長(zhǎng)江下游疏浚砂水泥基材料性能對(duì)比試驗(yàn)研究

鐘智輝，江朝華，謝鳳一，王鋅鑫，諸裕良

（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)江航道工程局有限責(zé)任公司，湖北武漢430010）

0 引言

隨著中國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，傳統(tǒng)的開(kāi)山采石方式由于造成山體破壞，植被銳減，粉塵空氣污染等環(huán)境影響問(wèn)題而逐漸受到越來(lái)越多的限制，天然砂石材料逐步走向短缺和枯竭。因此利用疏浚砂制作水泥基材料替代普通混凝土就近應(yīng)用于航道整治工程，可以有效緩解砂石材料短缺問(wèn)題，變廢為寶。

當(dāng)前疏浚砂的處置方法主要有：1）直接進(jìn)行拋灑和傾倒[1]；2）作為建筑材料用于大型水利工程（如袋裝砂作為堤心[2]、用于充砂袋筑堤[3]等）；3）用于人工養(yǎng)灘[4]以防治海岸侵蝕；4）對(duì)疏浚砂進(jìn)行預(yù)處理后，直接部分取代常用的河沙細(xì)骨料制備土木工程材料[5-8]。

綜上所述，現(xiàn)有疏浚砂的建材資源化利用主要是替代或部分替代混凝土中的細(xì)骨料，不用石子，以疏浚砂為主要原料制備水泥基材料替代普通混凝土，可以極大增加疏浚砂的用量。本文試驗(yàn)以長(zhǎng)江下游含泥量25.8%、細(xì)度模數(shù)0.1的A砂樣與含泥量6.5%、細(xì)度模數(shù)0.3的B砂樣為主要原料，制備疏浚砂水泥基材料，使用礦粉和粉煤灰等量替代部分水泥，以減少水泥用量、增加和易性，進(jìn)行了疏浚砂水泥基材料試件強(qiáng)度和耐久性檢測(cè)，以替代普通C30混凝土制備護(hù)面磚等就近應(yīng)用于航道整治工程，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江下游疏浚砂的建材化、資源化利用。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為海螺水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽PO42.5水泥，執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》；礦粉為南京梅寶公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉，比表面積為385 m2/kg；粉煤灰為Ⅱ級(jí)，需水量比95%；減水劑為南京水利科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為25%；試驗(yàn)所用的疏浚砂來(lái)自長(zhǎng)江下游疏浚航道整治工程，疏浚砂的顆粒分布見(jiàn)圖1。

圖1 砂樣粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of sand sample

顆粒分析試驗(yàn)是測(cè)定干砂樣中各種粒徑組成所占該砂樣總質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的方法，以此了解顆粒大小分布情況。疏浚砂細(xì)度模數(shù)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。測(cè)得A砂樣的細(xì)度模數(shù)為0.1，B砂樣的細(xì)度模數(shù)為0.3。根據(jù)規(guī)范GB/T 14684—2001《建筑用砂》，混凝土用砂分為粗砂、中砂和細(xì)砂，其中細(xì)砂細(xì)度模數(shù)大于1.6，細(xì)度模數(shù)0.7～1.5之間為特細(xì)砂。A、B 2種疏浚砂砂樣比特細(xì)砂的細(xì)度模數(shù)更小，為超細(xì)砂。

1.2 試驗(yàn)方法

將攪拌均勻的混合物裝入邊長(zhǎng)為70.7 mm立方體模具。先裝填試模高度的2/3，并用抹刀插搗密實(shí)，將試模放至振動(dòng)臺(tái)振搗30 s，然后在振動(dòng)過(guò)程中加入混合料，將試模裝滿，最終使混合料高出試模口，振動(dòng)2 min至混合物均勻，振動(dòng)持續(xù)到表面出漿為止，振動(dòng)時(shí)用抹刀將試件頂面抹平，不得過(guò)振，以防止水泥基材料離析，從振動(dòng)臺(tái)取下試模并加蓋保鮮膜放置1 d后脫模，試件采取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，到一定齡期后取出。

抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)SL 352—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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。疏浚砂水泥基材料流動(dòng)度依據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》在水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀上進(jìn)行測(cè)定；凝結(jié)時(shí)間、泌水率、密度根據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)定；抗水侵蝕性根據(jù)GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行檢測(cè)；抗沖磨性能依據(jù)DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》水下鋼球法進(jìn)行檢測(cè)。

將水泥基材料編號(hào)為A1、A2、B1、B24組，A1、A2為A砂樣所制水泥基材料；B1、B2為B砂樣所制水泥基材料，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)配合比Table 1 Test mix proportion

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 水泥基材料各齡期強(qiáng)度

制備上述的A1、A2、B1、B24組水泥基材料，檢測(cè)其3 d、28 d、90 d的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 疏浚砂水泥基材料各齡期強(qiáng)度Fig.2 Strength of dredged sand cement-based materials at different ages

由圖2可知，采用同種砂樣，摻礦粉的水泥基材料相比摻粉煤灰的水泥基材料早期強(qiáng)度更高。A1水泥基材料的28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度較A2水泥基材料分別高出15.1%和12.6%；B1水泥基材料的28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度較B2水泥基材料分別高出了9.1%和8.0%。由于礦粉的顆粒組成更細(xì)，比表面積也比粉煤灰大，它的微集料充填效果更好，在充分的二次水化反應(yīng)之后微集料填充效應(yīng)最明顯時(shí)，水泥石中的孔隙結(jié)構(gòu)得到了很好的改善，增強(qiáng)了水泥基材料的各齡期尤其是早期強(qiáng)度。粉煤灰水化程度低，但其為球狀顆粒，可以均勻填充集體內(nèi)部，并且其28 d后期水化提高。因此，較之同等摻量的粉煤灰，摻加礦粉試件的早期具有更高的強(qiáng)度，但28 d后摻加粉煤灰和礦粉的試件強(qiáng)度變化不大。

采用同種摻和料，B砂樣水泥基材料較A砂樣水泥基材料的強(qiáng)度更高。摻礦粉的細(xì)度模數(shù)為0.3的B1水泥基材料的28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度較細(xì)度模數(shù)為0.1的A1水泥基材料提高了22.7%和9.1%；摻粉煤灰的B2水泥基材料的28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度較A2水泥基材料高出了29.5%和13.7%。疏浚砂含泥量顯著影響疏浚砂水泥基材料的強(qiáng)度，含泥量增加，強(qiáng)度降低。A砂樣含泥量和B砂樣含泥量分別為25.8%和6.5%，因而在相同的配合比下，B砂樣試件較之A砂樣強(qiáng)度有明顯的增加。另外，A砂樣與B砂樣雖然都屬于超細(xì)砂，但B砂樣的細(xì)度模數(shù)大于A砂樣，用B砂樣制備的水泥基材料，級(jí)配更好，強(qiáng)度更高。

2.2 疏浚砂水泥基材料流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、密度和泌水性

檢測(cè)A1、A2、B1、B24組水泥基材料的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、密度和泌水性，結(jié)果如表2所示。

表2 疏浚砂水泥基材料的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、泌水率和密度Table 2 Fluidity,setting time,bleeding rate and density of dredged sand cement-based materials

由表2可知，采用相同砂樣，摻入粉煤灰的水泥基材料流動(dòng)性更好，摻粉煤灰的A2水泥基材料的流動(dòng)度較A1水泥基材料提高6.4%，摻粉煤灰的B2水泥基材料流動(dòng)度較B1水泥基材料提高5.6%。由于礦粉比表面積較水泥更大，且其顆粒主要為多角形玻璃體，與水泥之間的接觸面積更大，造成顆粒之間內(nèi)部摩擦相對(duì)更高，所以加入礦粉后混凝土拌合物和易性相對(duì)較差。粉煤灰主要為球狀顆粒，與水泥顆粒之間可以形成良好的顆粒級(jí)配，且顆粒之間的內(nèi)部摩擦相對(duì)較低，因此其拌合物和易性更好，流動(dòng)度更高。

