水工砂性棄土固化材料力學(xué)性能研究

陶桂蘭，鄢亞軍，董光輝，江朝華，馮興國

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.長江南京航道工程局，南京210011）

水工砂性棄土固化材料力學(xué)性能研究

陶桂蘭1，鄢亞軍1，董光輝2，江朝華1，馮興國1

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.長江南京航道工程局，南京210011）

采用航道整治砂性棄土為主要原料制備水工材料，以抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及水穩(wěn)定性作為控制指標(biāo)，研究水泥、礦粉和石膏摻量對固化材料28 d力學(xué)性能影響。結(jié)果表明：在砂性棄土用量為70%，水泥、礦粉及石膏摻量分別為18%、10%和2%時(shí)，可獲得28d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度分別達(dá)24.7 MPa、2.3 MPa和23.2 MPa的固化材料。該材料具有較高的抗壓、抗拉力學(xué)強(qiáng)度及良好的水穩(wěn)定性能，干縮率和吸水率小，與普通C20混凝土相比，砂性棄土固化材料綜合單價(jià)降低約8.0%，可替代普通混凝土制作壓載塊等水工材料就地應(yīng)用于水利和航道整治工程中，具有良好經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

航道整治；砂性棄土；固化材料；力學(xué)性能

目前，隨著長江航道整治的推進(jìn)，為保證航道岸坡的穩(wěn)定性，需對岸坡進(jìn)行削坡處理，航道疏浚工程過程中也將產(chǎn)生大量疏浚棄土。航道整治中大量棄土的轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲(chǔ)不僅花費(fèi)巨大，而且會(huì)影響環(huán)境。將航道工程棄土通過固化技術(shù)制備成水工材料，如替代混凝土材料制作護(hù)面磚或軟體排的壓載塊等，就近應(yīng)用于水利和航道整治工程，在避免棄土轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí)也減少土地占用，降低工程造價(jià)，解決固體廢物的二次污染問題，緩解航道整治工程對環(huán)境的影響，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［1］。

20世紀(jì)以來，出現(xiàn)了以土壤、沙土固化材料為主的新技術(shù)及新材料，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的土壤固化劑及固化土性質(zhì)等方面的研究［2-4］。目前土壤固化技術(shù)主要應(yīng)用于道路工程和水利防滲工程，如堤壩加固、地基加固及軟基處理等。梁軍堂等［5］進(jìn)行了NS固沙材料在路基加固處理中的研究；胡軍［6］進(jìn)行了土壤固化劑在路基處理、道路基層中的應(yīng)用研究。研究表明現(xiàn)場土添加2%水泥、3%石灰和路邦固化劑做底基層無機(jī)穩(wěn)定土?xí)r，壓實(shí)度達(dá)到95.5%以上則無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可滿足1.5 MPa的要求；李馳和于浩［7］采用PX固化劑對風(fēng)沙土進(jìn)行加固，對不同含水狀態(tài)、不同固化劑摻量、不同養(yǎng)護(hù)齡期下固化風(fēng)沙土的強(qiáng)度特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。但地基處理工程中的土壤固化主要是將散碎狀的土壤固結(jié)為具有一定強(qiáng)度的整體性固體物質(zhì)，對固化土普遍要求較低的強(qiáng)度。此外土壤、沙土固化材料在水利和航道整治工程中的研究和應(yīng)用極少。曾方［8］采用從馬來西亞引進(jìn)的CSB固化劑和國產(chǎn)固化劑PCSB進(jìn)行了固化河砂塊的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明河砂固化材料具有較高的抗壓、抗折強(qiáng)度，可以應(yīng)用于航道工程，但該文主要闡述工程應(yīng)用，對固化技術(shù)及相關(guān)固化試驗(yàn)沒有進(jìn)行闡述。邵仁建和章偉平［9］采用WH系列無機(jī)土壤固化劑對土壤進(jìn)行固化，并采用成型機(jī)制作預(yù)制塊構(gòu)件將其應(yīng)用于渠道防滲工程中，結(jié)果證明該技術(shù)可靠，工程造價(jià)低，但論文也只是針對固化劑的工程應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

