本文首發(fā)于《材料導(dǎo)報(bào)》，2024, 38(15): 23040087

DOI:10.11896/cldb.23040087http://www.mater-rep.com

填筑（回填）作業(yè)是工程建設(shè)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是保證主體結(jié)構(gòu)安全及實(shí)現(xiàn)周邊結(jié)構(gòu)部位防滲、防沉降等功能的技術(shù)措施，以建筑工程的基坑回填、城市綜合管廊或市政管線/管涵回填、交通工程的“三背”回填、礦山工程的采空區(qū)充填等最為典型^[1–3]。傳統(tǒng)回填主要通過分層碾壓或夯實(shí)來達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度和強(qiáng)度，對(duì)承載力有一定要求的回填區(qū)，需要使用級(jí)配良好的砂性土或碎石才能得到較高的干密度和較好的力學(xué)特性，二八灰土或三七灰土也是傳統(tǒng)常用的回填材料^[4,5]。然而，分層碾壓或夯實(shí)的填筑方式存在施工工藝繁瑣、效率低、回填土夯實(shí)質(zhì)量不穩(wěn)定等弊端，如遇到狹窄、異形、回填深度大不利于實(shí)施碾壓、夯實(shí)的工況條件，則回填工程質(zhì)量更加難以保證^[6–8]。因回填不密實(shí)引發(fā)城市地面沉降或地下采空區(qū)塌陷，甚至造成建筑物傾斜的工程事故時(shí)有發(fā)生^[9]。為了提高回填質(zhì)量，工程上有時(shí)也采用低等級(jí)混凝土或水泥基灌漿料作為狹窄空間的填筑材料^[10,11]，但由于材料成本高而難以廣泛應(yīng)用；同時(shí)，由于混凝土、灌漿料硬化后強(qiáng)度較高，不僅造成浪費(fèi)，對(duì)于需要二次開挖的回填部位反而造成新的困難。

針對(duì)傳統(tǒng)回填的弊端，一種可以通過管道輸送或泵送、自密實(shí)、自硬化的低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料及其應(yīng)用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，用于替代傳統(tǒng)碾壓或夯實(shí)工藝的回填作業(yè)。低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料是一類組成多樣、用途廣泛的工程材料，在建筑/市政、交通、水利、礦山等行業(yè)均有應(yīng)用^[1,12–15]。由于各行業(yè)的自身特點(diǎn)，低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料的應(yīng)用場(chǎng)合、性能要求、施工方法、材料組成，以及名稱術(shù)語都有不同，行業(yè)和專業(yè)的隔離造成對(duì)低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，也導(dǎo)致各行業(yè)之間不能互相借鑒交流。因此，本文旨在總結(jié)梳理前人的研究基礎(chǔ)，闡述低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料的基本概念、特點(diǎn)及其應(yīng)用情況；同時(shí)，對(duì)不同行業(yè)的低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料的發(fā)展及研究現(xiàn)狀、存在問題進(jìn)行分析和梳理，以期加深和擴(kuò)展對(duì)這類材料的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)跨行業(yè)的交流和發(fā)展。

1.1 低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料的概念

低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料可定義為：以土或工礦業(yè)廢棄物細(xì)顆粒為主要基料，加入適量的膠凝材料、必要的添加劑和水，經(jīng)攪拌設(shè)備充分混合均勻，可采用管道輸送/泵送，澆筑時(shí)可自密實(shí)成型，凝結(jié)硬化后形成具有一定強(qiáng)度和其他性能的工程材料?！暗蛷?qiáng)度”主要是相比于澆筑施工的混凝土、砂漿、灌漿料，其硬化體強(qiáng)度較低（28 d抗壓強(qiáng)度通常低于10 MPa），且用于巖土工程中的填筑材料，常與土的承載力相比較，因此也不需要太高的強(qiáng)度。ACI 229R規(guī)定的可控低強(qiáng)度材料(Controlled Low-Strength Materials，CLSM)28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不超過8.3 MPa，GB/T51450-2022《金屬非金屬礦山充填工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》提到礦山充填體的抗壓強(qiáng)度一般為6 MPa以內(nèi)，多為2~4 MPa(根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部位要求存在差異)，通常市政工程的回填材料的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度多在0.3~1.0 MPa之間。正因?yàn)橐髲?qiáng)度不高，并不需要像混凝土、砂漿有較為嚴(yán)格的原材料和較為統(tǒng)一的配合比參數(shù)，其材料組成具有多樣性和非標(biāo)準(zhǔn)特征。

