基于航道整治廢棄超細(xì)砂的砂性混凝土力學(xué)性能研究

郭文文，方佳敏，周玲霞，柴星宇，江朝華

（1.河海大學(xué) 疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 南京 210098；2.長(zhǎng)江航道整治中心，湖北 武漢 430014；3.南京市長(zhǎng)江河道管理處，江蘇 南京 210011）

在港口維護(hù)和航道整治過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄超細(xì)砂，而廢棄超細(xì)砂的轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲(chǔ)會(huì)增加工程量和工程造價(jià)，并且對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染，因此，如何將廢棄超細(xì)砂進(jìn)行資源化處理引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

砂性混凝土是一種主要由砂、水泥、礦物填料、水和高效減水劑等組成的新型無粗骨料混凝土，與普通混凝土具有相似的組成，其中用砂來代替?zhèn)鹘y(tǒng)混凝土中粗骨料，礦物填料（礦粉、粉煤灰、石灰石粉等）代替細(xì)骨料，基于顆粒的致密堆積和水泥的水化作用使該混凝土具有與傳統(tǒng)混凝土相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能[1]。

Zri等[2]利用砂性棄土、水泥、礦物填料、外加劑等制備出的砂性混凝土抗壓強(qiáng)度能達(dá)到41 MPa。Brouwers和Radix[3]的研究認(rèn)為，填料是優(yōu)化砂性混凝土粒度分布的有效成分，從而提高混凝土的流動(dòng)性、穩(wěn)定性和力學(xué)性能。Benaissa等[4]采用石灰石粉體作為填料，研究了不同配比的河砂對(duì)高流態(tài)砂性混凝土性能的影響，結(jié)果表明，河砂的最佳摻量為10%左右，能滿足高流態(tài)砂性混凝土的硬化性能。張長(zhǎng)民等[5]將塔克拉瑪干沙漠超細(xì)砂加入混凝土中，通過調(diào)整混凝土配合比和摻入外加劑配制出具有與普通混凝土相近性能的混凝土。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于砂性混凝土的研究十分有限。因此，本文以航道整治工程中產(chǎn)生的廢棄超細(xì)砂為粗骨料，石灰石粉為細(xì)骨料，通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)研究水灰比、水泥用量、石灰石粉用量、聚丙烯纖維體積摻量等4種因素對(duì)該砂性混凝土力學(xué)性能的影響，研究成果對(duì)推動(dòng)航道整治廢棄物的利用具有參考作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

（1）廢棄超細(xì)砂：取自長(zhǎng)江荊江南碾子灣河段岸坡崩塌段，pH值=7.23，具有一定的堿性，含水率為5%，風(fēng)干后使用，其化學(xué)成分見表1，礦物組成見表2，顆粒級(jí)配曲線見圖1。

表1 廢棄超細(xì)砂的主要化學(xué)成分 %

表2 廢棄超細(xì)砂的礦物組成 %

圖1 廢棄超細(xì)砂的顆粒級(jí)配曲線

由表1、表2和圖1可見，廢棄超細(xì)砂的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，占比92%以上，基本不存在有機(jī)物質(zhì)；廢棄超細(xì)砂中石英和長(zhǎng)石類原生礦物的含量最多，其中非黏性礦物含量為84%，黏性礦物含量為16%，說明廢棄超細(xì)砂的活性較差；廢棄超細(xì)砂的粒徑分布主要集中在0.1~1.0 mm，計(jì)算得到該砂的細(xì)度模數(shù)為0.82，不均勻系數(shù)為4。

