）、瀝青混凝土的尾砂（AD）、粉煤灰（FA）、爐底灰（BA）和采石場尾砂（QW）。在所有的試樣中都使用了普通波特蘭水泥（OPC）（粉煤灰的10%）。為了達到恒定的流動度200mm調(diào)整加入的水量。
得出的結(jié)論主要有：
?。?）粉煤灰、瀝青混凝土尾砂和水泥窯灰的顆粒尺寸極細，而爐底灰和采石場尾砂較粗。顆粒的形狀影響需水量，為了得到恒定的流動度，通過增加細廢料的含量顯著增加了需水量，因為圓形顆粒的需水量較小。水泥量的增加伴隨著碎砂含量的相應減少。由于爐底灰的多孔特性和粗糙表面，需要增加水量。采石場尾砂中大量的細顆粒是導致水量增加的直接原因。由于粉煤灰的球形形狀以及緩凝現(xiàn)象，含有粉煤灰的試樣泌水率值高（比瀝青混凝土尾砂試樣大兩倍，比水泥窯灰試樣大三倍）；（2）水泥窯灰的膠結(jié)能力在早期增大了拌合物的稠度，有利于減少這些拌合物的泌水；（3）增大細廢料的含量略微增加了FA和CKD拌合物的凝結(jié)時間，但是顯著增加了瀝青混凝土拌合物的凝結(jié)時間，因為瀝青混凝土尾砂是完全惰性的材料。用爐底灰代替碎砂，由于爐底灰影響了凝結(jié)過程中的化學作用，縮短了拌合物的凝結(jié)時間。然而，當使用采石場尾砂時，由于細材料的高含量顯著增加了凝結(jié)時間。以水泥質(zhì)量的2%和5%添加CaCl2作為緩凝劑，分別縮短了14%--35%的緩凝時間。（4）在含有粉煤灰和瀝青混凝土尾砂的混合物基體中只檢測到少許的細裂縫。在表現(xiàn)較大收縮的水泥窯灰試樣中檢測到較粗的裂縫；（5）增大細廢料的含量到原來的兩倍增大了體積變化以及開裂的趨勢；含有粉煤灰和瀝青混凝土尾砂的試樣收縮增大了幾乎75%，但是水泥窯灰試樣幾乎增大了300%；（6）在所有試樣中增加水泥的含量，減少了收縮和開裂的趨勢：而增加采石場尾砂的含量顯著增加了收縮，因為在這種細廢物中含有粘土。研究發(fā)現(xiàn)早期收縮與試樣的泌水率成反比。水泥窯灰拌合物的泌水很小，表現(xiàn)出最大的收縮，因為水分是從材料體中蒸發(fā)而不是從材料表面。只要有足夠可用的水分從表面蒸發(fā)，粉煤灰和瀝青混凝土尾砂拌合物的收縮就?。唬?）導致需水量增加的參數(shù)也會影響總吸收，當細廢料的含量增加或者使用多孔材料（爐底灰）時，總吸收量顯著增加。
R.A. Taha等[11]研究了水泥旁道灰、焚化爐灰、銅礦渣在CLSM中的應用，對由各種組分不同比例制備的CLSM進行了坍落度、單位容重以及無側(cè)限抗壓強度測試。所制備的試樣在常溫下密封于塑料袋中養(yǎng)護。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護方法和時間對于CLSM的強度有相當大的影響，室溫下養(yǎng)護比在密封塑料袋中養(yǎng)護的強度高。設計使用廢棄物材料、水泥和砂的拌合物產(chǎn)生的強度值高于使用廢棄物材料完全代替水泥制的拌合物的強度。因此，建議將焚化爐灰、銅礦渣和水泥旁道灰與水泥混合使用以增強它們的火山灰活性。雖然添加銅礦渣獲得的強度結(jié)果可以接受，但是可以預期在CLSM中使用銅礦渣完全代替砂能夠獲得更好的性能。銅礦渣比砂的吸收性小，強度高。對于在CLSM中銅礦渣的有效利用有必要作進一步的研究。
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3.3 礦山酸性排渣（AMD，Acid mining drainage ）
M.A. Gabr 和John J. Bowders [2]研究了用礦山酸性排渣（AMD）和粉煤灰制備CLSM。AMD 是一種石灰基工業(yè)廢棄物，與粉煤灰混合后，表現(xiàn)的自我硬化特性與水泥相似，AMD礦泥取自沉降池，是地下礦井水通過沉降池用消石灰Ca（OH）2 進行處理得到的，由AMD制備的CLSM 的典型配比為礦山酸性排渣（AMD）：10％，波特蘭水泥：2.5％，F(xiàn) 級粉煤灰：87.5％（該研究中粉煤灰的摻量不小于80％）。