如圖1所示，在基料的選擇上，包括了工程棄土、建筑垃圾再生砂/粉、工業(yè)廢渣、尾礦砂、工程泥漿、攪拌站廢漿液等低品質(zhì)非標(biāo)準(zhǔn)化材料。根據(jù)基料的選擇，不同行業(yè)對(duì)流態(tài)填筑材料具有不同的術(shù)語：礦山膠結(jié)充填材料的主要基料為分級(jí)尾砂或全尾砂，一般經(jīng)過濃密處理后使用；可控低強(qiáng)度材料主要以砂為細(xì)骨料，輔助膠凝材料中添加粉煤灰來改善漿體的流動(dòng)性，原材料更側(cè)重?fù)駜?yōu)選取而非就地取材；液態(tài)粉煤灰則是以粉煤灰作為主要基料；流態(tài)固化土以建筑渣土、廢棄泥漿為主要基料，并兼容尾礦、廢棄石粉、建筑垃圾的再生骨料、再生砂粉和微粉等，不與混凝土爭(zhēng)奪砂石，就地取材，具有廣闊的應(yīng)用空間；黏土水泥漿，常用于水利或巖土工程中的防滲層，基料要求含有較多蒙脫石的黏土；氣泡輕質(zhì)土則主要是通過物理發(fā)泡產(chǎn)生的泡沫填充在材料中間，以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化。根據(jù)常見的基料粒徑范圍和強(qiáng)度范圍，可以將低強(qiáng)度流態(tài)填筑料種類做一個(gè)相對(duì)性的區(qū)分，見圖2。

另一方面，在膠材的選擇上，低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料可以大量利用冶金渣、燃煤副產(chǎn)物、水泥窯灰、化工副產(chǎn)品(如電石渣、堿渣、廢棄石膏)、農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物(如稻殼灰)等低品質(zhì)固廢，并通過協(xié)同設(shè)計(jì)和化學(xué)激發(fā)制成，作為水泥的替代品^[16]。低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料的組成，無論是基料還是膠凝材料，都大量使用廢棄物或低品質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的資源化和水泥材料的減量利用，具有突出的包容性和綠色低碳特征。

1.2 低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料的特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)回填材料，低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料具有以下工藝和性能上的優(yōu)勢(shì)：

優(yōu)異的施工性能：低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料的拌合物具有大流態(tài)的施工性能，可依靠重力垂直自流輸送，也可以通過泵送輸送。填筑料如能實(shí)現(xiàn)自流輸送，可以減小施工成本，降低施工作業(yè)的故障率。填筑材料澆筑時(shí)無需振搗，可實(shí)現(xiàn)自流平、自密實(shí)。由于去除了壓實(shí)工藝，對(duì)于零星或少量的回填工程，可以顯著提高施工效率；對(duì)狹窄或異形空間的回填，更具有無可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，流態(tài)填筑材料技術(shù)對(duì)于解決工程建設(shè)中回填質(zhì)量難以控制的行業(yè)痛點(diǎn)具有突出的價(jià)值^[1]。

較好的勻質(zhì)性：水泥攪拌樁為原位拌合工藝，經(jīng)過水泥攪拌樁處理后的固化土存在勻質(zhì)性差的弊端，而低強(qiáng)度流態(tài)填筑料通過對(duì)采用的土料或泥漿等基料進(jìn)行破碎、篩分或前期預(yù)勻化處理，后續(xù)在水和外加劑的作用下，經(jīng)過充分?jǐn)嚢?，顯著改善了漿體的勻質(zhì)性。

較低的經(jīng)濟(jì)成本：采用流態(tài)填筑材料回填，會(huì)減少對(duì)人工和設(shè)備的需求，加快施工速度，能夠在狹窄或限制進(jìn)入的區(qū)域施工，還能夠回收利用多種低品質(zhì)固體廢棄物，“化廢為寶”帶來的經(jīng)濟(jì)效益凸顯。經(jīng)測(cè)算比較，采用低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料回填的綜合造價(jià)低于“二八灰土”^[1]。

1.3 低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料應(yīng)用方向及性能要求

低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料具有廣泛的應(yīng)用方向，包括建筑和市政工程的管廊基槽和建筑物深基坑回填、管網(wǎng)埋設(shè)回填，也包括礦山工程中的采空區(qū)回填、公路工程中橋涵構(gòu)造物的臺(tái)背回填等。

依據(jù)不同的應(yīng)用方向，對(duì)填筑材料有不同的性能要求。表1為不同應(yīng)用領(lǐng)域流態(tài)填筑材料的主要性能要求。

2.1 礦山膠結(jié)充填材料

中國(guó)每年尾礦排放量超過10億噸，總排放量為100余億噸^[9,21,22]。大量尾礦的地面處置對(duì)空氣、水、土壤環(huán)境產(chǎn)生了不利的影響。1957年加拿大率先采用分級(jí)尾砂加硅酸鹽水泥的膠結(jié)充填采礦技術(shù)，既解決了尾礦地表堆存帶來的安全與環(huán)境問題，同時(shí)可以消納大量超細(xì)尾礦等固體廢棄物^[23]。礦山膠結(jié)充填主要是利用采礦過程中產(chǎn)生的尾砂或達(dá)到一定濃度的尾礦漿與膠凝材料混合攪拌均勻，通過充填管道輸送到地下采場(chǎng)，充填到礦山采空區(qū)，硬化后形成支撐礦柱，達(dá)到控制圍巖變形、地表沉陷，保護(hù)環(huán)境與控制地壓的效果。膠結(jié)充填采礦法的發(fā)展可以大致分成三個(gè)階段，即低濃度膠結(jié)充填、高濃度膠結(jié)充填及膏體充填(如表2所示)。