用于航道工程的固化材料要求具有較高的抗壓、抗拉強(qiáng)度及良好的水穩(wěn)定性。本文以航道整治工程中的砂性棄土為主要原料，制備替代混凝土的固化材料用于制作壓載塊等航道工程材料，要求獲得的固化材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa以上，并具有良好抗拉性能和水穩(wěn)定性。本文以抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及水穩(wěn)定性為控制指標(biāo)，研究水泥、石膏和礦粉摻量對砂性棄土固化材料性力學(xué)能影響，確定砂性棄土固化材料最佳配合比，得到滿足水工應(yīng)用要求的固化材料。對采用棄土為原料通過固化技術(shù)制備水工材料進(jìn)行一次有益的嘗試和探索。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)土樣取自湖北荊江河段典型岸坡，取土深度在地表下1～2 m。試驗(yàn)土樣的含水率為5%左右，pH值為7.8，呈弱堿性。試驗(yàn)土顆粒組成見表1，化學(xué)組成份見表2，礦物組成見圖1。

由表1、表2及圖1可知，砂性土顆粒粒徑主要集中于0.3～0.15 mm，大于0.6 mm的顆粒極少，顆粒較細(xì)；砂性土中SiO2、Al2O3含量都比較高，其次依次為CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O；砂性土中主要礦物組成為水云母、閃石、石英、長石、方解石等非粘性礦物，粘性礦物蛭石和綠泥石含量較少，土樣活性較差。

試驗(yàn)所用水泥為海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；礦粉為南京梅寶新型建材公司生產(chǎn)S95級礦粉；石膏為成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)的分析純試劑。聚丙烯纖維為武漢漢森鋼纖維有限責(zé)任公司生產(chǎn)，長度4～9 mm，比重0.9 g/cm3，直徑20～50 μm，抗拉強(qiáng)度500 MPa。

表1 荊江河段典型岸坡砂性棄土顆粒組成表Tab.1 Particle size distribution of waste sandy soil of the typical bank slope of Jingjiang river reach

表2 荊江河段典型岸坡砂性棄土化學(xué)成分表Tab.2 Chemical composition of waste sandy soil of the typical bank slope of Jingjiang river reach

圖1 荊江河段典型岸坡砂性土礦物組成XRD圖Fig.1 XRD pattern of waste sandy soil of the typical bank slope of Jingjiang river reach

1.2 試驗(yàn)方法

砂性棄土經(jīng)自然風(fēng)干后直接進(jìn)行試驗(yàn)，本文采用靜力壓實(shí)法制備試件，首先按照配合比稱取一定質(zhì)量的砂性棄土、水泥、礦粉、石膏等，將混合料在JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)中干拌2 min后，加適量水后濕拌3 min；將攪拌均勻后的物料稱重，加入到100 mm×100 mm×160 mm的成型磨具中，試件采用SHT4305型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)加以400 N/s速率加壓至20 MPa成型，成型后試件為高度約為100 mm的立方體。

3.教育的形式主義。教育的形式主義是感恩教育的泥潭。當(dāng)代大學(xué)生并不是沒有一顆感恩的心靈，他們所缺少的是一種切實(shí)的感恩教育。當(dāng)前一些學(xué)校進(jìn)行的感恩教育常常停留在形式上，例如，一些大學(xué)給學(xué)生布置的作業(yè)是“給父母洗腳、寫一封感恩信”,這種行動(dòng)的原意是善良的,但這也僅是形式。感恩當(dāng)然需要形式,但當(dāng)我們把感恩變成一種形式，甚至是一種運(yùn)動(dòng)時(shí)，一方面，我們可能因?yàn)楸磉_(dá)了應(yīng)該表達(dá)而未表達(dá)的感恩，而使我們得到某種精神上的安慰；另一方面，由于形式的轟轟烈烈也極可能使原本所有的善良品質(zhì)又一次流于形式。所以，感恩教育應(yīng)走出形式主義的泥沼。

