利用深水航道疏浚泥制作扭王塊研究

謝文輝，李 陽，韋應(yīng)新(.上海東海海洋工程勘察設(shè)計(jì)研究院，上海 0037；.上海建筑科學(xué)研究院，上海0003)

長江深水航道歷經(jīng) 20 年的疏浚維護(hù)，面對航道回淤，上海持續(xù)投入進(jìn)行航道疏浚。初期疏浚泥處置以拋泥水域傾倒和吹填為主[1]，疏浚物的資源化利用率較低，資源化利用方式相對單一。目前隨著橫沙淺灘的圍墾，主要用于吹填造地[2]。近年來，12.5m 深水航道進(jìn)入維護(hù)期，每年約產(chǎn)生 8000 萬m3疏浚泥，上灘量約占總量的 29%，九段沙與浦東之間的南槽航道整治也進(jìn)入規(guī)劃研究階段。在航道整治過程中還需要大量的拋石、扭王塊安放工程，用于造堤、護(hù)堤。長江深水航道整治三期工程中吹泥上灘量占疏浚量的40%[3]，拋石總工程量近 50 萬 t，扭王塊安放近2萬個。本文通過多組配比試驗(yàn)，探索了一種扭王塊配比、最大限度利用疏浚泥、滿足相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)扭王塊方法。

1 長江口疏浚泥理化特性

長江口深水航道治理工程上起內(nèi)航道，下至外航道，總長 92.2 km。疏浚物的含水率在 22.3%～54.5% 之間，平均為 34.1%。相對密度在 2.36～2.51 g/cm3之間，平均值為2.43 g/cm3。疏浚物主要以砂為主，粉砂次之(表1)。表層疏浚物物理特性分析結(jié)果表明：表層疏浚物的粒度類型較多，砂、粉砂、黏土3個級別均有一定的含量。由內(nèi)航道到外航道沉積物類型依次變化為粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂、砂-粉砂-黏土。疏浚物化學(xué)性質(zhì)分析項(xiàng)目：砷、鎘、鉻、銅、鉛、汞、鋅、有機(jī)質(zhì)、油類等(表2)，經(jīng)檢測均為清潔疏浚物(Ⅰ 類)，因此可作直接處置。

表1 疏浚物粒度分析結(jié)果 %

表2 表層疏浚物化學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

疏浚泥具有以下的物理化學(xué)性能特點(diǎn)：天然含水量高、孔隙大、強(qiáng)度低，加固處理的技術(shù)難度大；表面能大，土粒之間有弱的結(jié)構(gòu)連接力，黏粒對水有強(qiáng)的親和力，隨著土中的含水量增加，土粒的水化膜變厚，土粒之間的距離增大，結(jié)構(gòu)連接變?nèi)?。一般飽和淤泥質(zhì)黏土處于軟塑狀態(tài)；土粒具有潛在的火山灰活性，能與 Ca(OH)2發(fā)生緩慢的水化反應(yīng)，生成結(jié)晶度較差的水化硅酸鈣和鋁酸鈣。

目前，我國免燒民用建材的主要技術(shù)指標(biāo)包括密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、抗凍融性等。根據(jù)長江口航道疏浚泥的性能特點(diǎn)，結(jié)合扭王塊的力學(xué)性能要求和耐久性要求，研究合適的工程預(yù)制品生產(chǎn)配合比，設(shè)計(jì)了多組試驗(yàn)。本次疏浚泥取自長江口航道疏浚的橫沙吹填區(qū)。

2.1 摻加長江口疏浚泥的水泥膠砂試驗(yàn)研究

采用不摻外加劑并增加用水量技術(shù)方案，使水泥膠砂流動度基本保持不變。通過試驗(yàn)，研究長江口疏浚泥代替部分砂對水泥膠砂強(qiáng)度和流動度的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。

