基于長江下游疏浚砂的砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)研究

諸裕良，臧英平，江朝華，李濤章，湯徐偉

(1.河海大學(xué) 水利工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京210098；2.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011)

隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們對生態(tài)和環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，傳統(tǒng)的開山采石方式因爆破采石造成環(huán)境影響而越來越受限制，塊石料源趨于短缺和枯竭。國家近年來加大了基于河勢穩(wěn)定和堤防安全的整治工程，長江護(hù)岸整治工程面廣量大，尋找可替代塊石的護(hù)岸材料，成為亟待解決的難題。

目前疏浚砂土通常的處置方法為：1)拋棄到附近或指定水域；2)用于圍墾造地；3)開展建材資源化利用。前2種途徑受到諸多限制，疏浚砂的建材資源化利用是一個較為切合實(shí)際的途徑。近年來，疏浚砂土的建材化利用研究主要表現(xiàn)在以下3個方面：1)使用聚合物或水泥等膠凝材料對其進(jìn)行固化處理[1-3]；2)燒制成輕質(zhì)陶粒骨料[4-6]；3)進(jìn)行預(yù)處理后，部分取代河砂細(xì)骨料[7-8]。但以上建材化利用存在水泥固化疏浚砂土制品容易開裂、陶粒骨料燒制過程中會產(chǎn)生新的污染物而對環(huán)境造成二次破壞、疏浚砂取代河砂骨料用量少(一般少于50%)等問題。因而亟待尋找更加經(jīng)濟(jì)有效的方法處置日益增加的廢棄疏浚砂。

自然演變形成的疏浚砂是可開采的天然資源，其取材容易，成本低廉，對環(huán)境影響小，可開采量大。因此，將長江南京段岸坡整治工程中的廢棄疏浚砂作為主要原料制備混凝土塊替代拋石和應(yīng)用于長江護(hù)岸整治工程，一方面可以消耗大量疏浚砂解決天然砂石材料短缺的問題，同時為廢棄疏浚砂的資源化利用找到一條有效的途徑；另一方面，能解決疏浚砂的二次污染問題，降低航道疏浚工程對環(huán)境的影響。不僅具有廣闊的應(yīng)用前景，也是水利水運(yùn)行業(yè)貫徹落實(shí)長江大保護(hù)科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要切入點(diǎn)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 175—1999。粉煤灰為Ⅱ級，密度為231 kgm3，需水量比104%。采用聚羧酸高效減水劑，減水劑用量為膠凝材料的0.5%。

砂子采用長江下游某灘涂疏浚砂，其粒徑分布見圖1。顆粒分布分析試驗(yàn)依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》所述試驗(yàn)方法，采用篩分法進(jìn)行。細(xì)度模數(shù)為0.1左右。砂的含泥量(即砂中粒徑小于0.075 mm的顆粒含量)對混凝土性能的影響較大，是混凝土用砂重點(diǎn)控制指標(biāo)，所以必須嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確地測定砂的含泥量。疏浚砂含泥量分析試驗(yàn)依據(jù)GBT 14684—2011《建筑用砂》所述，采用淘洗法進(jìn)行。結(jié)果表明，砂樣含泥量25.6%，淘洗后小于0.075 mm部分如圖2所示。

圖1 江砂砂樣粒徑分布

圖2 砂樣淘洗后小于0.075 mm部分

疏浚砂的顆粒形貌采用Nikon ECLIPSE E200MV POL偏光顯微鏡進(jìn)行顆粒形貌分析(圖3)。從圖3可知，砂樣整體呈現(xiàn)透明或半透明形態(tài)顆粒獨(dú)立，顆粒之間無黏結(jié)，顆粒晶體透明，邊緣平直光滑，由于表面圓滑，所以顆粒摩擦力較小，團(tuán)聚力很小，塑性較差。