長(zhǎng)期充填實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，充填濃度越高，對(duì)于充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)越有利，同樣強(qiáng)度要求下，提高充填料漿濃度能大大減少水泥用量，降低充填成本。在此思路下，膏體充填成為當(dāng)前礦山充填技術(shù)研究的主流。與以往回填技術(shù)相比，膏體充填采礦技術(shù)促使采礦率進(jìn)一步提高，同時(shí)，具有水泥耗量低、尾砂利用率高、硬化速度快等特點(diǎn)，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。膏體充填料漿由于塑性黏度和屈服應(yīng)力大，輸送方式主要采用依靠料漿重力作用的自流方式和借助外力的泵壓輸送方式，常以充填倍線(從系統(tǒng)入口至出口的任一點(diǎn)管道長(zhǎng)度與垂直高差之比的最大值)作為判斷充基料能否自流輸送的依據(jù)^[24]。近年來，隨著開采深度的不斷延伸，系統(tǒng)重力勢(shì)能不斷增大，特定情況下可滿足自流輸送。表3匯總了國(guó)內(nèi)外部分金屬礦山膏體充填工程中的主要參數(shù)^[3]。

充填料選擇方面，膏體充填料一般取決于礦山附近可利用的固體廢棄物。圖3總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于回填中利用各種工業(yè)廢棄物的大致比例(數(shù)據(jù)來源^[25])。隨著目前采礦業(yè)選礦效率的提高，從圖3可以看出，磨細(xì)尾礦逐漸成為膏體充填的主要原材料。此外，還包括一些煤矸石、天然砂石、再生骨料等。由于廢石等大顆粒骨料無法實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)輸，需要額外破碎、篩分至所需粒度，增加了施工程序的復(fù)雜性，因此在膏體回填過程中利用率較低。為保證回填質(zhì)量，任何廢料用于回填前，需對(duì)其物理、化學(xué)等性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，充填料的細(xì)粒分?jǐn)?shù)和密度會(huì)影響膏體的流動(dòng)性能，充填料的顆粒形態(tài)、粒徑分布、化學(xué)及礦物組成對(duì)膏體回填中膠凝材料用量、水化活性的影響作用同樣不容忽視。

充填膠凝材料的類型和用量顯著影響膏體回填的強(qiáng)度。據(jù)計(jì)算，硅酸鹽水泥在膠結(jié)充填材料成本達(dá)60%~80%^[26]，同時(shí)，水泥對(duì)超細(xì)尾礦和含泥量高的材料固結(jié)性能差，漿體易出現(xiàn)離析、泌水現(xiàn)象。對(duì)此，新型充填膠凝材料體系成為礦山充填研究熱點(diǎn)。圖4總結(jié)了近年來膏體充填中用于替代水泥的材料占比(數(shù)據(jù)來源^[25])，粉煤灰、礦渣、硅灰等是最廣泛使用的水泥替代品。此外，堿激發(fā)類膠凝材料、赤泥、高水材料、半水磷石膏膠凝材料在膏體充填中也有相應(yīng)的應(yīng)用^[26–28]。粉煤灰由于材料本身存在“滾珠效應(yīng)”，改善管路輸送性能的同時(shí)，有利于充填體后期強(qiáng)度的提升。陳嘉生^[29]采用水泥:粉煤灰:尾砂=1:2:8制備的粉煤灰細(xì)砂膠結(jié)體90 d強(qiáng)度可達(dá)2 MPa以上。謝長(zhǎng)江^[30]使用高爐礦渣替代40%~50%的水泥制備而成的膠結(jié)充填料可降低19.4%~24.2%充填成本。楊志強(qiáng)^[31]針對(duì)有潛在活性的金川水淬鎳渣尾砂，采用脫硫石膏、電石渣、水泥熟料等組成復(fù)合激發(fā)劑，配制成膠砂比1:4，料漿濃度79%的充填料漿，其28 d強(qiáng)度可達(dá)6.3 MPa。新型膠凝材料的利用進(jìn)一步降低了充填材料成本、提高工業(yè)廢渣利用率，同時(shí)材料本身特殊的性質(zhì)有效減少了充填體料漿泌水現(xiàn)象，更有利于改善井下充填環(huán)境。

事實(shí)上，進(jìn)行回填后的充填體涉及到傳熱、滲透、力學(xué)、化學(xué)多因素的耦合作用^[3]。除抗壓強(qiáng)度指標(biāo)之外，其耐久性是影響安全開采的重要因素。不同的膠結(jié)充填原材料(不同來源的尾礦、膠凝材料、水)的特性、固化條件以及圍巖環(huán)境都將影響膏體充填體硬化強(qiáng)度及耐久性。因此在實(shí)際應(yīng)用之前，有必要針對(duì)性的對(duì)其長(zhǎng)期性能進(jìn)行研究。

