航道廢棄超細(xì)砂新型砂性混凝土性能試驗(yàn)研究

謝鳳一，彭義，羅翔云，覃昌佩，江朝華

（1.長江航道工程局有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 102200；3.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530028；4.河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 常州 213001）

0 引言

砂性混凝土是一種以砂為主要原料的新型混凝土，其主要組成與普通混凝土基本一致，由水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水和外加劑組成，可以替代普通混凝土使用，其中水泥為膠凝材料，砂被用于普通混凝土中的粗骨料的替代物，粉煤灰、石灰石等礦物粉末則用來取代細(xì)骨料，同時(shí)必須摻加減水劑降低細(xì)粒料的需水量。砂性混凝土不使用石子等粗骨料，與普通混凝土相比，具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、更低的水泥摻量（250～400 kg/m3）和水灰比，與普通砂漿相比則有更高的強(qiáng)度，同時(shí)可以大量利用砂，有效使用礦粉、粉煤灰等工業(yè)廢渣[1]。目前砂性混凝土主要用于沙漠等石子缺乏而砂供應(yīng)量大的地區(qū)[2]。

粉煤灰、礦粉、石灰石粉等粉料作為砂性混凝土中的細(xì)骨料，或稱填料，其種類、用量和細(xì)度對新拌和硬化砂性混凝土的性能有顯著影響。通常采用惰性或半惰性的、粒徑小于80 μm 的火山灰材料用作填料，以提高水化反應(yīng)和增強(qiáng)致密性[3]。粉煤灰（FA）、硅灰、礦粉（GGBS）、石灰石粉、天然或人工火山灰是制備普通混凝土常用的摻合料[4]。目前，砂性混凝土中最常用的填料是石灰石粉，其具有一定活性，能夠促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，并且作為機(jī)制砂制備過程中的廢棄物，石灰石粉不僅容易獲得而且具有一定環(huán)保性。Bederina等[5]發(fā)現(xiàn)添加石灰石粉后砂性混凝土的粒徑分布、流變學(xué)和力學(xué)性能均有明顯改善，能夠有效減少漿體的泌水、離析和沉降等現(xiàn)象。但細(xì)顆粒的過量添加會(huì)導(dǎo)致干混物料的比表面積明顯增加，從而顯著增加混凝土的用水量。研究表明，具有良好火山灰特性的礦粉和粉煤灰等工業(yè)廢渣作為砂性混凝土填料，可以充分發(fā)揮其密實(shí)和水化作用[6]。

航道整治工程中如航道疏?；虬镀孪髌逻^程會(huì)產(chǎn)生大量超細(xì)砂，以超細(xì)砂為原料制備砂性混凝土替代普通混凝土，現(xiàn)場壓制成型制作護(hù)面磚或軟體排的壓載塊等就地就近使用，一方面可以大量利用廢棄超細(xì)砂，減少土地占用，解決固體廢棄物處置不當(dāng)?shù)亩挝廴締栴}，降低航道整治工程等對環(huán)境的影響；另一方面可以減少水泥用量，降低工程造價(jià)，降低碳排放。本文以長江中下游航道整治廢棄超細(xì)砂為主要原料，以水泥為膠凝材料、礦粉和粉煤灰分別為填料制備新型砂性混凝土，分別進(jìn)行了兩種砂性混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗沖磨性以及經(jīng)濟(jì)性的比較，為其在航道整治工程中的資源化利用提供基礎(chǔ)和借鑒。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1）試驗(yàn)所使用的廢棄超細(xì)砂具有弱堿性，其pH 值為7.5。在試驗(yàn)前，需將其完全風(fēng)干。廢棄超細(xì)砂的化學(xué)成分見表1，顆粒級配見表2。此外，其具體礦物組成見圖1。

圖1 超細(xì)疏浚砂XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of ultra-fine dredged sand

表1 廢棄超細(xì)砂和水泥的化學(xué)成分Table 1 Chemical components of waste ultra-fine sand and cement

表2 超細(xì)疏浚砂顆粒級配特性Table 2 Particle grading characteristics of ultra-fine dredged sand

由表1 可知，廢棄超細(xì)砂中含有相對較高比例的是SiO2、Al2O3，分別占68.63%和11.12%。從化學(xué)成份分析表中可以看出，超細(xì)砂中沒有有害成份和Cd、Cr 和Zn 等重金屬。