采用相同摻和物，B砂樣比A砂樣的初凝和終凝時(shí)間更短，同摻30%礦粉的B1水泥基材料較A1水泥基材料初凝和終凝時(shí)間分別提前了5.9%和13.1%，同摻30%粉煤灰的B2水泥基材料較A2水泥基材料初凝和終凝時(shí)間分別提前了9.8%和15.4%。

試件密度均在2 000 kg/m3左右，采用相同摻和物，B砂樣比A砂樣的泌水率更小，B1水泥基材料的泌水率較A1水泥基材料小了29.4%，B2水泥基材料的泌水率較A2水泥基材料小了16.1%。泌水率指泌水量與混凝土拌和物的用水量之比，是反映新拌混凝土保水性好壞的重要指標(biāo)，與A砂樣相比，含泥量少的B砂樣泌水性降低，說(shuō)明其保水性和工作性更好，含泥量增加對(duì)泌水率有不利影響。

2.3 疏浚砂水泥基材料的抗水侵蝕性能和抗沖磨性能

選取摻入30%粉煤灰的A2、B22組水泥基材料測(cè)定抗水侵蝕性和抗沖磨性能，測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 疏浚砂水泥基材料抗水侵蝕性和抗沖磨性能Table 3 Water erosion resistance and abrasion resistance of dredged sand cement-based materials

由表3可知，2組疏浚砂水泥基材料都具有較好的抗水侵蝕性能，A、B砂樣試件的浸水強(qiáng)度分別為24.2 MPa和34.1 MPa，軟化系數(shù)分別為94%和97%。A砂樣試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的抗沖磨強(qiáng)度和質(zhì)量損失率分別為9.5 h/（kg/m2）和10.5%。B砂樣試件的抗沖磨強(qiáng)度和質(zhì)量損失率分別為12.5 h/（kg/m2）和8.4%。B砂樣的浸水強(qiáng)度和抗沖磨強(qiáng)度高于A砂樣，說(shuō)明含泥量對(duì)水泥基材料的抗水侵蝕性能和抗沖磨性能有不良影響。

3 結(jié)語(yǔ)

1）使用礦粉和粉煤灰作為摻合料，代替部分水泥制備疏浚砂水泥基材料，減少水泥用量增加和易性，摻加礦粉的水泥基材料早期強(qiáng)度相對(duì)更高。礦粉替代量30%時(shí)，以細(xì)度模數(shù)為0.1、含泥量25.8%的A砂樣制備的水泥基材料28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)31.2 MPa、3.94 MPa，以細(xì)度模數(shù)為0.3、含泥量6.5%的B砂樣制備水泥基材料的28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)38.3 MPa、4.3 MP。

2）檢測(cè)顯示疏浚砂水泥基材料具有較好的抗水侵蝕性和抗沖磨性能，A、B砂樣試件28 d浸水強(qiáng)度分別為24.2 MPa和34.1 MPa，軟化系數(shù)達(dá)0.94以上。A砂樣試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的抗沖磨強(qiáng)度和質(zhì)量損失率分別為9.5 h/（kg/m2）和10.5%。B砂樣試件的抗沖磨強(qiáng)度和質(zhì)量損失率分別為12.5 h/（kg/m2）和8.4%。

3）含泥量較少，細(xì)度模數(shù)較大的B砂樣制備水泥基材料物理力學(xué)性能優(yōu)于A砂樣。2種砂樣制備的水泥基材料具有良好的物理力學(xué)和耐久性能，可以利用以上含泥量高、細(xì)度模數(shù)極小的長(zhǎng)江下游疏浚砂為主要原料制備水泥基材料替代普通混凝土制備護(hù)面磚等就近應(yīng)用于航道整治工程。