2.2 可控低強(qiáng)度材料

美國(guó)提出的可控低強(qiáng)度材料(CLSM)是低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料這一概念的主要構(gòu)成，也有人稱之為可流動(dòng)填料、自密實(shí)回填材料、土壤水泥漿等^[15,32,33]。根據(jù)美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)定義，可控低強(qiáng)度材料是一種主要用于管溝回填的、具有自我充填性的、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不超過8.3 MPa(Φ150 mm×300 mm圓柱試件^[34])的低強(qiáng)度水泥基回填材料。從組成上來講，CLSM主要由水泥、輔助膠凝材料、細(xì)骨料及必要的水組成，有時(shí)候也會(huì)加入一些外加劑(減水劑、引氣劑等)，圖5展示了CLSM典型配比(數(shù)據(jù)來源^[35])。CLSM的顯著特點(diǎn)是高流動(dòng)性和低強(qiáng)度，具有原材料來源廣、制備工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單、挖掘成本低、大量利用廢棄資源等優(yōu)勢(shì)，廣泛用于管道、孔洞、礦井、橋臺(tái)等工程回填中^[36]。

CLSM最早應(yīng)用于1964年，美國(guó)墾務(wù)局通過向開挖土中加入水泥、水，拌和均勻后用于德克薩斯州西北部的加拿大河渡槽項(xiàng)目，該回填方式節(jié)約了40%的施工成本^[37]。1970年左右，北美的不同公司陸續(xù)開發(fā)了類似于CLSM的材料產(chǎn)品，并申請(qǐng)了專利^[38]。1994年，ACI 229委員會(huì)發(fā)布了全面涵蓋CLSM配比、性能、應(yīng)用的技術(shù)報(bào)告，CLSM作為一種多功能建筑材料，迅速獲得認(rèn)可和規(guī)?；瘧?yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)南卡羅來納州2001年CLSM用量達(dá)到11500立方米^[35]。由于CLSM強(qiáng)度要求遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)混凝土，近些年來，學(xué)者開始研究利用各種建筑垃圾、工業(yè)副產(chǎn)品等廢棄資源來替代水泥、砂制備CLSM，以達(dá)到固廢利用，節(jié)約工程造價(jià)的目的。圖6總結(jié)了可用于制備CLSM的原材料(數(shù)據(jù)來源^[39])，其中粉煤灰、高爐礦渣等超細(xì)粉的加入，因其本身的“滾珠效應(yīng)”提高了漿體的流動(dòng)性，同時(shí)后期的火山灰效應(yīng)保證了硬化強(qiáng)度。除此之外，鑄造砂、橡膠粉、廢棄玻璃、渣土淤泥等作為替代細(xì)骨料也有相應(yīng)研究并得到了工程實(shí)際應(yīng)用^[15,39,40]。

為保證施工效率，CLSM通常需要提高用水量來保證其具有較高流動(dòng)性以實(shí)現(xiàn)自流平。除用水量外，Kaliyavaradhan^[39]研究了各類工業(yè)副產(chǎn)品用于CLSM對(duì)其工作性能的影響，結(jié)果表明，原材料的形狀、粒度分布、比重、吸水性對(duì)CLSM的流動(dòng)性、離析泌水和凝固時(shí)間均有顯著影響，需要通過合理調(diào)整配比設(shè)計(jì)以適應(yīng)工業(yè)固廢的特點(diǎn)。為了保證CLSM服役期間的穩(wěn)定性，根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求，其強(qiáng)度應(yīng)在0.3 MPa至8.3 MPa之間，如果要求可開挖性，其理想強(qiáng)度應(yīng)低于2.1 MPa。由于強(qiáng)度和耐久性之間的正相關(guān)性，CLSM較低的強(qiáng)度可能會(huì)對(duì)耐久性有不利影響。然而目前研究集中于各種固廢材料用于CLSM的流動(dòng)性和強(qiáng)度測(cè)試，涉及CLSM耐久性研究較少。Lachemi^[38]研究中發(fā)現(xiàn)摻入較大量水泥窯灰表現(xiàn)出較高的干燥收縮，同時(shí)其抗干濕/凍融循環(huán)能力下降。Qian^[41]利用建筑渣土替代砂制備CLSM，結(jié)果表明若全部取代砂土，經(jīng)過10次干濕或凍融循環(huán)將損失50％以上的初始強(qiáng)度。除原材料影響外，F(xiàn)olliard^[42]研究表明，若降低養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫濕度，CLSM的強(qiáng)度發(fā)展較為緩慢，不利于長(zhǎng)期性能的穩(wěn)定性。Okuyucu^[33]分別對(duì)比了相對(duì)濕度（RH）為100%和50%時(shí)的強(qiáng)度增長(zhǎng)率及干燥收縮，結(jié)果顯示50%RH條件下固化試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)率顯著降低，干燥應(yīng)變?cè)龃??？傊M成材料的特性、組份比例及其服役環(huán)境是控制CLSM新拌性能、硬化性能和耐久性能的關(guān)鍵因數(shù)。因此，當(dāng)利用不同材料配制CLSM時(shí)，應(yīng)充分考慮原材料的特點(diǎn)，有針對(duì)性的進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，以保證CLSM更好的服役于工程實(shí)際當(dāng)中。

