基于航道整治特細(xì)砂的抗收縮水泥基材料性能試驗(yàn)研究

謝鳳一，董朝明，鄢棟梁，焦鋒，江朝華

（1.長(zhǎng)江航道工程局有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.長(zhǎng)江南京航道工程局，江蘇 南京 210011；3.河海大學(xué)，疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 南京 210098）

0 引言

隨著長(zhǎng)江河段航道整治的推進(jìn)，護(hù)岸工程中由于削坡將產(chǎn)生大量廢棄特細(xì)砂。廢棄特細(xì)砂的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)費(fèi)用巨大且會(huì)影響環(huán)境，因此對(duì)航道整治廢棄特細(xì)砂的資源化利用越來(lái)越引起人們的關(guān)注[1]。

DASH H J[2]從Chilika湖收集廢棄砂并用其代替土工材料，發(fā)現(xiàn)摻加高聚物生物瓜爾膠后Chilika砂不僅可用于各種建筑工程，還可用于地基和填筑材料。廢棄砂被越來(lái)越多地作為建材利用于海岸保護(hù)和陸地地下空間工程[3]。KITAHARA S[4]等研究開(kāi)發(fā)了一種水泥、粉煤灰處理砂質(zhì)護(hù)岸的施工方法，將廢棄砂與粉煤灰、水泥和海水混合，結(jié)果表明，與一般的碎石施工方法相比，采用該方法可以減少30%左右的施工量。LIRER S[5]等用那不勒斯港口的廢棄泥砂和意大利南部一家發(fā)電廠產(chǎn)生的工業(yè)粉煤灰混合制成不同土聚樣品，研究發(fā)現(xiàn)，廢棄泥砂與粉煤灰復(fù)合使用可以制備出力學(xué)性能優(yōu)良的土工聚合物。張宏[6]等選擇了有代表性的5種長(zhǎng)江口廢棄細(xì)砂進(jìn)行級(jí)配、壓實(shí)特征、濕度特征、回彈模量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低填細(xì)砂路基在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受地下水影響較小，CBR強(qiáng)度和回彈模量與壓實(shí)度、含泥量相關(guān)性顯著，能滿足設(shè)計(jì)要求。OING K等[7]認(rèn)為在堤防建設(shè)中利用航道整治廢棄物代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料可以保護(hù)自然資源，但是航道整治廢棄物在收縮性和干燥開(kāi)裂方面存在著明顯的不足。因此，有必要對(duì)其工作性能、力學(xué)性能及抗收縮性能方面深入研究。

本文以長(zhǎng)江航道整治特細(xì)砂為料制備水泥基材料，討論礦粉、石膏單摻、雙摻對(duì)其流動(dòng)度、含氣量、力學(xué)性能和抗收縮性能的影響，以期找出較優(yōu)配合比，拓寬長(zhǎng)江航道廢棄砂資源化利用途徑。

1 材料及配合比

水泥采用P.O42.5海螺牌普通硅酸鹽水泥；礦粉采用南京梅寶S95級(jí)礦粉，重度為2.83 g/cm3，比表面積為385 m2/kg；石膏由上海九億化學(xué)試劑生產(chǎn)，主要成分為二水石膏；試驗(yàn)用砂細(xì)度模數(shù)為0.85；減水劑采用南京水利科學(xué)研究院HLC液態(tài)高效聚羧酸減水劑，pH值為7~8，活性成分超過(guò)97%；試驗(yàn)中所用的水均為自來(lái)水。礦粉、石膏、減水劑摻量分別以膠凝材料總量為基準(zhǔn)。本文采用體積法計(jì)算初始配合比并采用等效替代法設(shè)計(jì)混合比例，調(diào)整砂用量以平衡摻合料加入引起的體積差，試驗(yàn)保持水灰比不變，調(diào)整礦粉與石膏摻量。廢棄砂及礦粉粒徑分布圖見(jiàn)圖1。水泥、礦粉與廢棄砂主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。水泥基材料配合比見(jiàn)表2。

圖1 廢棄砂及礦粉粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution map of abandoned sand and mineral powder

表1 水泥、礦粉與廢棄砂主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of cement,mineral powder and abandoned sand%

