吳峰 高濤 王鋅鑫 柴星宇

摘 要：以航道整治疏浚土為原料，采用半干法壓制成型的方法制備水泥基材料。當(dāng)疏浚土：水泥：礦粉：石膏：石灰=65：18：12：2：3時(shí)，成型壓力20MPa、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及水固比15.0%條件下，通過壓制成型的疏浚土水泥基材料28天抗壓、劈裂抗拉和浸水強(qiáng)度分別為25.1MPa、2.5MPa和23.3MPa，可以達(dá)到C20混凝土標(biāo)準(zhǔn)?；谒?、礦粉等無機(jī)結(jié)合料，以疏浚土為主要原料制備的水泥基材料抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度高，水穩(wěn)定性好，可替代普通混凝土制備壓載塊等水工材料就地應(yīng)用于港航工程，滿足水工應(yīng)用需要。

關(guān)鍵詞：疏浚土塊體;成型條件;養(yǎng)護(hù)制度

1前言

近年來我國水運(yùn)事業(yè)發(fā)展迅猛，為了更好地滿足船舶的通行，需要提升航道等級。疏浚作為提升航道等級的主要手段，會(huì)產(chǎn)生大量的疏浚砂土，傳統(tǒng)的處理方式即拋棄到指定水域，不僅對環(huán)境會(huì)造成破壞而且施工不當(dāng)還會(huì)延誤工期使工程成本增加。隨著“綠色水運(yùn)、生態(tài)航道”理念的推廣，將水運(yùn)工程中的大量廢棄疏浚土進(jìn)行資源化處理引起了科技工作者的廣泛關(guān)注[1-2]。

研究表明將淤泥和砂性棄土進(jìn)行混合，摻入淤泥和砂性棄土研究其力學(xué)特性，經(jīng)固結(jié)處理之后，土體的膨脹系數(shù)較小而阻力增長系數(shù)較大[3]。以黃河淤泥為原料，在添加粉煤灰等材料的基礎(chǔ)上制備承重多孔磚，發(fā)現(xiàn)淤泥制備的多孔磚與黏土制備的多孔磚具有類似的性能[4]。Basha[5]等人分析了水泥和稻殼灰對廢棄土固結(jié)程度和力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明向廢棄土中加入水泥和稻殼灰會(huì)降低廢棄土的塑性，并且水泥和稻殼灰含量增加，廢棄土的抗壓強(qiáng)度也會(huì)增加，最終提出了最佳的水泥和稻殼灰配比來對廢棄土進(jìn)行固結(jié)處理。

本文針對黃河流域疏浚土特性，通過添加適量水泥、石灰、石膏等廉價(jià)原料，探尋采用半干法壓制成型方法將疏浚土制備成壓載塊、護(hù)面磚等水工材料的成型條件和養(yǎng)護(hù)方法。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

疏浚土的顆粒形貌見圖1，顆粒的級配見圖2，從圖中可知，土顆粒較小，成絮狀聚集成整體，顆粒之間有黏連，邊緣毛糙不光滑。

按配比稱取一定量干土、水泥、石膏、石灰、礦粉，加水拌和均勻。試件尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體。成型方法為在20MPa下400N/s的加壓速率壓制成型。養(yǎng)護(hù)方法為在壓制成型后的試件定期灑水養(yǎng)護(hù)。檢測其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度，依照DL/T 5150—2006（《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》），其中浸水強(qiáng)度需試件到達(dá)檢測齡期后浸泡水中4天后檢測。

3結(jié)果與討論

3.1 壓制強(qiáng)度

試件通過壓制成型使其擁有部分的早期強(qiáng)度，也為后期強(qiáng)度的形成創(chuàng)造了有利條件，在壓力作用下顆粒之間更加緊實(shí)，材料顆粒之間的物理化學(xué)反應(yīng)可以持續(xù)地進(jìn)行。

試件成型的壓力選取為5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa和30MPa，在水固比為12%的條件下，疏浚土、水泥、石膏用量為70%、18%、2%時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，成型的壓力與28天抗壓、劈裂抗拉、浸水強(qiáng)度關(guān)系見圖3。

從上圖可知，固化材料28d的強(qiáng)度與成型壓力成正比。但并非成型壓力越大越好，成型壓力在20MPa以下時(shí)隨著成型壓力增加試件強(qiáng)度上升較快，成型壓力大于20MPa時(shí)隨著成型壓力增加，試件強(qiáng)度上升平緩。一般而言，試件強(qiáng)度隨成型壓力增加而增加，當(dāng)成型壓力過大時(shí)，能耗、成本和設(shè)備的要求增加，壓縮空氣的反作用力更大，反而使得試件不利成型。綜合考慮，試件成型壓力選用20MPa。

3.2 成型水分的影響

影響試件強(qiáng)度另一個(gè)十分重要的因素是壓制成型中的含水率，試件中的水起著多種作用，不僅作為潤滑劑為顆粒移動(dòng)潤滑，并且可以使物料混合更加均勻，此外還是各種外加劑的溶劑，十分關(guān)鍵的是壓制成型中試件的水本身能和原材料有關(guān)成分發(fā)生水化反應(yīng)。許多試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓制成型的含水率并非越大越好，而是有一個(gè)最佳含水率，當(dāng)含水率過大壓制過程中容易出現(xiàn)黏模，而含水率太低的時(shí)候，壓制成型的試件密實(shí)度很低使得其強(qiáng)度不高。除此之外，試件壓制成型過程中所使用的壓力也是影響試件性能的重要原因，壓制成型的壓力不同對應(yīng)著不同的最佳含水率。本文以20MPa的壓強(qiáng)探究在此壓強(qiáng)下的最佳含水率。