2.3 流態(tài)固化土

土是一種天然性、碎散性、三相性的非均質(zhì)材料，土經(jīng)過加固處理后用于工程建設(shè)是普遍做法。20世紀(jì)初，美國(guó)、日本等國(guó)家開始研究水泥加固土，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過水泥加固后的土體能夠有效控制沉降、降低滲透性^[43]。20世紀(jì)中期，固化穩(wěn)定（Solidification/stabilization）技術(shù)以其高效、易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于護(hù)坡、地基加固、污染土壤固化領(lǐng)域^[44]。20世紀(jì)70年代以后，針對(duì)土體的不同性質(zhì)，土體加固材料逐漸開始使用礦渣、粉煤灰等固廢來替代水泥、石灰，發(fā)展為專用膠凝材料——巖土固化劑^[45–48]。巖土固化劑是一類能夠改善土體性質(zhì)、提高土體穩(wěn)定性和強(qiáng)度的復(fù)合膠凝材料。

20世紀(jì)80年代，日本為解決狹窄或異形空間回填困難、施工質(zhì)量差的問題，提出“流動(dòng)化處理土”施工技術(shù)，其方法是在渣土中加入適量水、膠凝材料，經(jīng)攪拌制備成具有一定流動(dòng)性的漿體，運(yùn)輸?shù)焦こ态F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行澆筑施工，其施工流程如圖7所示^[1]?！傲鲃?dòng)化處理土”是一種綠色施工技術(shù)，施工原材料可以充分利用地基開挖土或者淤泥，同時(shí)很好的解決固化土施工過程中勻質(zhì)性問題，是對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)定土（灰土等）技術(shù)的繼承和發(fā)展。

我國(guó)在2017年北京城市副中心綜合管廊基槽回填工程中，提出了“預(yù)拌流態(tài)固化土”（簡(jiǎn)稱“流態(tài)固化土”）的概念，是首個(gè)在國(guó)內(nèi)市政工程中規(guī)模化應(yīng)用的案例（填筑量約20萬立方米），其后在成都、深圳、雄安等地得到了不同規(guī)模的推廣^[1]。周永祥^[1]詳細(xì)闡述了流態(tài)固化土的基本性能，指出流態(tài)固化土是一種可以協(xié)同處置多種廢棄物的綠色建材。顧歡達(dá)^[49]提出利用拌合物180±20 mm、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度80~100 kPa作為“流動(dòng)化處理土”的技術(shù)指標(biāo)。范猛^[43]、王藝程^[50]、黃銳^[51]等人通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水固比可以較好的控制流態(tài)固化土工作性的變化，而灰土比與硬化后的強(qiáng)度呈正相關(guān)。由于各地區(qū)土體的復(fù)雜多樣性，學(xué)者們進(jìn)行了廣泛的研究。朱瑜星^[14]研究采用盾構(gòu)渣土制備流態(tài)固化土，發(fā)現(xiàn)水固比0.5~0.53、灰土比0.15條件下，其流動(dòng)性、強(qiáng)度均滿足管網(wǎng)回填要求。鄒培林^[52]利用鋪設(shè)管道開挖土制備流態(tài)固化土，并測(cè)試了其流動(dòng)性、干縮性和強(qiáng)度，得出流動(dòng)性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)估公式。因水泥固化淤泥效果較差，馮忠民^[53]在單一水泥作為膠凝材料的基礎(chǔ)上摻加粉煤灰、磷石膏組成復(fù)合固化材料對(duì)淤泥進(jìn)行流動(dòng)固化處理，測(cè)試了水泥-泥漿比、粉煤灰-水泥、不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境比對(duì)其強(qiáng)度、變形能力及耐久性的影響。上述文獻(xiàn)均已證明通過合適配合比設(shè)計(jì)，流態(tài)固化土流動(dòng)性和強(qiáng)度可以滿足工程需求。值得注意的是，流態(tài)固化土本身的用水量大，其耐久性逐漸引起了學(xué)者的重視。根據(jù)試驗(yàn)配比和試驗(yàn)方法的不同，其干縮應(yīng)變測(cè)試結(jié)果在1000-8000 me^[1,41,54,55]，遠(yuǎn)超過水泥膠砂的收縮值。不可避免地，流態(tài)固化土硬化后由于大量未水化的自由水蒸發(fā)導(dǎo)致其干濕、凍融循環(huán)能力差^[41,53,56]。因此，綜合來看，目前流態(tài)固化土尚不適宜暴露在大氣或水中，而適合在埋入地下的條件中使用，在潮濕環(huán)境中流態(tài)固化土硬化后強(qiáng)度可以不斷增長(zhǎng)。