圖3 疏浚砂顆粒形貌

1.2 試驗(yàn)方法

本研究砂漿配合比為：每立方米砂漿中膠凝材料總量為397 kg，粉煤灰對水泥的替代量分別為0%、10%、20%和30%，水膠比0.6(砂漿流動度在110～120 mm)，膠凝材料總量和砂用量比例分別為1:1.5、1:2、1:2.5。按照一定的配合比稱取疏浚砂、水泥、粉煤灰等物料，加入JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)內(nèi)干拌均勻，再加入水濕拌3 min，同摻0.5%減水劑。將拌和物加入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三聯(lián)試模，采用HZJ-A混凝土振動臺分2次振動成型，每次振動1 min。成型后在試模表面覆蓋薄膜，24 h后脫模。由于要替代拋石使用，試件須具有良好的抗水侵蝕性能，脫模后試件直接采用浸水養(yǎng)護(hù)的方式養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期進(jìn)行檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 灰砂比對砂漿力學(xué)性能的影響

灰砂比對砂漿的性能有一定的影響。在保證性能的前提下，盡量增加砂子的用量，最大限度地利用疏浚廢棄砂。分別以1:1.5、1:2和1:2.5的灰砂比配制試樣進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，隨著疏浚砂摻量的增加，試件抗壓和破裂抗拉強(qiáng)度降低。隨著砂子用量的增加，包覆在骨料周圍和充斥在間隙中的膠凝材料相對減少。由于砂子在砂漿中主要起骨架作用，隨著砂子摻量的增加，強(qiáng)度有所下降，但不明顯，灰砂比從1:1.5下降到1:2時，試件28 d抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低10.3%和5.2%。隨著砂子用量的繼續(xù)增加，砂子周圍的膠凝材料相對減少，其黏結(jié)能力降低，將砂子膠結(jié)在一起的能力減小，基體強(qiáng)度隨之顯著降低?；疑氨葟?:2下降到1:2.5時，試件28 d強(qiáng)度分別降低減小23.1%和11.1%。綜合考慮，選擇1:2的灰砂比進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 灰砂比對砂漿性能的影響

2.2 粉煤灰摻量對砂漿力學(xué)性能的影響

特細(xì)砂水泥基材料在配制和設(shè)計中應(yīng)遵循低砂比例、低水泥用量(摻加超細(xì)礦物摻合料礦粉、粉煤灰和石灰石粉等降低水泥用量)、采用高效減水劑降低用水量等原則。本研究取灰砂比1:2，水膠比0.6，以粉煤灰對水泥的替代量分別為0%、10%、20%和30%拌制成型，試件3、28和90 d抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 粉煤灰摻量對砂漿力學(xué)性能的影響

經(jīng)驗(yàn)表明，摻入適量粉煤灰可以降低水泥用量和用水量，改善和易性[9]。從圖5可知，加入粉煤灰顯著降低早期強(qiáng)度，但后期強(qiáng)度下降變緩。粉煤灰具有良好的火山灰效應(yīng)，有利于試件后期強(qiáng)度的增加，同時粉煤灰中的活性氧化鈣、氧化硅和氧化鋁等成分可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，使粉煤灰活性大幅度提高，生成堿度較小的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣等產(chǎn)物，水化硬化后對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)會增大，使水泥基材料強(qiáng)度進(jìn)一步提高。但隨著粉煤灰替代量的繼續(xù)增加和水泥摻量的減少，試件的堿度降低，導(dǎo)致水化效應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)減少，膠結(jié)作用的減弱使得水泥基材料力學(xué)性能不佳，由此引起試件強(qiáng)度的下降。當(dāng)粉煤灰的替代量為30%時，與不摻加粉煤灰相比，試件28 d抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為30.1和3.6 MPa，降低36.2%和23.4%。綜合考慮，選擇30%的粉煤灰替代量進(jìn)行后續(xù)研究。