固化材料抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度依據(jù)DL/T 5150-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》在SHT4305型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。試件浸水強(qiáng)度、干縮率、吸水率和密度的檢測依據(jù)GB/T 4111-2014《混凝土小型空心砌塊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，其中浸水強(qiáng)度檢測方法為將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后的試件浸入室溫20℃左右水中，水面高出試件20 mm，4 d后檢測其抗壓強(qiáng)度即為浸水強(qiáng)度。

表3 水泥摻量對砂性棄土固化材料28 d性能影響Tab.3 Influence of cement content on the 28 d mechanical properties of waste sandy soils solidified materials

圖2 水泥和礦粉的不同配合比對砂性棄土固化材料28 d力學(xué)性能影響Fig.2 Influence of cement and slag content on the 28 d mechanical properties of waste sandy soils solidified materials

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 砂性棄土固化材料最佳配合比確定

2.1.1 水泥摻量的影響

水泥作為粘結(jié)劑，不但起著主要的化學(xué)反應(yīng)作用，而且還是影響產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)。水泥摻量的多少將直接影響到砂性棄土固化材料的性能。本文首先通過摻加水泥獲得滿足要求的砂性棄土固化材料，確定制備達(dá)到普通混凝土要求的砂性棄土固化材料所需要的最少固化劑摻量，然后分別采用礦粉、石膏等無機(jī)結(jié)合料替代水泥，獲得砂性棄土固化材料最佳配合比。水泥摻量對砂性棄土壓制固化材料28 d性能影響見表3。

圖3 礦粉和石膏的不同配合比對砂性棄土固化材料28 d力學(xué)性能影響Fig.3 Influence of slag and gypsum content on the 28 d mechanical properties of waste sandy soils solidified materials

表4 砂性棄土固化材料物理力學(xué)性能Tab.4 Physical and mechanical performance of waste sandy soils solidified materials

表5 砂性棄土固化材料成本分析Tab.5 Cost analysis of waste sandy soils solidified materials

從表3可知，隨著水泥加入量不斷增加，固化材料力學(xué)性能也隨之增加，水泥作為水硬性膠凝材料，不僅將砂膠結(jié)成堅(jiān)實(shí)的整體，還能與水發(fā)生水化反應(yīng)，并在反應(yīng)過程中逐漸生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化硫鋁酸鈣等水化產(chǎn)物。隨著水泥用量的增加，固體顆粒之間的膠結(jié)性能更為牢固，水化作用繼續(xù)增強(qiáng)，水化產(chǎn)物不斷增加，固體顆粒之間的毛細(xì)孔不斷被填實(shí)，從而使固化材料的強(qiáng)度得到不斷發(fā)展。當(dāng)水泥用量為30%時(shí)，砂性棄土固化材料28 d抗壓強(qiáng)度為23.7 MPa，滿足抗壓強(qiáng)度的要求，其劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度偏低，分別為2.1 MPa和19.7 MPa。水泥用量為35%時(shí)，砂性棄土固化材料28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度分別為26.3 MPa、2.4 MPa和22.1 MPa，達(dá)到了配制的要求，但隨著水泥加入量的繼續(xù)增大，雖然固化材料的強(qiáng)度增加，但砂性土的利用率降低，固化材料的成本也會(huì)隨之提高，且不能體現(xiàn)棄土綜合利用的意義，并且礦粉、石膏取代水泥，不僅可以降低成本還可以有效改善砂性棄土固化材料的性能，由此初步選用砂性棄土摻量為70%，固化劑總摻量為30%的配合比。