值得一提的是，流態(tài)固化土是一種以土為主要基料的低強(qiáng)度流態(tài)填筑料。國(guó)內(nèi)對(duì)此有多種稱呼，常見的是來自日文的“流動(dòng)化處理土”，也有稱為自密實(shí)固化土、預(yù)拌固化土或液態(tài)固化土等。在此建議統(tǒng)一稱為“流態(tài)固化土”。

2.4 其他低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料

其他類型的低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料還有液態(tài)粉煤灰、氣泡混合輕質(zhì)土、黏土水泥漿等。

液態(tài)粉煤灰是將少量水泥、大摻量粉煤灰、水、外加劑經(jīng)過拌合后配制而成，主要用于解決“路基三背”難以回填壓實(shí)的工程問題。液態(tài)粉煤灰具有輕質(zhì)性、高流動(dòng)性、回填速度快的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)研究中發(fā)現(xiàn)也存在前期強(qiáng)度低、收縮大、水穩(wěn)性較差等問題^{[57,58]。}

21世紀(jì)初，陳忠平^[59]等人從日本引進(jìn)氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)，即在原料土中按照一定比例添加固化劑、水和預(yù)先制作的氣泡群，進(jìn)行充分混合、攪拌后形成的輕型土工材料，其密度一般在相當(dāng)于普通水泥混凝土的1/8~1/5，抗壓強(qiáng)度一般在0.3~5 MPa，除了輕質(zhì)性和高流動(dòng)性外，由于其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)，還具有良好的隔音，隔熱性能^[60,61]，主要應(yīng)用于道路加寬、橋臺(tái)填土、邊坡治理、管線回填等工程。然而，由于氣泡混合輕質(zhì)土引入氣泡施工過程復(fù)雜，導(dǎo)致材料施工成本偏高^[43]，同時(shí)，劉楷^[62]、趙運(yùn)會(huì)^[63]等人對(duì)其進(jìn)行了干濕循環(huán)、凍融循環(huán)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，耐久性是制約其發(fā)展的重要因素。泡沫混凝土以水泥漿與氣泡混合，組成上一般不摻加土，除用于回填外，也可以作為保溫墻體材料使用。

黏土水泥漿主要是由粘土漿、水泥、水玻璃組成的懸濁液, 穩(wěn)定性高、抗?jié)B透性能好，是一種既可以加固巖土體又可以防滲堵水的工程材料^[64,65]。它們之間的主要區(qū)別和特點(diǎn)如下表4所示。

3.1 流動(dòng)性和其他性能之間的矛盾

流態(tài)填筑材料中的自由水，少部分和膠凝材料反應(yīng)生成水化產(chǎn)物，作為強(qiáng)度的主要來源，剩余大部分自由水填充在固體顆粒之間，為漿體提供必要的流動(dòng)性。值得注意的是，漿體含水率過高會(huì)導(dǎo)致泌水、離析現(xiàn)象的產(chǎn)生，同時(shí)不利其快速凝結(jié)及硬化強(qiáng)度的發(fā)展。研究表明流態(tài)填筑材料用于地下回填工程具有良好的體積穩(wěn)定性^[1,66]，這是因?yàn)榈叵颅h(huán)境通常溫度、濕度較為恒定，固化體的收縮變形較小；工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也證明，填筑于地下的低強(qiáng)度填筑材料，一般不需要考慮干燥收縮這一技術(shù)指標(biāo)。然而，在干燥的環(huán)境下，流態(tài)填筑材料會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的失水，從而產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)變，甚至導(dǎo)致硬化體開裂；同時(shí)，大量的自由水蒸發(fā)，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致硬化體的孔隙率變大，降低了流態(tài)填筑材料的長(zhǎng)期服役性能，尤其是耐干濕、抗凍融能力。因此，流態(tài)填筑材料若應(yīng)用于半暴露或暴露環(huán)境下，要考慮其收縮變形及其在暴露環(huán)境條件下的耐久性能。  

降低流態(tài)填筑材料固化體的干燥收縮，一方面可以從膠凝材料角度設(shè)計(jì)低收縮的固化劑，周永祥等^[67]研究表明，采用多種固廢協(xié)同的固化劑，其固化土的干燥收縮比水泥固化土減少將近一半；另一方面需要采取措施（包括對(duì)基料顆粒級(jí)配的調(diào)整），控制填筑料的單方用水量；第三方面，則可以對(duì)暴露環(huán)境中的固化體采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

3.2 流態(tài)填筑材料配合比設(shè)計(jì)