(1)將長江口疏浚泥在 105 ～110 ℃ 下烘干備用。

(2)一份水泥、3 份中國 ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，用 0.5 的水灰比拌制成一組塑性膠砂，測定基準(zhǔn)膠砂流動度 L0和膠砂強(qiáng)度。

(3)長江口疏浚泥按質(zhì)量 10%、15%、20%、25%、30% 的比例，取代標(biāo)準(zhǔn)砂，拌制水泥膠砂。保持水泥膠砂流動度不變(LS=L0± 10 mm)，改變水灰比，分別測定摻長江口疏浚泥的水泥膠砂流動度和膠砂強(qiáng)度。

2.2 摻加長江口疏浚泥的扭王塊混凝土試驗(yàn)

在摻加長江口疏浚泥的水泥膠砂試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，開展摻加疏浚泥的扭王塊混凝土試驗(yàn)，以達(dá)到制作預(yù)制構(gòu)件的強(qiáng)度(一般要求 C30以上)、坍落度(一般要求 3～5 cm)和耐久性要求。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。

(1)長江口疏浚泥在 105～110 ℃ 下烘干備用。

(2)根據(jù)已有的試驗(yàn)結(jié)果，分別針對 C 20 和 C30混凝土選擇長江口疏浚泥不同摻量條件下設(shè)計(jì)混凝土試拌配合比(表3、表4)。

表3 C20混凝土配合比kg/m3

表4 C30混凝土配合比

(3)測定混凝土坍落度和強(qiáng)度，提出合適的混凝土配合比。

2.3 產(chǎn)品性能指標(biāo)測試

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，以長江口疏浚泥取代 40% 的天然中砂(SK2)配制 C30扭王塊，另一組為不摻疏浚泥的基準(zhǔn)混凝土(SK1)，2 組配合比的水泥用量一致，均為 365 kg/m3，水膠比也一致。具體配合比如表5 所示。

表5 扭王塊混凝土的配合比

2.4 扭王塊混凝土的耐久性

(1)收縮試驗(yàn)：測定混凝土試件在規(guī)定的溫濕度條件下，不受外力作用所引起的長度變化，即收縮，用于評價(jià)混凝土的變形性能。

①試件尺寸：100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱體試件，一組3條試件。

② 試驗(yàn)方法：收縮試件養(yǎng)護(hù)3d 齡期，從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出，移入恒溫恒濕室[室溫(20士2) ℃，相對濕度(60土5)%)]測定其初始長度，此后應(yīng)按以下規(guī)定的時間間隔測量其變形讀數(shù)：1、3、7、14、28、45、60、90d。

(2)抗?jié)B試驗(yàn)：用于測定硬化后混凝土的抗?jié)B標(biāo)號。

① 試件尺寸： φ(175～185) mm×165 mm，一組 6塊。

② 試驗(yàn)方法：試件養(yǎng)護(hù)至 28d 齡期，將表面晾干，然后在其側(cè)面涂一層熔化的密封材料，隨即在加壓裝置上將試件壓入經(jīng)烘箱預(yù)熱過的試件套中，稍冷卻后，即可解除壓力，連同試件套裝在抗?jié)B儀上進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)從水壓 0.1 MPa 開始，每隔8h 增加水壓 0.1 MPa，隨時注意觀察試件端面的滲水情況。當(dāng)6個試件中有3 個試件端面呈有滲水現(xiàn)象時，即可停止試驗(yàn)，記下當(dāng)時的水壓。

(3)電通量試驗(yàn)：以電通量指標(biāo)來測定混凝土的抗氯離子滲透性能，按 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。

① 試件尺寸： φ(95±2) mm×(51±3) mm，一組 3塊。

② 試驗(yàn)方法：在直流電壓作用下，氯離子通過混凝土試件向正極方向移動，以測定流過混凝土的電荷量反映滲透混凝土的氯離子量。

(4)抗凍性能試驗(yàn)：按 GB/T 50082—2009，采用慢凍法，當(dāng)抗壓強(qiáng)度損失率達(dá)到 25% 或者質(zhì)量損失率達(dá)到 5%時的最大凍融循環(huán)次數(shù)，作為混凝土抗凍標(biāo)號。

