(1.河海大學(xué) 疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，南京 210098； 2.長江保護與綠色發(fā)展研究院, 南京 210098；3.南京市長江河道管理處，南京 210011； 4.南京市江寧區(qū)趙村水庫管理所，南京 211199)

1 研究背景

為確保黃金水道通航效率，整個長江干線平均每年需要疏浚的淺灘有50多處，每年的疏浚量約8 000萬m3。隨著長江下游南京河段以下12.5 m深水航道全線貫通，長江下游航道的維護要求進一步提高，每年長江下游航道維護的疏浚量巨大，2021年長江江蘇段計劃維護性疏浚1 703萬m3。傳統(tǒng)處置方法通常是將航道疏浚砂土裝運拋入指定的長江深槽水域，或直接拋入疏浚地點附近的深槽，未能有效利用并造成大量的資源浪費，導(dǎo)致水資源的二次污染。此外，疏浚砂的處置涉及尾水排除、轉(zhuǎn)運方式、棄址選取、生態(tài)環(huán)境影響等多個環(huán)節(jié)與問題[1]。對疏浚砂的簡單粗放型處置方式，與強調(diào)節(jié)約資源、綠色開發(fā)的時代形勢背道而馳。

目前對于疏浚砂土的資源化利用主要包括吹填造陸[2]、高溫?zé)Y(jié)制磚制陶[3-4]、固化處理制備水泥基材料[5-6]等。隨著國家對環(huán)境的重視，圍海造地等方式受到限制；高溫?zé)Y(jié)陶粒導(dǎo)致二次污染，而疏浚砂土的建材化利用為切實可行的方法。將疏浚砂“變廢為寶”用于水運、公路等工程建設(shè)，從根本上改變以往將大量疏浚砂土直接外拋的簡單做法，對促進長江生態(tài)保護將起到積極作用。但長江下游疏浚砂細度模數(shù)通常為0.1～0.3，為極細砂，工程利用價值差。以其作為主要原料制備水泥基等材料替代普通混凝土，需要解決漿體需水量大、制備的塊體容易收縮開裂、強度低等問題[7]。

現(xiàn)有關(guān)于以極細砂替代細骨料制備水泥基材料的研究較少。宋云濤等[8]基于廢棄超細砂制備細粒混凝土，結(jié)果表明摻加粉煤灰16.6%時，細粒混凝土的28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度和浸水強度達到最優(yōu)，對比普通C20混凝土大幅降低成本；羅文東等[6]以超細砂制備高強砂漿，發(fā)現(xiàn)復(fù)摻粉煤灰和硅粉摻量為18%和6%時，所制備高強砂漿具有良好的抗壓、抗折強度和水穩(wěn)定性能；陳金武[9]以大沙河綜合治理生態(tài)護岸工程為例，測定了特細砂混凝土的坍落度、抗壓強度及抗?jié)B性能，得到了能夠滿足當?shù)厮鷳B(tài)護岸工程建設(shè)要求的配合比方案。

本文以長江下游疏浚砂為試驗材料，選用不同含泥量的疏浚砂樣，分別采用振動成型和半干法壓制成型方法制備水泥基材料，通過檢測不同齡期試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗水侵蝕和抗沖磨耐久性等物理、力學(xué)和耐久性能，探索長江下游極細疏浚砂的高效、科學(xué)、資源化利用。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

試驗所用水泥為普通硅酸鹽P.O42.5水泥，執(zhí)行《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)。粉煤灰為 Ⅱ 級粉煤灰，執(zhí)行《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)。減水劑采用聚羧酸型減水劑。

試驗采用的極細疏浚砂均取自長江下游南京河段某沙洲汊道段，依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)所述，采用篩分法進行粒度分布試驗，得到粒徑分布如圖1所示。A砂樣和B砂樣細度模數(shù)分別在0.3和0.1左右，均屬于超細沙。依據(jù)《建筑用沙》(GB/T 14684—2011)所述，采用淘洗法進行試驗分析得A砂樣含泥量為6.5%，B砂樣含泥量為25.8%，測得兩砂樣松散堆積密度分別為1 210 kg/m3和1 162 kg/m3。此外，為更好地探索含泥量的變化所帶來的相關(guān)影響，試驗中增加了一組含泥量為12%的自配疏浚砂樣C組進行對比。

圖1 長江下游疏浚砂樣粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of dredged sand samplesfrom the downstream of Changjiang River

2.2 試驗方法

試驗各組砂漿配合比為水灰比0.6，灰砂比1∶2，減水劑摻量0.5%，并以粉煤灰等量替代30%水泥用量，以改善水泥基材料性能。采取振動成型工藝，將物料按一定配比干拌混合均勻后，將減水劑倒入混合料，加水濕拌至均勻。將攪拌均勻的混合物料裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm成型模具中，分兩次進行振動成型，放置24 h脫模，定期灑水養(yǎng)護。

所采取的半干法成型工藝中，除不摻用減水劑外，配合比與前述振動成型工藝試驗相同；將物料以相同的配比干拌2 min后加水濕拌均勻，接著加入模具，在壓制機械下分段加壓至規(guī)定壓力后恒壓2 min，卸壓后拆除模具，定期灑水養(yǎng)護。