由表2 可以觀察到，廢棄超細(xì)砂中小于0.075 mm 的顆粒僅占總質(zhì)量的2.34%，少于3%的比例。在粒徑范圍為0.15～0.3 mm 之間，該超細(xì)砂的分布比例最高，達(dá)到76.33%的含量。最后經(jīng)過計(jì)算，試驗(yàn)所用廢棄超細(xì)砂的細(xì)度模數(shù)為0.81。

根據(jù)圖1 所示，疏浚超細(xì)砂的主要礦物組成為石英和長石，其原生礦物的特征峰非常顯著。在疏浚超細(xì)砂中，SiO2主要以石英和長石晶體的形式存在。

2）水泥：本文使用的水泥為海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，安定性良好，化學(xué)成分見表1。

3）粉煤灰和礦粉：Ⅱ級粉煤灰，密度為2 130 kg/m3，勃氏比表面積為289 m2/kg，需水量比104%。礦粉S95 級，密度為2 870 kg/m3，勃氏比表面積為425 m2/kg。

4）減水劑：南京水利科學(xué)研究院生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，為淺棕色液體，密度1.07 g/cm3，固含量20%左右。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)預(yù)定比例，取適量廢棄超細(xì)砂、水泥和粉煤灰等材料，精確稱量后放入U(xiǎn)JZ-15 型砂漿攪拌機(jī)中進(jìn)行干拌混合，以確保徹底均勻的混合效果。在干拌過后，加入適量水進(jìn)行濕拌，攪拌時(shí)間為2 min。同時(shí)，加入0.5%的減水劑。根據(jù)操作步驟，將經(jīng)過均勻混合的材料傾倒入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的三聯(lián)試模中。接著，使用HZJ-A 型混凝土振動(dòng)臺進(jìn)行2 次振動(dòng)成型，每次振動(dòng)持續(xù)1 min，以確?；旌衔锏拿軐?shí)。成型后，將試模表面覆蓋一層薄膜，并等待24 h 后進(jìn)行脫模操作。脫模后，將試件放置在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直到達(dá)到規(guī)定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，其中抗沖磨性能、劈裂抗拉和抗壓強(qiáng)度檢測依據(jù)DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

砂性混凝土配合比設(shè)計(jì)首先確定水泥、砂、填料干混物料的摻量。本文制備的疏浚砂塊體擬替代普通混凝土制備路面磚、護(hù)面磚等，塊體的強(qiáng)度需達(dá)到C30 要求。因此，水泥含量固定為300 kg/m3，粉煤灰或礦粉填料摻量分別為100 kg/m3、150 kg/m3、200 kg/m3、250 kg/m3、300 kg/m3。通過測定干混物料最大堆積密度確定其最優(yōu)配合比，測定的步驟如下：1）將疏浚砂摻加到一定量的水泥、填料中均勻拌合并振動(dòng)30 s；2）繼續(xù)摻入疏浚砂拌合振動(dòng)直至達(dá)到預(yù)設(shè)的體積。質(zhì)量除以體積即得到干混物料的堆積密度，可以認(rèn)為最大堆積密度下干混物料具有最優(yōu)的顆粒級配從而最終能夠獲得最高的強(qiáng)度。檢測結(jié)果見表3。

表3 砂性混凝土試驗(yàn)方案Table 3 Test schemes of sand concrete

從表3 中可知，隨著填料摻量的增加，干混物料的最大堆積密度增加到達(dá)最高后降低，礦粉和粉煤灰填料砂性混凝土干混物料最大堆積密度分別為2 035 kg/m3和1 857 kg/m3。成型時(shí)摻加水泥與填料總和的0.5%的高效減水劑（SP），水/（水泥+填料）為0.45。

2 結(jié)果及討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

填料種類和摻量對抗壓強(qiáng)度的影響見圖2。試驗(yàn)結(jié)果表明砂性混凝土存在最佳填充量?？箟簭?qiáng)度隨著填充量的增加而增大，當(dāng)?shù)V粉和粉煤灰的摻量分別為200 kg/m3和150 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨著摻量的不斷增加，強(qiáng)度逐漸減小。7 d 的最大抗壓強(qiáng)度分別為21.4 MPa 和17.0 MPa，對應(yīng)28 d 的抗壓強(qiáng)度分別為36.5 MPa和30.1 MPa。