實驗發(fā)現(xiàn)所有試樣隨著AMD 礦泥的百分數(shù)不同，比重在2.5－2.7 之間，與普通土壤的比重值2.6-2.8 具有相似之處；含有水泥的CLSM 在不到24 小時硬化（應用于快速施工），與礦山酸性排渣的含量無關；含有石灰的CLSM 硬化時間從含有礦山酸性排渣的2 天變化到不含有礦山酸性排渣的14.5 天；CLSM 的流動度與粘度之間存在相關性。由于試樣采用波特蘭水泥作為膠凝劑，當粘度為2200－2650cp 是流動度可以相應達到229ｍｍ。由于含有石灰，對應于229ｍｍ流動的粘度范圍為1500-3375cp；當試樣中水泥和AMD 礦泥的含量均為10％時，無側(cè)限抗壓強度從7 天的0.64MPa 增大到28 天的0.442MPa；若水泥和AMD礦泥的含量均為10％的試樣超出了最高的回填強度限制值。
3.4 改性水庫污泥（OMRS，Organo-modified reservoir sludge）
在臺灣，相當多的水庫淤泥在垃圾填埋場日益難以處理，同時產(chǎn)生了嚴重的處理問題。與焚化的生活污泥灰不同，水庫污泥由大量的蒙脫石粘土組成，當與水混合時會引起一定程度的有害膨脹。因此，水庫污泥不能作為細集料在混凝土中直接使用，在研究中必須首先被改性然后用作水泥砂漿中的細集料。 Wen-Yih Kuo[12]等研究了用有機改性的水庫污泥（OMRS ，Organo-modified reservoir sludge）代替細集料的百分含量超過80%，可以用于可控低強度材料中。鑒于CLSM 主要用于回填，對于其它的回填材料也做一些介紹：德國和前蘇聯(lián)等國家在70 年代開展了全尾砂膏體泵送充填技術(shù)研究[13], 全尾砂膏體泵送充填的特點是料漿濃度大, 其重量濃度可達75 %～85 % ,呈牙膏狀。由于膏體的塑料粘度和屈服切應力大,必須采用加壓輸送。膏體料漿象塑性結(jié)構(gòu)體一樣在管道中作整體運動, 膏體中的固體顆粒一般不發(fā)生沉淀, 層間也不出現(xiàn)交流, 膏體在管路中呈柱狀流動。
孫恒虎[13]等提出高水固化速凝材料用于礦山回填。該充填工藝技術(shù)的實質(zhì)是: 以高水速凝固化材料作膠凝劑, 使用全尾砂作充填骨料, 按一定的配比加水混合后, 形成高水固結(jié)充填料漿。根據(jù)工藝設備條件和現(xiàn)場技術(shù)的要求, 充填料漿濃度在30 %～70 %之間變化, 充入采場后不脫水便可以凝結(jié)為固態(tài)充填體。
4 CLSM 的優(yōu)點
（1）能夠有效而且大量利用各種工業(yè)廢棄物，相對于商品混凝土攪拌站和水泥廠來說，CLSM 對于粉煤灰等工業(yè)廢棄物的質(zhì)量要求相對低得多，但是用量卻要大得多；
?。?）流動性好，具有類似于自流平的特性，尤其適用于要求密實度較高的回填工程中，對于狹窄、難以接觸到的地方也能夠施工；
?。?）簡單易得，原材料來源廣泛，水泥品質(zhì)要求較低，在原材料準備好之后可以在現(xiàn)有的混凝土攪拌站攪拌生產(chǎn)并運輸至指定地點；
?。?）使用范圍廣泛，比如：開放式涵洞、露天礦山、襯里、橋梁底下施工、涵箱的內(nèi)部和周圍、排水渠或者排水管的內(nèi)部或者周圍以及其它具體的回填應用等等，但CLSM的應用不僅僅局限于此。
（5）CLSM 消耗了大量的廢棄物，但不會對環(huán)境造成二次污染和潛在的污染；
?。?）CLSM 便于施工、節(jié)省了操作時間（8m3 的回填材料只需要3 分鐘的工作時間），減少了人工投入，抗壓強度可控、就地施工成本低，使得CLSM 要優(yōu)于傳統(tǒng)的回填方法。Landwermeyer 和Rice[14]提出這種材料是經(jīng)濟的、節(jié)約勞力的、并且不會由于變化的空氣濕度而引起不良的影響。