流態(tài)填筑材料在配制過程中，利用粉煤灰球形顆粒效應(yīng)，可以通過大摻量粉煤灰來減少拌和物用水量和提高拌和物工作性^[68,69]，但是粉煤灰摻量的增加，對(duì)于早期快速凝結(jié)不利。此外，通過在漿體中加入引氣劑也被視為一種為流態(tài)填筑材料提供流動(dòng)性的有效措施^[32]。值得注意的是，引氣量不宜過多，否則會(huì)影響硬化結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性能。

類似于混凝土配合比設(shè)計(jì)，改善骨料的級(jí)配有利于顆粒的緊密堆積和漿體的流動(dòng)性。流態(tài)填筑材料一般很少像混凝土那樣使用大量粗粒徑骨料，10 mm以上的顆粒會(huì)通常會(huì)影響流動(dòng)性，通常使用5 mm或10 mm以下的基料，即使偶爾也有較大粒徑的基料，但含量往往較少。需要注意的是，并非基料越細(xì)越好，如當(dāng)基料中細(xì)顆粒含有較多的黏土顆粒時(shí)，巨大的比表面積會(huì)吸附大量的水分，因此，要達(dá)到相同的流動(dòng)性則需要更多的水。一般而言，材料中含有較多粒徑分布在0.075 mm~5 mm之間的顆粒，材料容易在較小用水量情況下獲得較好的流動(dòng)性。也應(yīng)該注意，如果小于0.075 mm的顆粒太少，則會(huì)導(dǎo)致填筑材料的拌合物黏聚性不良，容易發(fā)生分層，影響材料在輸送和澆筑過程中的勻質(zhì)性。同時(shí)，研究學(xué)者通過在流態(tài)填筑材料中加入減水劑后發(fā)現(xiàn)效果不佳，尤其是對(duì)于含黏土顆粒的漿體中，黏土顆粒對(duì)減水劑的吸附作用反而會(huì)引起拌和物性能的劣化^[70]。由此可見，如何在保證流動(dòng)性的前提下，降低用水量，是目前制約流態(tài)填筑材料發(fā)展的難題之一。

流態(tài)填筑材料主要由基料和膠結(jié)材料組成，其基料主要立足于就地取材，且選擇范圍很廣；除水泥外，其他專用膠凝材料以多種固廢協(xié)同配制而成，可見，流態(tài)填筑材料的組成方案差異性很大。因此，需要根據(jù)實(shí)際工程需求，遵循“因材”(依據(jù)原材料物理化學(xué)性質(zhì))、“因地”(依據(jù)當(dāng)?shù)卦牧铣杀?、“因用”(依據(jù)填筑工程要求)的原則制備流態(tài)填筑材料。探尋低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料的配合比通用方法和關(guān)鍵控制參數(shù)的范圍，仍然是今后配合比設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)和難題。

3.3 性能測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)化

流態(tài)填筑材料在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能要求和測(cè)試方法存在顯著差異，這使得其通用性和跨行業(yè)的交叉融合仍存在著挑戰(zhàn)。以拌和物測(cè)試方法為例，有的按照混凝土的坍落度和擴(kuò)展度方法進(jìn)行測(cè)試，也有按照砂漿擴(kuò)展度方法測(cè)試；此外，美國(guó)、日本均使用圓柱筒來測(cè)試流態(tài)填筑材料的流動(dòng)度，具體規(guī)格如下表5所示。

