基于水庫淤積物的高強(qiáng)膠結(jié)材料試驗(yàn)研究

摘要：為了研究水庫淤積物用于制備高強(qiáng)度膠結(jié)材料的材料配比和性能，利用紫坪鋪水庫淤積物取樣的顆粒料，采用材料試驗(yàn)、對(duì)比研究和SEM微結(jié)構(gòu)分析等方法，研究了顆粒料含泥量、級(jí)配、水膠比、膠凝材料用量等因素對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度的影響和膠結(jié)機(jī)理。結(jié)果表明：水庫淤積物可制備成抗壓強(qiáng)度超過100 MPa、抗折強(qiáng)度大于20 MPa的高強(qiáng)膠結(jié)材料。研究結(jié)果可為水庫河湖淤積物資源化利用提供參考。

關(guān)鍵詞：水庫淤積物； 細(xì)顆粒； 高強(qiáng)膠結(jié)材料制備； 紫坪鋪水庫

中圖法分類號(hào)：TV41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.017

文章編號(hào)：1006-0081（2024）12-0095-08

0 引 言

水庫大壩是重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著舉足輕重的角色。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已建水庫平均淤積比例約為20%，年均庫容淤積率約為0.76%，年均損失庫容約為42.3億m3，嚴(yán)重影響了水庫防洪、供水等功能的發(fā)揮。水庫中的淤積物通常由黏土、粉沙、砂、有機(jī)物和各種礦物質(zhì)等組成，大量淤積物通過物理、化學(xué)及生物作用沉積在水庫、河道底部，有必要對(duì)淤積物進(jìn)行資源化利用。目前常見的處理方法有篩分建材法、污泥填埋法、污泥堆肥法、厭氧制沼法、污泥摻燒法、化學(xué)固化法等方法［1-3］，其中建材法主要途徑有用作回填土［4］、燒制成磚、制備陶粒［5］等，尚未見到用于制備高強(qiáng)建筑材料。

紫坪鋪水庫是都江堰灌區(qū)和成都市最重要的調(diào)節(jié)水源，成都市最重要的支撐電源，截至2020年10月，紫坪鋪水庫淤積總量為1.952億m3，攔沙庫容淤損87.1%，其中干流淤積量為1.843億m3、支流淤積量為0.109億m3，對(duì)水庫的功能產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響［6］。目前，關(guān)于淤積顆粒料通過膠結(jié)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源化利用方面研究較少。對(duì)此，本文針對(duì)淤積物中的顆粒料，采用不同膠凝材料體系，研究了不同因素對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度的影響，將淤積顆粒料膠結(jié)制備成高強(qiáng)建筑材料。

1 原材料與配合比

1.1 原材料

試驗(yàn)采用基準(zhǔn)水泥，水泥型號(hào)為P·I 42.5，其比表面積為342 m2/kg，密度為3.16 g/cm3，化學(xué)組成和礦物組成分別見表1和表2；摻合料采用SiO2含量為90.4%的硅粉、Ⅰ級(jí)粉煤灰、比表面積1 000～1 300 m2/kg的球形超細(xì)粉；減水劑采用聚羧酸系減水劑，含固率50%，減水率38%，推薦摻量為膠凝材料的1%～4%；選用圓柱形、表面鍍銅的短細(xì)鋼纖維，長度為13 mm，平均直徑0.22 mm，抗拉強(qiáng)度為2 800 MPa；水采用北京自來水。

選取了紫坪鋪水庫庫區(qū)兩個(gè)不同位置進(jìn)行取樣，顆粒料的含水率和含泥量見表3，結(jié)果顯示顆粒料的含水率較高，除位置b深度0～0.5 m的樣品，其余含泥量均超過相關(guān)規(guī)范要求，本文將利用高含泥量材料制備高強(qiáng)膠結(jié)材料。圖1給出了顆粒級(jí)配測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明：不同取樣位置顆粒料級(jí)配的變化主要集中在粒徑尺寸不大于2.5 mm，且主要顆粒在0.15～0.63 mm之間。