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5 需要注意的幾個問題：
5.1 浸出危險
CLSM是高浸出性材料，并且應用于例如填充、廢渣填埋場的襯里材料，所以應該研究它們對環(huán)境可能造成的影響。組成粉煤灰的細顆粒含有可浸出的重金屬，因此Carlson、Adriano和Ferreira[15]等把粉煤灰定義為有毒廢棄物。有關CLSM應用的主要環(huán)境問題是某些組分可能會浸出滲入地下水中，達到一定的濃度會對人身健康造成潛在危害。
S. T¨urkel [10]在進行EP毒性測試之后，測得了八種重金屬的濃度：分別是砷、鋇、鎘、鉻、鉛、汞、硒和銀。實驗結(jié)果表明，選出的CLSM的所有重金屬的濃度都要低于EPA規(guī)定的限值。因此，CLSM不會對地下水產(chǎn)生危害。同時根據(jù)EPA標準CLSM是環(huán)境合格型材料。
Amnon Katz*和 Konstantin Kovler[8]指出當工業(yè)廢物被包裹在CLSM 材料中時，大多數(shù)痕量元素的浸出率顯著減少。只有Fe 的浸出率增加，原因是水泥和碎砂中存在Fe。同樣，Al 的浸出率相對減少較少，也可能是因為水泥和碎砂中存在Al。
5.2 二次回填困難
CLSM的強度若高于周圍的土壤，勢必給二次回填帶來困難。CLSM的28抗壓強度通常不大于8MPa，從技術(shù)要求的角度出發(fā)，要求嚴格將CLSM的強度控制在較低的水平，在許多流動回填中，有些回填材料的28天強度低至0.7MPa，但是CLSM的強度值遠遠大于大多數(shù)天然土壤，這導致回填部分的強度高于周圍土壤。如果CLSM中含有火山灰活性的組分，在后期如果要進行二次回填，強度值太高可能會造成問題。所以當有必要進行二次回填的時候其365天的抗壓強度要求低至1.16-2.80MPa。
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Overview of controlled low strength material（CLSM）
by reusing industrial wastes
WANG Dong-min LUO Xiao-hong
Research Institute of Concrete & Eco- Materials
China University of mining and technology (Beijing) Beijing 100083
Abstract: In this paper it reports that low strength, high fluidity and effectively reusing industrial wastes are typical characteristics of controlled low material (CLSM). It takes fly ash、cement kiln dust and acid mining drainage as the main solid wastes to prepare CLSM and then shows several results that CLSM can make use of a great of industrial by-products in nowadays. At the end of this paper, so many advantages of CLSM have been discussed and some problems of CLSM in the application have also been proposed.
Keywords: CLSM, low strength, high fluidity, industrial wastes
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