為此，筆者對(duì)同一種流態(tài)填筑料的拌和物，分別采用砂漿擴(kuò)展度儀、日本式圓柱筒和美國(guó)式圓柱筒測(cè)試擴(kuò)展度(如下圖8所示)，測(cè)得的擴(kuò)展度數(shù)據(jù)分別為：180mm、160mm和205mm。綜合而言，混凝土坍落度儀適合有粗骨料的拌和物，不適合以細(xì)顆粒為主的流態(tài)填筑材料拌和物；考慮到流態(tài)填筑材料可能含有5~10 mm的顆粒，因而砂漿擴(kuò)展度儀也不適合，且砂漿截錐桶上口較小，裝料不便；此外，日本式圓柱筒對(duì)拌和物流動(dòng)性的區(qū)分度不如美國(guó)式圓柱筒明顯。因此，推薦使用美國(guó)式圓柱筒作為測(cè)試流態(tài)填筑材料拌和物的工作性，同時(shí)，為了區(qū)別于砂漿的擴(kuò)展度，建議將測(cè)試指標(biāo)統(tǒng)一稱之為“流動(dòng)擴(kuò)展度”。該測(cè)試方法和術(shù)語，已在多個(gè)工程項(xiàng)目中使用，方便適用。并經(jīng)筆者推薦，術(shù)語與測(cè)試方法已經(jīng)納入到四川省地方標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)拌流態(tài)固化土工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ51/T188-2022和中國(guó)市政工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《流態(tài)填筑料回填工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)中。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試：目前出臺(tái)的相關(guān)規(guī)范，根據(jù)不同試驗(yàn)場(chǎng)景規(guī)定了流態(tài)填筑材料的抗壓強(qiáng)度值。其中，GB/T51450-2022中建議使用Φ75 mm × 150 mm 圓柱體試塊測(cè)試；ACI 229R則建議使用Φ150 mm × 300 mm 圓柱體，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般在0.7 MPa ~ 8.3MPa之間，實(shí)際應(yīng)用過程中通常不超過2.1 MPa，以便于將來的二次開挖；T/CECS 1037-2022中建議使用100 mm× 100mm× 100 mm立方體試塊，若設(shè)計(jì)無明確要求，其強(qiáng)度不宜小于0.4 MPa。考慮與《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ/T 233等配套標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，DBJ51/T 188-2022采用70.7mm× 70.7 mm× 70.7 mm立方體試塊，若設(shè)計(jì)無明確要求，建議其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.3 MPa，不宜大于8.0 MPa；對(duì)于需要二次開挖的工程，強(qiáng)度不宜高于1.0 MPa。此外，部分研究學(xué)者^[67,71]在試驗(yàn)過程中參照 GB/T 17671-2021成型40 mm× 40 mm× 160 mm棱柱體試塊進(jìn)行測(cè)試?？梢园l(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度試件的尺寸、規(guī)定強(qiáng)度等方面存在顯著差異，對(duì)具體工程需求的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料是一類組成多樣、用途廣泛的工程材料，在建筑/市政工程、交通、水利、礦山等行業(yè)均有應(yīng)用，但在不同行業(yè)，其應(yīng)用場(chǎng)合、性能要求、施工方法、材料組成，以及名稱術(shù)語均有不同，可用低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料這一概念，統(tǒng)領(lǐng)相關(guān)行業(yè)、各類不同組成的材料體系。與混凝土相比，低強(qiáng)度流態(tài)填筑料的材料體系包容性強(qiáng)，原材料選擇范圍廣，可以使用水泥混凝土難以利用的各種固體或液態(tài)廢棄物，特別是對(duì)于含水率很高的液態(tài)廢棄物，如廢棄工程泥漿、赤泥、尾礦泥等，用于流態(tài)填筑料體系，一般不需要再經(jīng)過時(shí)間漫長(zhǎng)且成本高昂的脫水環(huán)節(jié)，大大提高了處置效率，降低了資源化利用成本，從而為規(guī)?；{創(chuàng)造了條件。因此，以低強(qiáng)度流態(tài)填筑料為中心，可以建立起一套多種廢棄物協(xié)同處置的新體系，協(xié)同處置建筑垃圾(特別是渣土類建筑垃圾)、工業(yè)固廢等目前城市亟需消納處理的大宗低質(zhì)固廢，形成一個(gè)上下游聯(lián)動(dòng)的綠色化產(chǎn)業(yè)鏈條，為固體廢棄物綜合利用提供新的解決方案。

低強(qiáng)度流態(tài)填筑料具有重要的工程價(jià)值和社會(huì)意義，應(yīng)用前景廣闊，除了目前在建筑、市政、交通和礦山工程中的回填，也可以用于臨時(shí)地坪、臨時(shí)或低等級(jí)道路，隨著技術(shù)進(jìn)步和材料性能的提高，流態(tài)填筑料還有望擴(kuò)展應(yīng)用到“澆筑式地基”和“澆筑式路基”，以及地下工程和水利工程的防水和防滲，建立新的技術(shù)體系。

低強(qiáng)度流態(tài)填筑材料需要針對(duì)不同的工程需求，進(jìn)行更加廣泛而深入的研究，從材料體系、性能要求、施工作業(yè)、質(zhì)量控制等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)性研究，特別需要關(guān)注用于地下回填時(shí)，材料體系較高的pH值、可能存在的重金屬浸出物對(duì)地下水土的影響；還需注意，之前用于地下填筑的材料體系，用于半暴露或暴露于大氣環(huán)境中，即將面臨干燥收縮、碳化(可能影響水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性)、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等問題的挑戰(zhàn)。因此，亟需開展流態(tài)填筑材料耐久性研究，并通過膠凝材料選擇、組成方案優(yōu)化和施工工藝改善，提高其性能優(yōu)勢(shì)，從而為擴(kuò)大應(yīng)用范圍和保證工程質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)(略)。

主要作者簡(jiǎn)介：

周永祥，博士，研究員，博士生導(dǎo)師。CCPA巖土穩(wěn)定與固化技術(shù)分會(huì) 秘書長(zhǎng)，中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑材料分會(huì)副理事長(zhǎng)兼秘書長(zhǎng)。主要研究方向?yàn)椋夯炷痢⒐袒良肮虖U利用。zhouyx@bjut.edu.cn

霍孟浩，碩士研究生學(xué)歷。2020年畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)土木工程專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2023年畢業(yè)于中國(guó)建筑科學(xué)研究院，獲工學(xué)碩士學(xué)位。主要研究領(lǐng)域?yàn)楦咝阅芑炷敛牧稀r土固化材料。現(xiàn)就職于北京市朝陽區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)。