（2）石灰石粉：主要物理性能見表3。

表3 石灰石粉的物理性能

（3）水泥：海螺牌P·O42.5水泥。

（4）減水劑：聚羧酸高效減水劑，主要技術(shù)性能見表4。

表4 聚羧酸減水劑的主要技術(shù)性能

（5）聚丙烯纖維：束狀單絲聚丙烯纖維，長(zhǎng)度12 mm，直徑18~48μm，相對(duì)密度0.91，主要技術(shù)性能見表5。

表5 聚丙烯纖維的主要技術(shù)性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

本文從使混凝土達(dá)到最大密實(shí)度角度即采用致密堆積理論對(duì)砂性混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。選擇水灰比、水泥用量、石灰石粉用量、聚丙烯纖維體積摻量為因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，每個(gè)因素3個(gè)水平，砂取值采用絕對(duì)體積法，即V砂=1-V水泥-V石灰石粉-V水-V孔隙。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表6。

表6 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

1.2.2 成型與測(cè)試

按照配合比，依次將廢棄超細(xì)砂、水泥、石灰石粉、聚丙烯纖維加入U(xiǎn)JI-15水泥膠砂攪拌機(jī)中干拌均勻，采用同摻法加入水和減水劑，濕拌3 min，將拌合物倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三聯(lián)試模，采用HZJ-A混凝土振動(dòng)臺(tái)分級(jí)成型，裝至模具容量一半時(shí)放置在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)1 min，然后繼續(xù)添加物料裝滿模具，振動(dòng)4 min。成型后在試模表面覆蓋薄膜，24 h后脫模，脫模后試件在水養(yǎng)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。依據(jù)DL/T 5150—2001《水工混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與性能測(cè)試結(jié)果見表7。

表7 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試結(jié)果

2.1 正交試驗(yàn)極差分析

各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度影響的極差分析分別如表8、表9所示。

表8 各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的極差分析

表9 各因素對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響的極差分析

由表8和表9可見：

（1）對(duì)于因素A：當(dāng)水灰比從0.63逐漸增大到0.67時(shí)，混凝土的抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度均先提高后降低。當(dāng)水灰比過小時(shí)，膠體和晶體的材料不能充分形成，混凝土和易性差，振搗、密實(shí)困難；而當(dāng)水灰比過大時(shí)，水泥水化后多余的水分殘留在混凝土中，形成水泡或蒸發(fā)后形成氣孔，減少了混凝土抵抗荷載的實(shí)際有效斷面，因此強(qiáng)度會(huì)降低。

（2）對(duì)于因素B：當(dāng)水泥用量從350 kg/m3增加到380 kg/m3時(shí)，混凝土強(qiáng)度明顯提高，抗壓強(qiáng)度最大增幅為12.66%，劈裂抗拉強(qiáng)度最大增幅為11.12%；而當(dāng)水泥用量繼續(xù)增加到410 kg/m3時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率減緩，抗壓強(qiáng)度最大增幅為3.24%，劈裂抗拉強(qiáng)度最大增幅為1.59%。在砂性混凝土結(jié)構(gòu)中，水泥在粗骨料和細(xì)骨料之間起到膠結(jié)作用，而骨料之間的粘結(jié)面的大小和粘結(jié)程度通常是由水泥用量來決定的[6]，水泥用量足夠時(shí)，骨料的膠結(jié)面大，使得粗骨料與細(xì)骨料粘結(jié)得更牢固，從而提高了砂性混凝土強(qiáng)度；而當(dāng)水泥用量過多時(shí)，相應(yīng)的混凝土中骨料含量下降，對(duì)其在混凝土中的骨架作用效應(yīng)也會(huì)減弱，這不利于混凝土強(qiáng)度的提高，因此隨著水泥用量的增加，強(qiáng)度增長(zhǎng)速率會(huì)放緩。