2.3 早強(qiáng)劑對疏浚砂砂漿力學(xué)性能的影響

為了達(dá)到快速拋投的目的，在保證質(zhì)量的前提下，減少試件的養(yǎng)護(hù)時間、加快模具周轉(zhuǎn)率、提高生產(chǎn)效率，需要配制基于疏浚砂早強(qiáng)快凝砂漿，使其成型后24 h之內(nèi)可以直接拋投使用。通過摻加早強(qiáng)劑的方法快速提高混凝土早期強(qiáng)度，獲得早期強(qiáng)度高、可快速脫模并投入使用的疏浚砂砂漿。為使塊體快速成型并能投入使用，優(yōu)選無水硫酸鈉、三乙醇胺和碳酸鋰等早強(qiáng)劑進(jìn)行不同早強(qiáng)劑摻量下試件12 h、3 d和28 d的強(qiáng)度檢測(表1)，其中試樣灰砂比為1:2，粉煤灰替代量30%，水膠比0.6。

表1 不同早強(qiáng)劑對疏浚砂砂漿性能的影響

從表1可知，硫酸鈉可以顯著提高水泥基材料的早期強(qiáng)度，但相對于空白樣后期強(qiáng)度有一定的倒縮。要獲得較優(yōu)的早期強(qiáng)度，硫酸鈉的適宜摻量為1.5%左右；摻加碳酸鋰試件各齡期強(qiáng)度均有一定程度的增加，與空白樣相比摻0.3%的碳酸鋰，1、3和28 d齡期抗壓強(qiáng)度分別增加23.8%、20.5%和13.7%；摻加三乙醇胺試件的早期強(qiáng)度增加明顯，后期強(qiáng)度無明顯變化，僅有微量降低。

2.4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

將疏浚砂漿與普通C30混凝土進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，不同材料綜合費(fèi)用見表2。

表2 普通C30混凝土和疏浚砂砂漿綜合費(fèi)用比較

從表2可知，以運(yùn)距為100 km計，與公路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸普通C30混凝土相比，疏浚砂砂漿的成本分別降低59.0%和54.8%，同時還可以大量使用粉煤灰等工業(yè)廢渣。以航道工程疏浚砂制備水工材料符合國家節(jié)能減排政策，且具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。將港航工程疏浚砂資源通過固化等技術(shù)制備成水工材料，就地應(yīng)用于航道整治工程建設(shè)中，在避免堆置等處置的同時也減少土地占用，降低工程造價，解決了固體廢棄物的二次污染問題，并可有效緩解航道整治等工程對環(huán)境的影響，具有顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

1)以細(xì)度模數(shù)為0.1左右、含泥量25%的長江疏浚砂為原料，制備能快速成型、強(qiáng)度高、抗水侵蝕性能優(yōu)良的綠色疏浚砂砂漿，在灰砂比1:2，水膠比0.6，粉煤灰替代量30%時，其28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到30.1和3.6 MPa，可以替代C30混凝土使用。該材料有望替代普通拋石材料應(yīng)用于航道整治工程，為航道整治疏浚砂的資源化利用提供了一條有效途徑。

2)為了獲得早期強(qiáng)度高、可快速脫模并投入使用的疏浚砂水泥基材料，優(yōu)選無水硫酸鈉、三乙醇胺和碳酸鋰等早強(qiáng)劑進(jìn)行不同早強(qiáng)劑摻量下試件12 h、3 d和28 d的強(qiáng)度檢測，結(jié)果表明硫酸鈉可以顯著提高砂漿的早期強(qiáng)度，但相對于空白樣后期強(qiáng)度有一定的倒縮；摻加碳酸鋰試件各齡期強(qiáng)度均有一定程度的增加，與空白樣相比摻0.3%的碳酸鋰，1、3和28 d齡期抗壓強(qiáng)度分別增加23.8%、20.5%和13.7%；摻加三乙醇胺試件的早期強(qiáng)度增加明顯，后期強(qiáng)度無明顯變化。

3)以運(yùn)距100 km計，對比公路和水路運(yùn)輸普通C30混凝土，使用疏浚砂砂漿的成本分別降低59.0%和54.8%，同時可以大量使用粉煤灰等工業(yè)廢渣。以航道工程疏浚砂制備水工材料符合國家節(jié)能減排政策，且具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。