鐘智輝，江朝華，謝鳳一，王鋅鑫，諸裕良

（1.河海大學疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇南京210098；2.長江航道工程局有限責任公司，湖北武漢430010）

0 引言

隨著中國對生態(tài)環(huán)境保護的重視，傳統(tǒng)的開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)境影響問題而逐漸受到越來越多的限制，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用于航道整治工程，可以有效緩解砂石材料短缺問題，變廢為寶。

當前疏浚砂的處置方法主要有：1）直接進行拋灑和傾倒[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）對疏浚砂進行預處理后，直接部分取代常用的河沙細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。本文試驗以長江下游含泥量25.8%、細度模數(shù)0.1的A砂樣與含泥量6.5%、細度模數(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，進行了疏浚砂水泥基材料試件強度和耐久性檢測，以替代普通C30混凝土制備護面磚等就近應用于航道整治工程，實現(xiàn)長江下游疏浚砂的建材化、資源化利用。

1 試驗原材料及方法

1.1 原材料

試驗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)行國家標準GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》；礦粉為南京梅寶公司生產(chǎn)的S95級礦粉，比表面積為385 m2/kg；粉煤灰為Ⅱ級，需水量比95%；減水劑為南京水利科學研究院生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為25%；試驗所用的疏浚砂來自長江下游疏浚航道整治工程，疏浚砂的顆粒分布見圖1。

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

顆粒分析試驗是測定干砂樣中各種粒徑組成所占該砂樣總質(zhì)量百分數(shù)的方法，以此了解顆粒大小分布情況。疏浚砂細度模數(shù)分析試驗依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》所述試驗方法，采用篩分法進行。測得A砂樣的細度模數(shù)為0.1，B砂樣的細度模數(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、中砂和細砂，其中細砂細度模數(shù)大于1.6，細度模數(shù)0.7～1.5之間為特細砂。A、B 2種疏浚砂砂樣比特細砂的細度模數(shù)更小，為超細砂。

1.2 試驗方法

將攪拌均勻的混合物裝入邊長為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，將試模放至振動臺振搗30 s，然后在振動過程中加入混合料，將試模裝滿，最終使混合料高出試?？冢駝? min至混合物均勻，振動持續(xù)到表面出漿為止，振動時用抹刀將試件頂面抹平，不得過振，以防止水泥基材料離析，從振動臺取下試模并加蓋保鮮膜放置1 d后脫模，試件采取標準養(yǎng)護，到一定齡期后取出。

抗壓強度和劈裂抗拉強度測試依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》在SHT4305型微機控制電液伺服萬能試驗機進行。疏浚砂水泥基材料流動度依據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》在水泥膠砂流動度測定儀上進行測定；凝結時間、泌水率、密度根據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行測定；抗水侵蝕性根據(jù)GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》進行檢測；抗沖磨性能依據(jù)DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》水下鋼球法進行檢測。

將水泥基材料編號為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，試驗配合比見表1。

表1 試驗配合比Table 1 Test mix proportion

2 試驗結果和分析

2.1 水泥基材料各齡期強度

制備上述的A1、A2、B1、B24組水泥基材料，檢測其3 d、28 d、90 d的抗壓強度和劈裂抗拉強度，結果如圖2所示。

圖2 疏浚砂水泥基材料各齡期強度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度更高。A1水泥基材料的28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度較A2水泥基材料分別高出15.1%和12.6%；B1水泥基材料的28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度較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，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之后微集料填充效應最明顯時，水泥石中的孔隙結構得到了很好的改善，增強了水泥基材料的各齡期尤其是早期強度。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度，但28 d后摻加粉煤灰和礦粉的試件強度變化不大。

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度更高。摻礦粉的細度模數(shù)為0.3的B1水泥基材料的28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度較細度模數(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抗壓強度和劈裂抗拉強度較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度，含泥量增加，強度降低。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砂樣強度有明顯的增加。另外，A砂樣與B砂樣雖然都屬于超細砂，但B砂樣的細度模數(shù)大于A砂樣，用B砂樣制備的水泥基材料，級配更好，強度更高。

2.2 疏浚砂水泥基材料流動度、凝結時間、密度和泌水性

檢測A1、A2、B1、B24組水泥基材料的流動度、凝結時間、密度和泌水性，結果如表2所示。

表2 疏浚砂水泥基材料的流動度、凝結時間、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性更好，摻粉煤灰的A2水泥基材料的流動度較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)部摩擦相對更高，所以加入礦粉后混凝土拌合物和易性相對較差。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配，且顆粒之間的內(nèi)部摩擦相對較低，因此其拌合物和易性更好，流動度更高。

采用相同摻和物，B砂樣比A砂樣的初凝和終凝時間更短，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，與A砂樣相比，含泥量少的B砂樣泌水性降低，說明其保水性和工作性更好，含泥量增加對泌水率有不利影響。

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組水泥基材料測定抗水侵蝕性和抗沖磨性能，測定結果如表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砂樣試件標準養(yǎng)護28 d后的抗沖磨強度和質(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砂樣的浸水強度和抗沖磨強度高于A砂樣，說明含泥量對水泥基材料的抗水侵蝕性能和抗沖磨性能有不良影響。

3 結語

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度相對更高。礦粉替代量30%時，以細度模數(shù)為0.1、含泥量25.8%的A砂樣制備的水泥基材料28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度可達31.2 MPa、3.94 MPa，以細度模數(shù)為0.3、含泥量6.5%的B砂樣制備水泥基材料的28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度可達38.3 MPa、4.3 MP。

2）檢測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浸水強度分別為24.2 MPa和34.1 MPa，軟化系數(shù)達0.94以上。A砂樣試件標準養(yǎng)護28 d后的抗沖磨強度和質(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，細度模數(shù)較大的B砂樣制備水泥基材料物理力學性能優(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和耐久性能，可以利用以上含泥量高、細度模數(shù)極小的長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面磚等就近應用于航道整治工程。