圖2 填料的類型和摻量對砂性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of type and dosage of fillers on the compressive strength of sand concrete

砂性混凝土的最佳強(qiáng)度與最優(yōu)的顆粒骨架密切相關(guān)，較高的密實(shí)度對應(yīng)著較高的強(qiáng)度。由于細(xì)顆粒數(shù)量的增加砂性混凝土變得更加密實(shí)。在達(dá)到最大密實(shí)程度之前，填料的細(xì)顆粒占據(jù)了砂粒與砂粒內(nèi)部孔隙之間的空隙，從而增加了混合物的密實(shí)度。當(dāng)空隙被填滿后，細(xì)小的顆粒就會(huì)取代砂粒，在相同的體積和密度下，砂的比例就會(huì)降低。Al-Saffar[3]表明填充物減少了空隙，增加了混凝土的密度、穩(wěn)定性和韌性，認(rèn)為在混凝土中添加細(xì)粒GGBS 或FA 作為填料可以糾正或優(yōu)化粒徑分布，以提高密實(shí)度，從而提高強(qiáng)度。

除了孔隙填充效應(yīng)外，GGBS 或FA 的火山灰性質(zhì)也有助于試件抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。研究表明，在混凝土中添加GGBS 或FA 可以提高混凝土的密實(shí)性、稠度和長時(shí)間的穩(wěn)定性。這種影響可以提高抗壓強(qiáng)度，減少干縮，從而提高耐久性。此外，添加GGBS 填料的砂性混凝土在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度均高于FA。主要原因是與FA 相比，GGBS 具有更高的比表面積和更細(xì)的顆粒。此外，與FA 相比，GGBS 的火山灰作用更活躍，其對強(qiáng)度的改善作用也更明顯。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

填料類型和摻量對試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響見圖3。

圖3 填料類型和摻量對試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of type and dosage of fillers on the splitting tensile strength of sand concrete

從圖3 中可知，隨著填料摻量的增加，砂性混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增大，直至達(dá)到最大值，然后逐漸減小。GGBS 和FA 的最佳摻量分別為200 kg/m3和150 kg/m3，在最佳摻量下，摻GGBS 填料的砂性混凝土7 d、28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度分別為2.05 MPa 和3.01 MPa，摻FA 的分別為1.52 MPa 和2.10 MPa。

劈裂抗拉強(qiáng)度的變化趨勢與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢相似。砂性混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度也取決于填料的密實(shí)度、類型和摻量。填料如GGBS 或FA通過填充于超細(xì)砂粒之間的空隙，有效增加密實(shí)度，從而提高試件強(qiáng)度。摻GGBS 的砂性混凝土比摻FA 的具有更高的劈裂抗拉強(qiáng)度，這是由于GGBS 的顆粒更細(xì)，摻入GGBS 后，砂性混凝土的粒徑分布較好。此外，更大的顆?？偙砻娣e也有利于火山灰反應(yīng)的進(jìn)行。更細(xì)的顆粒和更高的火山灰活性，使得摻入GGBS 后可以快速地發(fā)生火山灰反應(yīng)，水化產(chǎn)物的填充降低了總孔隙率，增加了密實(shí)度，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。

2.3 抗沖磨性能

不同填料及不同摻量的砂性混凝土的質(zhì)量損失和抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 填料類型和摻量對砂性混凝土抗沖磨性能的影響Fig.4 Influence of filler type and content on abrasion resistance of sand concrete

從圖4 中可以看出，砂性混凝土的質(zhì)量損失在達(dá)到最優(yōu)值后開始增加，而抗沖磨強(qiáng)度在達(dá)到最大值后開始下降。同樣，GGBS 和FA 填料的最佳摻量分別為200 kg/m3和150 kg/m3，最佳GGBS摻量下，試件的質(zhì)量損失率和抗沖磨強(qiáng)度分別為6.50%和24.10 h/（kg/m2），最佳FA 摻量的試件質(zhì)量損失和抗沖磨強(qiáng)度分別為8.10%和19.50 h/（kg/m2）。GGBS 更細(xì)的顆粒和更高的比表面積，提高了試件的強(qiáng)度和抗沖磨性能。已有研究報(bào)道，抗沖磨性能與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。Rao 等[7]認(rèn)為，通過改變混凝土的孔隙率和孔隙大小，并加入一些輔助膠凝材料，如FA、硅灰和GGBS，可以提高混凝土的抗沖磨性能。此外，Sofia[8]發(fā)現(xiàn)活性填料水化后可以有效改善骨料界面，從而提高抗壓強(qiáng)度。隨著水化硅酸鈣C-S-H 凝膠數(shù)量的增加，砂性混凝土的孔隙率降低，試件強(qiáng)度增加。因此，通過在砂性混凝土中適量添加GGBS 和FA 細(xì)顆粒，有效填充了原本存在的空隙，進(jìn)一步優(yōu)化了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不僅減小了孔隙尺寸，使混凝土更加緊密，還顯著提高了砂性混凝土的抗壓強(qiáng)度。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅增加了混凝土的整體密實(shí)性，還改善了其力學(xué)性能，使其具備更高的耐久性和抗沖磨性能。因此，摻入GGBS 和FA 細(xì)顆粒對于砂性混凝土的性能提升具有重要意義。