1.2 配合比

為了研究不同因素的影響，采用水泥+硅粉體系，探究顆粒料含泥量、級(jí)配、水膠比、膠凝材料用量等的影響，具體配合比見表4。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究不同膠凝材料體系對(duì)膠結(jié)材料的影響，選取水膠比［水/（水泥+粉煤灰+硅粉+超細(xì)粉）］固定為0.20，膠凝材料用量為1 137 kg/m3，配合比見表5。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件制備

水泥+硅粉體系所用試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，試塊成型后在常溫下放置1 d拆模，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d。不同膠凝材料體系材料性能研究所用試件尺寸為100 mm×100mm×100 mm的立方體試塊，試塊成型后在標(biāo)準(zhǔn)室中養(yǎng)護(hù)36 h后拆模，放入高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)箱以15 ℃/h升溫至75 ℃后恒溫養(yǎng)護(hù)68 h，高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)結(jié)束待試塊降至室溫后，移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d。

2.2 試驗(yàn)方法

按照 GB/T 50081-2019 《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)40 mm×40 mm×160 mm試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)100 mm×100 mm×100 mm試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試得到的試驗(yàn)結(jié)果未進(jìn)行尺寸效應(yīng)的換算。采用掃描電鏡開展SEM試驗(yàn)觀測(cè)試樣微觀形貌變化，樣品為5 mm左右的薄片狀顆粒，取自28 d抗壓強(qiáng)度破型后試件，取樣后放入無水乙醇中終止水化。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水膠比對(duì)強(qiáng)度的影響

圖2和圖3給出了膠凝材料用量固定為866 kg/m3時(shí)水膠比對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度的影響。排除不同位置淤積顆粒料的粒徑和級(jí)配、含泥量的差別等對(duì)強(qiáng)度的影響，由圖2可知，對(duì)于未摻加鋼纖維的配合比，隨著水膠比的增大，抗折強(qiáng)度變化有增有減，其變化幅度在-20.9%～16.1%之間，而摻入鋼纖維后，水膠比由0.20提高到0.22后，抗折強(qiáng)度均有所降低，但降低幅度最大在7.9%。由圖3可知，對(duì)于未摻鋼纖維的抗壓強(qiáng)度沒有明顯的變化規(guī)律，其變化幅度在-9.1%～9.8%之間，而摻入鋼纖維后，抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大均呈現(xiàn)了不同程度的降低，其降低幅度最大為12.6%，即12.7 MPa。綜上，水膠比0.20試件的強(qiáng)度略高于0.22試件，但影響程度小于對(duì)超高性能混凝土的影響。

3.2 膠凝材料用量對(duì)強(qiáng)度的影響

圖4和圖5給出了水膠比為0.20時(shí)膠凝材料用量對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度的影響，其中低膠材指膠凝材料用量為866 kg/m3，高膠材指膠凝材料用量為1 137 kg/m3。結(jié)果表明：無論是摻或不摻鋼纖維，膠凝材料用量的增加并沒有顯著提升膠結(jié)材料的強(qiáng)度，甚至出現(xiàn)了降低，其抗折強(qiáng)度大部分略微降低，變化幅度為-4.5%～2.0%，抗壓強(qiáng)度有所提升，變化幅度為-9.2%～21.0%。這可能是因?yàn)樵跇O低的水膠比下，膠凝材料也無法完全水化，繼續(xù)增加膠凝材料的用量，只是會(huì)在一定程度上改善其工作性能，起到一定的密實(shí)填充作用，并沒有使強(qiáng)度得到有效的提升。

3.3 含泥量對(duì)強(qiáng)度的影響

不同取樣位置膠結(jié)材料強(qiáng)度的差異主要受到含泥量和顆粒級(jí)配的影響，因此從含泥量和顆粒級(jí)配（分形維數(shù)）角度分析其對(duì)強(qiáng)度的影響。圖6給出了含泥量對(duì)膠結(jié)材料抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：隨著含泥量的增大，抗折強(qiáng)度變化規(guī)律并不明顯，但抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)槟喾蹧]有膠結(jié)能力，只有填充作用，對(duì)強(qiáng)度是不利的。但強(qiáng)度并沒有完全隨著含泥量的增加而降低，因?yàn)檫@些配合比顆粒料的級(jí)配也不同。