2.1.2 水泥和礦粉配合比的確定

由于水泥水化后生成的Ca（OH）2以及摻入石膏的堿性激發(fā)作用，礦粉的分散和水化加快，礦粉水化后生成鈣礬石和C-S-H凝膠，具有明顯的膠凝特性。本試驗(yàn)固定砂性棄土摻量為70%，調(diào)整水泥和礦粉摻量研究水泥和礦粉配合比對砂性棄土固化材料強(qiáng)度影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，隨著水泥摻量的減少和礦粉摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度呈緩慢下降趨勢，當(dāng)?shù)V粉摻量達(dá)12%，抗壓強(qiáng)度呈快速下降趨勢；但礦粉的摻入對試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度有所改善，隨著礦粉摻量的增加，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度呈上升趨勢，當(dāng)水泥摻量和礦粉摻量比為18%：12%時(shí)，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度達(dá)到最大。但當(dāng)?shù)V粉摻量繼續(xù)增加，則試件劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度開始下降。因而當(dāng)水泥和礦粉的最佳比例為18%：12%時(shí)，該砂性棄土固化材料呈現(xiàn)較好的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性。這是由于礦粉使試件具有更好的粘聚性和可塑性。此外礦粉具有良好的活性，其火山灰效應(yīng)決定了試件的強(qiáng)度增長。礦粉中活性氧化鈣、氧化硅及氧化鋁等組分與水泥漿體中的Ca（OH）2作用生成堿度較小的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣。這些水化生成物對試件強(qiáng)度的提升起到了很大的作用。但隨著礦粉摻量的增加和水泥摻量的減少，固化材料中堿度降低，水化反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝物量過少，膠結(jié)力低，使得固化材料力學(xué)性能下降。

2.1.3 礦粉和石膏配合比的確定

石膏在固化材料體系中，主要作激發(fā)劑使用，并且石膏可以與水泥水化后生成的水化硫鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，起一定的膨脹作用，提高強(qiáng)度。固定砂性棄土摻量為70%，水泥摻量18%，調(diào)整不同礦粉和石膏的摻量，研究礦粉和石膏配合比對粘性土固化材料強(qiáng)度影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

從圖3可知，隨著石膏用量增加，固化材料強(qiáng)度增大，當(dāng)石膏摻量在2%時(shí)，固化材料的強(qiáng)度達(dá)到最大，這是由于石膏的加入可以加速水泥與SiO2、A12O3的化學(xué)作用，促進(jìn)水化硅酸鈣、鋁酸鈣的形成，迅速形成大量的硫鋁酸鈣，很快結(jié)晶形成晶核，加速膠凝物質(zhì)的結(jié)晶過程，有利于固化材料強(qiáng)度的提高。但隨著石膏摻量的增加，水泥強(qiáng)度呈下降趨勢。原因?yàn)槭嘁子谂c水化硫鋁酸鈣反應(yīng)生成膨脹性晶體鈣礬石，當(dāng)石膏摻量過多時(shí)，產(chǎn)生膨脹內(nèi)應(yīng)力，反而會(huì)降低固化材料的強(qiáng)度，甚至發(fā)生膨脹裂縫。因此，適宜的石膏摻量可以有效改善砂性棄土固化材料力學(xué)性能，本文中礦粉和石膏的最佳配合比為10%：2%。

由以上研究可知，當(dāng)砂性土用量為70%，水泥、礦粉和石膏摻量分別為18%、10%和2%時(shí)，可獲得28 d浸水強(qiáng)度達(dá)20 MPa以上的固化材料。該固化材料具有較高的抗壓、抗拉力學(xué)強(qiáng)度及良好的水穩(wěn)定性能，可替代混凝土用于制作壓載塊應(yīng)用于水利和航道整治工程中。并且從以上水泥、礦粉和石膏摻量對固化材料強(qiáng)度影響分析可知，砂性棄土固化材料的強(qiáng)度主要通過水泥水化和礦粉火山灰作用生成水化硅酸鈣等膠凝物質(zhì)的膠結(jié)作用產(chǎn)生，砂性棄土成分的變化對以上配合比沒有明顯影響。

2.2 砂性棄土固化材料物理力學(xué)性能

按照得到的最佳配合比制備砂性棄土固化材料試樣，測定其7 d、28 d和56 d的抗壓強(qiáng)度、抗劈裂強(qiáng)度、浸水強(qiáng)度、干縮率、吸水率以及密度，結(jié)果如表4所示：