① 試件尺寸：100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，一組6塊。

② 試驗(yàn)方法：試件在 28d 齡期時，進(jìn)行凍融試驗(yàn)?？箖鲈嚰鼋Y(jié)時溫度應(yīng)保持在 -15～-20 ℃。對比試件則保留在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，直到完成凍融循環(huán)后，與抗凍試件同時試壓。

每次循環(huán)中試件的凍結(jié)時間≥4h，凍結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后，試件即取出并立即放入水溫保持在 15～20 ℃ 的水槽中進(jìn)行融化。試件在水中融化的時間≥4h，融化完畢即為該次凍融循環(huán)結(jié)束，取出試件送入冷凍箱進(jìn)行下一次循環(huán)試驗(yàn)。

(5)抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)：按 GB/T 50082—2009，測定混凝土試件在干濕交替環(huán)境中，以能夠經(jīng)受的最大干濕循環(huán)次數(shù)來表示。

① 試件尺寸：100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件。除制作抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)用時間外，還同時制作抗壓強(qiáng)度對比用試件。

② 試驗(yàn)方法：試件應(yīng)在養(yǎng)護(hù)至 28d 齡期的前2d，將干濕循環(huán)試件取出，在(80±5)℃ 下烘 48 h 并在干燥環(huán)境中冷卻至室溫。

試件放入試件盒，將 5% Na2SO4溶液放入試件盒，浸泡(15±0.5)h，維持溶液 pH 值在 6～8 之間，溶液溫度控制在(25～30)℃。浸泡結(jié)束后，應(yīng)立即排液。溶液排空后應(yīng)將試件風(fēng)干 30 min。風(fēng)干結(jié)束后應(yīng)立即升溫至 80 ℃，開始烘干過程。從升溫開始到開始冷卻的時間應(yīng)為6h。烘干結(jié)束后，應(yīng)立即進(jìn)行冷卻至 25～30 ℃，時間應(yīng)為2h。每個干濕循環(huán)的總時間應(yīng)為(24±5)h。然后再次放入溶液，按照上述步驟進(jìn)行下一個干濕循環(huán)。

③ 干濕循環(huán)試驗(yàn)出現(xiàn)以下之一情況時，可停止試驗(yàn)。當(dāng)抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)達(dá)到 75% 時；干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到 150次；達(dá)到設(shè)計(jì)抗硫酸鹽等級相應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水泥膠砂試驗(yàn)結(jié)果

由于長江口疏浚泥顆粒較細(xì)，疏浚泥對膠砂用水量有一定的影響。隨著長江口疏浚泥摻量從 0 提高到 15%(圖1)，保持流動度不變的情況下，膠砂用水量大幅增加，膠砂抗壓強(qiáng)度不斷降低(圖2)，隨著長江口疏浚泥摻量進(jìn)一步增加，用水量提高幅度不大。

圖1 用水量試驗(yàn)

圖2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2 混凝土試驗(yàn)結(jié)果

由于長江口疏浚泥顆粒較細(xì)，對混凝土工作性有一定影響，摻長江口疏浚泥混凝土坍落度減小，坍落度損失比基準(zhǔn)混凝土大；但較細(xì)的長江口疏浚泥顆粒對提高混凝土強(qiáng)度有一定的作用，摻長江口疏浚泥混凝土3d、28d 強(qiáng)度均比基準(zhǔn)高 1～2 MPa(表6、表7)。

表6 C 20 混凝土性能

表7 C30混凝土性能

3.3 性能指標(biāo)測試結(jié)果

在相同水膠比條件下，摻入長江口疏浚泥混凝土 SK2的3d 抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土 SK1 基本持平，而洋山疏浚泥混凝土的3d 抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土高出 12%；摻加疏浚泥后，28d 抗壓強(qiáng)度有所降低，長江口疏浚泥混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)混凝土 9%，但達(dá)到 C30的強(qiáng)度等級；長江口疏浚泥混凝土的 28d 抗折強(qiáng)度高于基準(zhǔn)混凝土9%(表8)。