3.4 顆粒級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的影響

為了研究顆粒料級(jí)配對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度的影響，采用粒度分形維數(shù)概念來具體分析。研究認(rèn)為當(dāng)骨料級(jí)配為連續(xù)級(jí)配時(shí)，其累計(jì)篩余百分比與粒徑滿足式（1）的關(guān)系。通過擬合分析，可計(jì)算得到顆粒料的粒度分形維數(shù)D，進(jìn)而分析顆粒料級(jí)配對(duì)膠結(jié)材料性能的影響。

lnP=a+blnr（1）

式中：r為粒徑，mm；P為粒徑r對(duì)應(yīng)的累計(jì)篩余百分比，%；a，b為常數(shù)，其中b=（3-D）。

擬合結(jié)果表明：相關(guān)性系數(shù)最小值為0.87，符合式（1）的關(guān)系。圖7給出了分形維數(shù)對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度的影響，由圖可知抗折強(qiáng)度隨著分形維數(shù)的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度隨著分形維數(shù)的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3.5 鋼纖維對(duì)強(qiáng)度的影響

摻入的鋼纖維在混凝土中起到橋接作用，能夠有效阻擋微裂紋擴(kuò)展、提高膠結(jié)材料的強(qiáng)度。為了進(jìn)一步研究摻加鋼纖維對(duì)混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度提高的程度，采用強(qiáng)度提高幅度來進(jìn)行分析（圖8）?？拐蹚?qiáng)度最高幅度達(dá)到了142.4%，最低可以提高39.9%；抗壓強(qiáng)度最高可以提高57.7%，最低提高了15.2%，抗折強(qiáng)度較抗壓強(qiáng)度的提高程度更加顯著，其原因?yàn)槔w維均勻分布在混凝土的內(nèi)部，形成了較為良好的纖維網(wǎng)絡(luò)，與骨料結(jié)合為三維亂向支撐體系，在膠凝材料間形成良好的搭接結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)水泥和骨料的結(jié)合能力［7］。

3.6 不同膠凝材料體系對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

對(duì)表5制備得到的不同膠凝材料體系膠結(jié)材料試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖9，由圖可知，單摻硅粉20%配合比的抗壓強(qiáng)度最高，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了95.5 MPa，單摻粉煤灰的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于單摻硅粉的，其28 d抗壓強(qiáng)度僅為67.5 MPa；硅粉和粉煤灰復(fù)摻配合比的強(qiáng)度介于二者單摻之間，28 d 抗壓強(qiáng)度為79.8 MPa，主要因?yàn)榉勖夯业幕鹕交倚?yīng)弱于硅粉，硅粉和超細(xì)粉復(fù)摻配合比的強(qiáng)度略高于硅粉和粉煤灰復(fù)摻配合比強(qiáng)度，其28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了90.0 MPa。

水泥+硅粉+粉煤灰+超細(xì)粉體系的3組中，F(xiàn)GC-1的強(qiáng)度最高，其礦物摻合料的組成為硅粉10%+粉煤灰5%+超細(xì)粉5%，28 d抗壓強(qiáng)度為79.3 MPa，接近粉煤灰和硅粉復(fù)摻配合比（FG-1，79.8 MPa），說明超細(xì)粉在本配合比中并未發(fā)揮較強(qiáng)的火山灰效應(yīng)，主要因?yàn)樵摮?xì)粉的主要成分是磨細(xì)的粉煤灰微珠；FGC-2和FGC-3的抗壓強(qiáng)度接近，其組成中硅粉摻量均為5%，剩余15%由超細(xì)粉和粉煤灰組成，與FGC-1的分析結(jié)果一致，此超細(xì)粉主要是填充效應(yīng)，未發(fā)揮明顯的火山灰效應(yīng)；但從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在水泥+硅粉+粉煤灰+超細(xì)粉體系中，3種摻合料的作用大小分別為硅粉＞超細(xì)粉＞粉煤灰，若想進(jìn)一步提高強(qiáng)度，可增加改性硅質(zhì)摻合料，即與硅粉的主要成分相似的具有高火山灰活性的摻合料。