由表4可知，該固化材料的28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度分別可達(dá)24.7 MPa、2.3 MPa和24.2 MPa，與28 d強(qiáng)度相比，56 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度分別增長了5.7%、8.7%和9.4%，可見材料的長期穩(wěn)定性較好；該材料的28 d塊體密度為2.18 g/cm3，稍小于普通混凝土材料，其28 d干縮率為0.01%左右，干縮率小，由此可能引起的材料開裂程度小。該材料28 d吸水率為6.9%左右，且隨著齡期的增加而減小，與28 d相比，其56 d吸水率減少了3.17%，由此可以預(yù)見該材料抗凍性好，耐久性優(yōu)良。

綜上考慮上述因素，本文所制得的砂性棄土固化材料具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度以及良好穩(wěn)定的綜合性能，可以應(yīng)用于水運(yùn)工程建設(shè)中。

2.3 應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

按照最佳配比，在廈門巨力發(fā)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的HWQT6-15壓制成型機(jī)上試制尺寸為410 mm×260 mm×100 mm的D型壓載塊。一次成型4塊壓載塊，共生產(chǎn)了10×4塊壓載塊，沒有發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，只是個(gè)別壓載塊脫模時(shí)邊角出現(xiàn)剝落，灑水養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行鉆芯取樣檢測，換算成標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度值超過20 MPa，達(dá)到了航道護(hù)岸壓載塊的要求。

按最佳配合比計(jì)算的砂性棄土固化材料成本和普通C20混凝土成本見表5。考慮普通混凝土砂石材料運(yùn)費(fèi)及棄土運(yùn)輸費(fèi)后，以100公里水路運(yùn)輸計(jì)，砂性棄土固化材料的綜合單價(jià)為202.4元/m3，普通C20混凝土的綜合單價(jià)為218.5元/m3，與普通混凝土相比，砂性棄土固化材料綜合單價(jià)降低約8.0%。

因此將港航工程砂性棄土資源通過固化技術(shù)制備成水工材料，就地應(yīng)用于航道整治工程建設(shè)中，在避免棄土轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí)也減少土地占用，降低工程造價(jià)，解決了固體廢物的二次污染問題，并可有效緩解航道整治等工程對環(huán)境的影響，具有顯著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3 主要結(jié)論

（1）本文以港航工程整治過程中產(chǎn)生的砂性棄土為主要原料，采用傳統(tǒng)水泥、石膏和礦粉等無機(jī)結(jié)合材料為固化劑，通過半干法成型制備的砂性棄土固化材料具有較高的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度及良好的水穩(wěn)定性能，可以替代普通混凝土用于制作壓載塊等航道工程材料應(yīng)用于水利和航道整治工程中。

（2）當(dāng)砂性棄土用量為70%，水泥、礦粉和石膏摻量分別為18%、10%和2%時(shí)，可獲得28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度分別達(dá)24.7 MPa、2.3 MPa和23.2 MPa的固化材料。該砂性棄土固化材料強(qiáng)度高，干縮率和吸水率小，長期水穩(wěn)定性能和耐久性好，滿足水工材料應(yīng)用要求。

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Study on mechanical properties of solidified materials made by waste sandy soils using in hydraulic engineering

TAO Gui?lan1,YAN Ya?jun1,DONG Guang?hui2,JIANG Chao?hua1,FENG Xing?guo1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Yangtze River Waterway Bureau of Nanjing,Nanjing 210011,China）

Using waste sandy soil as raw material,the solidified materials were studied to use in hydraulic engi?neering in this paper.The influence of inorganic binder such as cement,gypsum and slag on the performance of the solidified materials was studied by testing the compressive strength,tensile splitting strength and water stability of specimens.The study results show that the optimal proportion of this solidified material is that discarded clay soil：cement:slag:gypsum=70%:18%:10%:2%.With this proportion,the compressive strength,tensile splitting strength and immersion strength of specimens at 28 days are 24.7 MPa,2.3 MPa and 23.2 MPa separately.This solidified material meets the application requirements of hydraulic engineering.It can be attempted to make the ballast block and use in channel engineering.

waterway regulation;waste sandy soils;solidified materials;mechanical properties

TU 411

A

1005-8443（2016）03-0306-05

2015-11-16；

2016-01-18

陶桂蘭（1962-），女，江蘇南通人，博士，副教授，主要從事港口航道工程研究。

Biography：TAO Gui?lan（1962-），female，associate professor.