當(dāng)選定成型的壓力20MPa，疏浚土的用量固定為70%時(shí)，水泥、石膏摻量為18%、2%，在此條件下選取水固比分別為10%、11%、12%、13%和14%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，摻水量對疏浚土水泥基材料28天性能影響曲線圖見圖4。

從圖4知，成型水分從13%逐漸增加到15%時(shí)試件的強(qiáng)度持續(xù)增長，當(dāng)成型水分達(dá)15%，試件抗壓、浸水、劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大，當(dāng)成型水分大于15%時(shí)試件的強(qiáng)度持續(xù)衰減。這是因?yàn)檫m量的水能夠與物料中充分發(fā)生水化反應(yīng)使得試件強(qiáng)度提高。當(dāng)含水率低于15%時(shí)，試件中的水量不足以與原料發(fā)生完全的水化反應(yīng)，以至試件松散沒有粘結(jié)力，導(dǎo)致試件成型后出現(xiàn)分層、裂隙，強(qiáng)度不足。當(dāng)含水率高于15%時(shí)，試件中水量過多出現(xiàn)過多泌水現(xiàn)象，太多的水既阻礙了固化劑與材料的作用，也降低了試件的密實(shí)度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)選取最佳的成型水分為15.5%。

3.3 養(yǎng)護(hù)制度

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、室內(nèi)定期灑水養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)條件下，進(jìn)行了壓制成型疏浚土固化材料的力學(xué)性能試驗(yàn)并比較了四種養(yǎng)護(hù)方法對固化材料軟化性能的影響。固化材料的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度是溫度20±2℃，濕度≥95%;定期灑水制度為每24小時(shí)灑水一次，浸水養(yǎng)護(hù)制度為成型脫模后的試件標(biāo)養(yǎng)3天后浸水養(yǎng)護(hù)。

固定試驗(yàn)原料質(zhì)量配比為疏浚土：水泥：礦粉：石膏=70：18：10：2，成型壓力20MPa，成型水分15.5%條件下，考慮標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)、室內(nèi)定期灑水養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)條件下不同養(yǎng)護(hù)條件對固化材料28d劈裂抗拉、抗壓、浸水強(qiáng)度的影響。

疏浚土水泥材料常溫條件下強(qiáng)度主要來源于水泥熟料礦物的水化反應(yīng)，以及由外部提供的固化材料中水泥熟料礦物自身水化所需要的水分。由圖5可知，自然養(yǎng)護(hù)試件28天抗壓強(qiáng)度、抗劈裂強(qiáng)度及抗水性能較差，這是由于自然養(yǎng)護(hù)無法提供固化材料中水泥熟料礦物自身水化所需要的水分所致。室內(nèi)定期灑水養(yǎng)護(hù)試件性能相比自然養(yǎng)護(hù)有所提高，其28d浸水強(qiáng)度為20.76MPa，為試件抗壓強(qiáng)度（即軟化系數(shù)）的91.1%。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的性能最佳，其28d浸水強(qiáng)度為22.25MPa，為試件28天抗壓強(qiáng)度94.8%，明顯提高了試件的抗水性能。標(biāo)養(yǎng)3天后浸水養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度較之標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件性能有所下降，但不明顯?？梢?，溫、濕度對試件影響很大，適宜的養(yǎng)護(hù)方式對強(qiáng)度發(fā)展有著有益的促進(jìn)作用。

4結(jié)論

（1）當(dāng)疏浚土：水泥：礦粉：石膏=70：18：10：2，成型壓力20MPa，成型水分15.5%條件下，通過壓制成型的疏浚土水泥材料28天抗壓、劈裂抗拉和浸水強(qiáng)度分別為23.5MPa、2.3MPa和20.7MPa，可以替代C20普通混凝土應(yīng)用。

（2）基于水泥、石膏和礦粉等無機(jī)結(jié)合料，以航道工程整治疏浚土為主要原料，通過半干法壓制成型制備疏浚土水泥基材料。制備的固化材料抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度高，水穩(wěn)定性好，可替代普通混凝土制備壓載塊等水工材料就地應(yīng)用于港航工程，滿足水工應(yīng)用需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱偉，張春雷，劉漢龍，等.疏浚泥處理再生資源技術(shù)的現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，25（4）：39-41.

[2]王磊明，肖慧榮，程小軍，等.硅酸鹽制品半干壓成型制度的研究[J].江西建材，2000（3）：17-23.

[3]Mun K J， Hyoung W K， Lee C W. Basic Properties of Non-sintering Cement Using phosphogypsum and Waste Lime as Activator[J]. Construction and Building Materials，2007，21：1342-1350.

[4]林宗壽，黃赟.堿度對磷石膏基免煅燒水泥性能的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（4）：132-135.

[5]Basha E A; Hashim R;Mahmud H B;Muntohar A S.Stabilization of residual soil with rice husk ash and cement[J]. Construct Build Mater，2005，19（6）：448-453.