3.7 微觀形貌

水泥+硅粉體系試樣微觀形貌如圖10所示，超細(xì)顆粒料經(jīng)膠結(jié)化技術(shù)處理后能夠形成一些致密的基體結(jié)構(gòu)（圖10（a）），保證了膠結(jié)后試件具有足夠的強(qiáng)度。同時(shí)，對(duì)于摻纖維的試件，鋼纖維與混凝土基體之間沒有明顯的界面過渡區(qū)，纖維周圍的產(chǎn)物沒有明顯的變化（圖10（b））。在纖維拔出的過程中，纖維的表面有清晰的劃痕（圖10（c）），說明纖維與基體之間在受力的過程中發(fā)生滑動(dòng)，纖維與混凝土之間的連接緊密，能夠形成可靠的傳力機(jī)制，其纖維與基體之間的橋聯(lián)作用可以阻止水泥基體中裂縫的擴(kuò)展［8］，從而使得摻加纖維后混凝土的強(qiáng)度大幅度提高。在部分試樣中觀察到水化產(chǎn)物中有一定量的鈣礬石生成，鈣礬石之間呈網(wǎng)狀分布（圖10（d）），與Maso［9］提出的早期水化產(chǎn)物呈網(wǎng)狀松散分布一致，并且隨著水膠比增大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鈣礬石含量會(huì)相對(duì)增多。由圖10（e）可知，硅粉對(duì)界面過渡區(qū)有改善和增強(qiáng)的效果［10］，骨料和水泥石的界面區(qū)是混凝土最薄弱的環(huán)節(jié)，也是所有影響混凝土強(qiáng)度的因素中起決定性作用的因素［11］，摻加硅粉后在此區(qū)域內(nèi)沒有觀察到氫氧化鈣，沒有明顯的開裂現(xiàn)象，說明硅粉非常明顯地參與了火山灰反應(yīng)。由于顆粒料中骨料成分可能強(qiáng)度比較低，在抗壓試驗(yàn)結(jié)束后其內(nèi)部骨料存在被壓碎的情況（圖10（f）），被壓碎的骨料解理明顯。較差的材性導(dǎo)致膠結(jié)材料抗壓強(qiáng)度下降，且骨料自身的差異性使試件對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果存在一定的離散性。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)水庫淤積顆粒料膠結(jié)化技術(shù)，研究了水膠比、膠凝材料用量、顆粒料含泥量與級(jí)配、鋼纖維以及不同膠凝材料體系對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度的影響，并結(jié)合SEM試驗(yàn)，分析了膠結(jié)機(jī)理，具體結(jié)論如下。

（1） 對(duì)于未摻加鋼纖維的配合比，隨水膠比由0.20提高到0.22，其強(qiáng)度有增有減，變化規(guī)律不明顯；而摻入鋼纖維后，其強(qiáng)度均有所降低，降低幅度最大為12.6%，水膠比對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度的影響程度小于對(duì)超高性能混凝土的影響。膠凝材料用量從866 kg/m3提高到1 137 kg/m3，對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度影響不大。

（2） 隨著含泥量的增加，抗折強(qiáng)度變化規(guī)律并不明顯，但抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；抗折強(qiáng)度隨著分形維數(shù)的增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度隨著分形維數(shù)的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。含泥量和顆粒級(jí)配均會(huì)對(duì)膠結(jié)材料強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響。

（3） 鋼纖維的摻入顯著提升了膠結(jié)材料的強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度提高幅度為39.9%～142.4%，抗壓強(qiáng)度提高了15.2%～57.7%，鋼纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的提升效果更明顯，可顯著提高膠結(jié)材料的抗裂性。