（3）對(duì)于因素C：當(dāng)石灰石粉用量從150 kg/m3增加到200 kg/m3時(shí)，混凝土強(qiáng)度提高，抗壓強(qiáng)度最大增幅為8.97%，劈裂抗拉強(qiáng)度最大增幅為8.20%；繼續(xù)增加石灰石粉用量時(shí)，混凝土強(qiáng)度明顯降低，抗壓強(qiáng)度最大降幅為7.67%，劈裂抗拉強(qiáng)度最大降幅為3.33%，這說明砂性混凝土中存在最佳填料用量，在達(dá)到最佳用量之前，Saffar[7]認(rèn)為填料減少了砂粒與砂粒之間的空隙，從而增加了混凝土的密度、穩(wěn)定性和韌性，認(rèn)為在混凝土中添加礦物填料可以糾正或優(yōu)化粒徑分布，以提高密實(shí)度，從而提高強(qiáng)度。而當(dāng)填料用量繼續(xù)增大，混合物的密實(shí)度下降，砂性混凝土抗壓強(qiáng)度也會(huì)降低。

（4）對(duì)于因素D：當(dāng)聚丙烯纖維摻量從0增加到0.15%時(shí)，混凝土強(qiáng)度提高，抗壓強(qiáng)度最大增幅為6.75%，劈裂抗拉強(qiáng)度最大增幅為4.73%；而聚丙烯纖維摻量繼續(xù)增大到0.30%時(shí)，混凝土強(qiáng)度降低。這是因?yàn)槔w維在混凝土中能將局部受到的拉應(yīng)力傳遞到較大面積上，從而可以有效的阻礙混凝土基體結(jié)構(gòu)中微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，由此提高了混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土的韌性、延性和耐磨性等性能，避免混凝土發(fā)生脆性破壞；而當(dāng)聚丙烯纖維摻量過大時(shí)，由于聚丙烯纖維的不親水性，使得纖維-基材界面的水灰比增大，從而造成聚丙烯纖維-基材的界面效應(yīng)呈弱界面效應(yīng)，從而使得混凝土強(qiáng)度降低。

（5）各因素對(duì)抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度影響的主次順序均為水灰比>水泥用量>石灰石粉用量>聚丙烯纖維摻量，且同一配比下各強(qiáng)度均隨著齡期的延長(zhǎng)而提高。表明隨著齡期的延長(zhǎng)，水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，基質(zhì)中形成越來越多的水化硅酸鈣凝膠、鈣礬石等膠凝化合物，這些水化合物能夠填充混凝土內(nèi)部孔隙，使得結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而使得混凝土強(qiáng)度提高[8]。本實(shí)驗(yàn)中砂性混凝土的最佳配合比為：水灰比0.65、水泥用量410 kg/m3、石灰石粉用量200 kg/m3、聚丙烯纖維體積摻量0.15%。

2.2 正交試驗(yàn)方差分析

各因素對(duì)抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度影響的方差分析分別見表10、表11，取顯著性水平α=0.5，則F臨界值為4.46。

表10 各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的方差分析

表11 各因素對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響的方差分析

由表10和表11可知，混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度3個(gè)齡期的偏差平方和均滿足SA>SB>SC>SD，即因素A、B、C、D對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度逐漸降低，水灰比對(duì)砂性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度最大，然后依次為水泥用量、石灰石粉用量，聚丙烯纖維體積摻量的影響程度最小。

3 結(jié)語

（1）4個(gè)因素對(duì)砂性混凝土力學(xué)性能的影響從大到小依次為水灰比、水泥用量、石灰石粉用量、聚丙烯纖維摻量；隨著齡期延長(zhǎng)，水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，使得砂性混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，從而力學(xué)性能提高。

（2）混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著水灰比、石灰石粉用量、聚丙烯纖維體積摻量的增加先提高后降低，隨著水泥用量的增加逐漸提高，但增幅逐漸減小。

（3）經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，該砂性混凝土的最佳配合比為：廢棄超細(xì)砂1101.58 kg/m3、水泥410 kg/m3、石灰石粉200 kg/m3、水266.5 kg/m3、聚丙烯纖維1.36 kg/m3、減水劑4.10 kg/m3，此時(shí)該砂性混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度能達(dá)到30 MPa以上，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到5 MPa以上，能夠替代普通混凝土制備壓載塊，就近用于一般的水利水運(yùn)工程。