2.4 經(jīng)濟(jì)分析

當(dāng)廢棄超細(xì)砂作為主要原料時(shí)，與普通C30混凝土相比，單方造價(jià)如表4 所示。在計(jì)算中，考慮了廢棄超細(xì)砂的運(yùn)輸費(fèi)用，按40 元/t 計(jì)算。這種利用廢棄超細(xì)砂的混凝土方案不僅在成本上更具競爭力，還有助于減少環(huán)境負(fù)荷和資源浪費(fèi)。廢棄超細(xì)砂的運(yùn)輸費(fèi)用的計(jì)算是為了全面評估使用廢棄材料所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。通過合理利用廢棄超細(xì)砂，可以實(shí)現(xiàn)資源的有效回收利用，并在工程項(xiàng)目中降低成本。

表4 普通C30 混凝土和廢棄砂砂性混凝土單方材料費(fèi)對比Table 4 Comparison of the cost per cubic volume of ordinary C30 concrete and sand concrete made with waste sand

從表4 可知，與基準(zhǔn)C30 混凝土相比，單方超細(xì)砂砂性混凝土生產(chǎn)成本降低31.1%，成本節(jié)約將為生產(chǎn)商帶來顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。超細(xì)砂砂性混凝土還能夠廣泛利用礦粉、粉煤灰等工業(yè)廢渣，進(jìn)一步提升了其環(huán)境可持續(xù)性。通過有效回收和再利用這些工業(yè)廢渣，不僅減少了廢棄物的排放，還將資源利用效率提高到了一個(gè)全新的水平，將廢棄超細(xì)砂轉(zhuǎn)化為一種有價(jià)值的建筑材料。這一創(chuàng)新解決方案不僅帶來了成本節(jié)約，還提升了可持續(xù)發(fā)展的實(shí)踐高度，為推動(dòng)綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

3 結(jié)語

1）結(jié)果表明，在固定水泥摻量下，隨著填料的增加，砂性混凝土的強(qiáng)度先增大到最大值，然后減小。GGBS 和FA 的摻量分別為200 kg/m3和150 kg/m3時(shí)，超細(xì)砂混凝土具有最優(yōu)強(qiáng)度，28 d時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度分別為36.5 MPa 和30.1 MPa，抗劈裂強(qiáng)度分別為3.01 MPa 和2.10 MPa。

2）用超細(xì)廢砂制備的砂性混凝土具有良好的抗沖磨性，最佳抗沖磨強(qiáng)度分別為24.10 h/（kg/m2）和19.50 h/（kg/m2），具有良好的抗沖磨性能。對GGBS 和FA 作為砂性混凝土填料的對比研究表明，前者摻入制備的砂性混凝土在不同齡期力學(xué)和耐久性能均優(yōu)于后者。主要是由于GGBS 有更細(xì)的顆粒、更好的顆粒分布和更高的火山灰活性。

3）通過使用廢棄超細(xì)砂制備的單方超細(xì)砂砂性混凝土，與普通C30 混凝土相比，降低生產(chǎn)成本達(dá)到了31.1%的幅度。新型砂性混凝土主要以航道整治工程廢棄超細(xì)砂為原料制備，具有廣泛的應(yīng)用前景，可以替代普通混凝土用于制作壓載塊等水工材料，還能在航道整治工程中就地應(yīng)用。后續(xù)有待進(jìn)一步開展新型砂性混凝土配合比試驗(yàn)和理論方法研究，為其推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)。