（4） 不同膠凝材料體系對(duì)膠結(jié)材料的影響較大，單摻硅粉20%配合比的抗壓強(qiáng)度最高，單摻粉煤灰的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于單摻硅粉的強(qiáng)度，硅粉和粉煤灰復(fù)摻配合比的強(qiáng)度介于二者單摻之間，硅粉和超細(xì)粉復(fù)摻配合比的強(qiáng)度略高于硅粉和粉煤灰復(fù)摻配合比強(qiáng)度，但仍低于單摻硅粉的強(qiáng)度；對(duì)于水泥+硅粉+粉煤灰+超細(xì)粉體系，3種摻合料的作用大小分別為硅粉＞超細(xì)粉＞粉煤灰，若想進(jìn)一步提高強(qiáng)度，可增加改性硅質(zhì)摻合料，即與硅粉的主要成分相似的具有高火山灰活性的摻合料。

（5） 經(jīng)膠結(jié)后的顆粒料基體結(jié)構(gòu)致密，可觀察到少量鈣礬石生成，纖維與基體之間不存在明顯的過渡區(qū)，硅粉可以改善界面過渡區(qū)，未發(fā)現(xiàn)氫氧化鈣生成。所制備的試件抗壓強(qiáng)度可達(dá)到100 MPa以上，適用于制備裝配式建筑材料，形成規(guī)?；a(chǎn)產(chǎn)品，研究成果可為水庫淤積物的資源化利用提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 李洋，任靈，于文龍，等.宿鴨湖水庫淤積物資源化利用研究［J］.河南水利與南水北調(diào)，2019，48（7）：72-73.

［2］ 楊會(huì)臣，王培.湖庫疏浚技術(shù)及淤積物資源化利用技術(shù)進(jìn)展［J］.中國水能及電氣化，2021（8）：39-42.

［3］ 何俊，呂曉龍，王文鵬.堿渣-礦渣固化疏浚淤泥含水率控制方法研究［J］.人民長江，2023，54（7）：196-202.

［4］ 劉沅，朱偉.底泥處理技術(shù)及其在深圳的應(yīng)用［J］.廣東水利水電，2012（2）：6-9.

［5］ 劉貴云.河道底泥資源化—新型陶粒濾料的研制及其應(yīng)用研究［D］.上海：東華大學(xué)，2002.

［6］ 李洪，由麗華，王丹柏，等.紫坪鋪水庫淤積綜合分析及處理對(duì)策［J］.中國水利，2021（4）：45-47，51.

［7］ 寧博.混雜纖維混凝土試驗(yàn)研究及其在地鐵盾構(gòu)管片中的應(yīng)用［D］.廣州：暨南大學(xué)，2012.

［8］ 楊光耀.超高性能混凝土中纖維的界面效應(yīng)及其與水泥基材的匹配性研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2020.

［9］ MASO J C.The bond between aggregates and hydrated cement pastes［J］.The 7th International congress on the chemistry of cement Paris，F(xiàn)rance，1980，3：Ⅶ-1/3 a Ⅶ-1/15.

［10］ 鄭書成.早齡期混凝土水滲透實(shí)驗(yàn)研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

［11］ 董作超.煤矸石集料混凝土的力學(xué)性能與抗碳化試驗(yàn)研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2016.

Experimental study on high-strength cemented material with reservoir sediment

Abstract：

In order to study the mix ration and properties of cemented material made by reservoir sediment，by using fine particle materials sampled from the sediment of Zipingpu Reservoir，this paper carried out experimental study，comparative analysis，and SEM micro-structure analysis to study the influence of factors such as silt content，gradation，water-binder ratio and content of cementing materials，on the strength of cemented materials，as well as its cementing mechanism.The results indicated that high-strength cemented materials with compressive strength over 100 MPa and flexural strength over 20 MPa can be made by fine sediment.The research results can provide a reference for the resource utilization of reservoir sediment.

Key words：

reservoir sediment； fine particles； high-strength cemented material preparation； Zipingpu Reservoir