表2 水泥基材料配合比Table 2 Mix ratio of cement-based materials

2 試驗(yàn)方法

按照配合比稱取水泥、疏浚砂、礦粉、石膏、減水劑等，先將砂、水泥及摻合料等在UJZ-15型攪拌機(jī)中干拌2 min，然后加入混合均勻的減水劑和水再濕拌3 min。將攪拌均勻的物料加入試模中，在HZJ-A振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2~3 min。成型時(shí)為防止水分散失，在試模表面覆蓋一層保鮮膜并在（20依2）益下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，試件在溫度（20依2）益和濕度（95依5）%下養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期。試件養(yǎng)護(hù)完后按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》測(cè)定流動(dòng)度，含氣量、抗壓、劈裂抗拉及干縮實(shí)驗(yàn)按照DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，采用100 mm伊100 mm伊100 mm試模養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、90 d后在SHT4305萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)，采用40 mm伊40 mm伊160 mm試模在溫度為20耀25益、相對(duì)濕度50%耀55%的條件下養(yǎng)護(hù)至1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、42 d和56 d進(jìn)行干縮試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 工作性能

由圖2可見(jiàn)，礦粉單摻替代水泥后水泥基材料流動(dòng)度隨替代量的增加顯著增大，礦粉與石膏混摻替代水泥后流動(dòng)度呈減小趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，摻加礦粉及石膏的水泥基材料流動(dòng)度均大于空白組，礦粉替代40%水泥時(shí)流動(dòng)度最大。因?yàn)榈V粉的顆?？傮w較粗，比表面積相對(duì)較小，隨著水泥中礦粉替代量的增加，總的吸附水量是減少的，在水灰比一定的條件下，自由水量隨吸附水量的減少而增加，從而導(dǎo)致流動(dòng)度的增大。

圖2 水泥基材料流動(dòng)度及含氣量變化Fig.2 Changes in fluidity and gas content of cement-based materials

含氣量隨礦粉摻量的增加而減小，摻加適量石膏后達(dá)到最低，過(guò)量石膏使含氣量增大。當(dāng)?shù)V粉摻量為40%，石膏摻量為10%時(shí)，水泥基材料含氣量最低，約為12.2%。

3.2 抗壓強(qiáng)度

試件7 d、28 d、90 d抗壓強(qiáng)度如圖3所示。從圖中可知，單摻礦粉對(duì)水泥基材料抗壓強(qiáng)度有一定改善，單摻20%、40%的礦粉試件與空白試件相比，7 d抗壓強(qiáng)度分別降低1.7%、4.6%，28 d抗壓強(qiáng)度分別提高6.6%、13.9%，90 d抗壓強(qiáng)度分別提高8.3%、12.8%。結(jié)果表明單獨(dú)摻加礦粉后，隨著礦粉替代量的增加，試件早期抗壓強(qiáng)度略有下降，后期抗壓強(qiáng)度明顯提高。這是因?yàn)樗嗨尫懦龅臍溲趸}是礦粉的激發(fā)劑，其與礦粉中的活性組分相互作用，促進(jìn)礦粉與水泥的繼續(xù)水化，同時(shí)聚合物顆粒對(duì)孔隙的填充作用，提高了水泥基材料的密實(shí)度，從而水泥基材料的后期強(qiáng)度有較大提高。此外，從圖中還可以看出摻加適量石膏更有利于試件強(qiáng)度發(fā)展，而摻量過(guò)大則會(huì)對(duì)強(qiáng)度不利；在摻加40%礦粉基礎(chǔ)上，混摻10%石膏后試件各齡期抗壓強(qiáng)度效果最佳，試件7 d、28 d、90 d抗壓強(qiáng)度較空白組分別提高7.5%、22.6%、20.6%；而混摻20%石膏后試件各齡期抗壓強(qiáng)度都有較為明顯下降，與混摻10%石膏相比，試件7 d、28 d、90 d抗壓強(qiáng)度分別下降7.1%、16.1%、19.1%。KHEDER G F等[8]對(duì)水泥中SO3總摻量在3.2%耀10.5%范圍內(nèi)的混凝土進(jìn)行了性能測(cè)試。他發(fā)現(xiàn)SO3占6.8%的混合料在不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度最高。石膏的水化反應(yīng)迅速，適量石膏摻入后水化生成致密而堅(jiān)固的鈣礬石，有利于強(qiáng)度的增長(zhǎng)；但摻加過(guò)多石膏，不僅縮短了凝結(jié)時(shí)間，阻礙水化物的擴(kuò)散，而且參與水化反應(yīng)后剩余的石膏只是以低強(qiáng)度狀態(tài)存在，從而導(dǎo)致試件強(qiáng)度下降。

圖3 水泥基材料抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of cement-based materials