表8 扭王塊混凝土的力學(xué)性能

3.4 耐久性測試

(1) 長江口疏浚泥混凝土的7d、28d 收縮值與同齡期的基準(zhǔn)混凝土基本持平(表9)。

表9 扭王塊混凝土的收縮性

(2)基準(zhǔn)混凝土的抗?jié)B標(biāo)號為 P 11，長江口疏浚泥混凝土的抗?jié)B標(biāo)號達(dá)到 P 14(表10)。摻加疏浚泥后，混凝土的抗?jié)B性明顯提高，與疏浚泥的顆粒粒徑較細(xì)、填充細(xì)小孔隙有關(guān)。

表10 扭王塊混凝土的抗?jié)B性(3 個試件測試)

(3)長江口疏浚泥混凝土的電通量與基準(zhǔn)混凝土基本一致(表11)。

表11 扭王塊混凝土電通量試驗(yàn)

(4) 基準(zhǔn)混凝土、長江口疏浚泥混凝土的抗凍標(biāo)號超過D 50，抗凍性能良好(表12)。

表12 扭王塊混凝土抗凍性

(5)基準(zhǔn)混凝土、摻疏浚泥混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)均超過 75%(表13)，故抗硫酸鹽等級達(dá)到 KS 90 以上。

表13 扭王塊抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)(90 次干濕循環(huán))

4 示范應(yīng)用

根據(jù)前期科研成果，確定疏浚泥扭王塊示范生產(chǎn)的混凝土配比為(單位：kg/m3)：水泥 365，碎石 1270，中砂374，疏浚泥 250，水 179。扭王塊混凝土成型時，采用插搗式振動棒振動、成型，使混凝土密實(shí)，振動成型工藝與普通混凝土一致。在混凝土攪拌機(jī)卸料口隨機(jī)取樣。成型混凝土試塊，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性檢測，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)產(chǎn)品要求。普通混凝土扭王塊一般帶模養(yǎng)護(hù)15～20 h 后拆模。本次中試時，疏浚泥混凝土的拆模時間為19 h，與普通混凝土基本一致。拆模后，目測疏浚泥混凝土扭王塊與普通混凝土扭王塊存在一定色差。由于疏浚泥中的含泥量較高，造成疏浚泥扭王塊略微發(fā)黃，而普通扭王塊為青灰色。

疏浚泥混凝土扭王塊制作成型后，在場地上自然養(yǎng)護(hù)28d，用外運(yùn)至橫沙東灘促淤圍墾三期東堤北側(cè)的原材料碼頭附近進(jìn)行投放。

5 結(jié) 語

(1)在用以制備扭王塊的混凝土中，疏浚泥摻加比例達(dá)11% 時，扭王塊產(chǎn)品符合工程要求。

(2)在相同水膠比條件下，疏浚泥混凝土的 28d 抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)混凝土 9%～13%，而抗折強(qiáng)度高于基準(zhǔn)混凝土9%～18%，并且疏浚泥混凝土的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到 C 35 的強(qiáng)度等級。

(3)疏浚泥混凝土的收縮值為 0.046%～0.056%，抗?jié)B標(biāo)號超過 P 13，電通量為 2000～4000 C，抗凍標(biāo)號超過D 50，抗硫酸鹽等級超過 KS 90，摻合疏浚泥的混凝土工程構(gòu)件壽命可超過 50 年。

(4)針對疏浚泥含水量高、黏稠難攪拌技術(shù)難點(diǎn)，通過免燒型的固化處理、壓制和澆筑成型、自然養(yǎng)護(hù)的工藝，可以現(xiàn)場生產(chǎn)疏浚泥扭王塊，大大節(jié)約成本，提高疏浚泥利用率，以滿足在圍海造地、水利建設(shè)等方面的工程需要。