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

試件不同齡期劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，摻加礦粉后水泥基材料劈裂抗拉強(qiáng)度有所改善，與空白樣相比，單摻20%、40%礦粉試件7 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低3.1%、5.3%，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高5.7%、17.1%，90 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高8.6%、21.2%。這是因?yàn)榈V粉可作為填料在水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2中起填充作用，優(yōu)化了水泥基材料各組成物料間的級(jí)配結(jié)構(gòu)，同時(shí)這種填充作用使得礦粉與Ca（OH）2充分接觸，從而不斷反應(yīng)生成C-S-H晶體，使水泥基材料后期劈裂抗拉強(qiáng)度得到提高。加入適量石膏后，水泥基材料劈裂抗拉強(qiáng)度明顯提高，在40%礦粉基礎(chǔ)上摻加10%石膏，試件7 d、28 d、90 d劈裂抗拉強(qiáng)度較空白樣分別提高6.9%、29.5%、30.6%，可知適量石膏的摻加對(duì)試件各齡期尤其是后期劈裂抗拉強(qiáng)度有較大促進(jìn)作用；但摻量過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致試件強(qiáng)度下降，與混摻10%石膏試件相比，混摻20%石膏試件7 d、28 d、90 d劈裂抗拉強(qiáng)度下降7%、15.4%、20.3%，石膏摻量過(guò)多致使試件后期劈裂抗拉強(qiáng)度急劇下降。

圖4 水泥基材料劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.4 Splitting tensile strength of cement-based materials

3.4 抗收縮性能

水泥基材料干縮性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。可以看出，前5組試件的干縮率在早期迅速增長(zhǎng)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加逐漸趨于平緩，而混摻40%礦粉和20%石膏的試件則發(fā)生明顯膨脹。單摻礦粉后，試件的干縮率隨著礦粉摻量的增加而逐漸減小，單摻20%、40%礦粉試件28 d干縮率較空白組分別降低5.6%、9.4%。這是由于礦粉的摻入，細(xì)化漿體孔結(jié)構(gòu)的同時(shí)降低了孔隙的連通性，增加了干燥條件下水分遷移的難度，可有效降低水泥基材料的干燥收縮。在摻加40%礦粉基礎(chǔ)上混摻10%石膏時(shí)，試件干縮率達(dá)到最低，28 d干縮率為485.2伊10-4，較空白組降低60.1%，表明適量石膏的摻入能有效控制水泥基材料的干縮變形；但摻加20%石膏時(shí)，試件養(yǎng)護(hù)3 d后出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，28 d干縮率為-651.7伊10-4。

圖5 試件干縮變化Fig.5 Dry shrinkage of the specimen

前期研究表明，以超細(xì)砂制成的膠凝材料的收縮性能遠(yuǎn)高于常規(guī)混凝土。LERCH W[9]發(fā)現(xiàn)，石膏添加量對(duì)硬化混凝土性能的影響大于其對(duì)凝結(jié)時(shí)間的調(diào)節(jié)作用。硫酸鹽、氧化鋁和Ca（OH）2反應(yīng)生成的鈣礬石可以有效地改善混凝土的收縮。因此，本研究中添加適量的石膏可以抑制航道整治特細(xì)砂水泥基材料的收縮。水泥中SO3含量較低，C3A和堿含量較高，添加適量的石膏對(duì)抑制收縮有積極作用。此外，高硫酸鹽含量的混凝土并不總是意味著發(fā)生破壞性膨脹。GESOGLU M等[10]發(fā)現(xiàn)在石膏含量為8.56%水泥質(zhì)量下，石膏對(duì)超高強(qiáng)混凝土（UHSC）的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度有顯著影響。含石膏的UHSC在水中養(yǎng)護(hù)1 a后，其最大膨脹率非常低。因此，本研究中添加適當(dāng)?shù)氖嗫梢蕴岣吣z凝材料的早期強(qiáng)度，抑制收縮。

4 結(jié)語(yǔ)

1）礦粉與適量石膏混摻可以明顯改善基于航道整治特細(xì)砂的水泥基材料的工作性能，摻加40%礦粉和10%石膏時(shí)水泥基材料流動(dòng)度及含氣量綜合較優(yōu)。

2）基于航道整治特細(xì)砂的水泥基材料力學(xué)性能較佳，適量礦粉及石膏混摻后其力學(xué)性能可得到較大改善，摻加40%礦粉、10%石膏的試件28 d抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度分別可達(dá)32.44 MPa和2.72 MPa，較空白組提高22.6%和29.5%。

3）基于航道整治特細(xì)砂的水泥基材料具有優(yōu)良的抗收縮性能，隨著礦粉摻量增加，抗收縮性能有較大改善，摻加40%礦粉、10%石膏試件干縮率較空白樣降低60.1%。制備的水泥基材料可以替代普通混凝土制備壓載塊、護(hù)面磚等就近應(yīng)用于航道整治工程，為航道整治廢棄特細(xì)砂的資源化利用提供有效途徑。