試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2017)，以3個試件為一組，分別養(yǎng)護至3、28、90 d齡期進行抗壓強度、劈裂抗拉強度的檢測；試件的軟化系數(shù)參照《混凝土小型空心砌塊試驗方法》(GB/T 4111—2013)進行檢測；試件流動度和抗沖磨性能依據(jù)《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)進行測定。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 振動成型工藝下不同含泥量對試件力學(xué)性能的影響

疏浚砂水泥基材料經(jīng)混合攪拌，振動成型后，水化生成的水化硅酸鈣、水化鐵酸鈣凝膠以及氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣等晶體將疏浚砂顆粒膠結(jié)在一起，形成密實的三維空間網(wǎng)絡(luò)，使水泥石結(jié)構(gòu)更致密，并有效促進水泥基材料強度的增長。

圖2 振動成型工藝下含泥量對水泥基材料力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of mud content on mechanical propertiesof cement-based materials under vibration molding

在振動成型工藝下，試件抗壓強度、劈裂抗拉強度力學(xué)性能測試結(jié)果如圖2所示。隨著材料含泥量的增加，試件的28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度呈明顯降低趨勢。含泥量為6.5%的試件較含泥量為25.8%的試件3 d、28 d和90 d抗壓強度分別提高24.8%、29.5%和18.8%，分別可達18.1、35.1、44.8 MPa；3 d和28 d劈裂抗拉強度分別提高12.5%和13.7%，為2.7 MPa和3.98 MPa。

3.2 振動成型工藝下不同含泥量對水泥基材料耐久性能的影響

在港航工程中，護岸建筑物常受到水流紊動、波浪沖擊等侵蝕沖磨，因此要求建筑材料有較高的軟化系數(shù)及優(yōu)良的抗沖磨性能。

在振動成型工藝下，對疏浚砂水泥基材料耐久性能進行測定，試驗結(jié)果如表1所示。疏浚砂水泥基材料具有較好的抗水侵蝕性，含泥量的升高對水泥基材料的耐久性能有不良影響，相較于含泥量較高的疏浚砂試樣B(含泥量為25.8%)，含泥量為6.5%的疏浚砂試樣A擁有更高的流動度，其抗沖磨強度提高了31.6%，可達12.5 h/(kg/m2)，質(zhì)量損失率降低了20.0%，可達8.4%。在此方法下制備的疏浚砂水泥基材料的抗沖磨強度，均能達到普通C40混凝土水平[10]。除此之外，由于無需加入粗骨料，疏浚砂水泥基材料試件密度較小，均為2 000 kg/m3左右。

表1 不同含泥量對水泥基材料耐久性能的影響Table 1 Effect of mud content on durability ofcement-based materials

3.3 半干法成型工藝下不同含泥量對試件力學(xué)性能的影響

分別使用上述3種疏浚砂樣作為原材料，以最高壓制強度20 MPa進行半干法壓制成型。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于砂粒比較松散，粘結(jié)差，壓制無法成型，低含泥量A砂樣(6.5%)的試件脫模后隨即破壞，即使加入碳酸鋰早強劑靜置90 min后，也無法有效成型。而對于另兩組試件，半干法壓制下均可成型，其抗壓強度與劈裂抗拉強度結(jié)果如圖3所示，含泥量的增加有利于壓制成型試件強度的增長。對含泥量為25.8%的B組疏浚砂，壓制試件(圖3)較振動成型(圖2)試件28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度分別提高36.5%和25.7%，可達37.0 MPa和4.4 MPa，壓制試件在機械力和化學(xué)雙重作用下具有更高的力學(xué)強度。此外，半干法壓制成型試件密度均在2 100 kg/m3左右。

3.4 成型工藝與含泥量對水泥基材料的影響

在制備水泥基材料的過程中，可采用振動成型與半干法壓制成型方法。前者使得物料在高頻振動下液化，進而在自重和外力約束下密集地填充于模具中，同時有效排出顆粒間的空氣，形成密度均勻、強度可靠的工程材料；而后者則通過壓力，將分散的固體顆粒最大限度地推近，并通過含有一定水分和其他黏結(jié)劑的表面，使物料顆粒間形成一定的鍵合(分子鍵、氫鍵)，從而成為具有一定強度的彈性體。

圖3 半干法壓制成型下含泥量對水泥基材料力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of mud content on mechanical propertiesof cement-based materials under semi-dry pressingmolding

表2 普通C30混凝土和疏浚砂水泥基材料綜合費用比較Table 2 Comparison of cost between ordinary C30 concrete and dredged sand in preparing cement-based materials

《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)對砂的含泥量的定義是“天然砂中粒徑<75 μm的顆粒含量”。在振動成型工藝下，疏浚砂中粒徑較小的黏土顆粒因其較大的比表面積，將吸附大量的水分，隨著疏浚砂樣含泥量的增加，所制備的水泥基材料流動性降低，需水量增大，和易性較差(表1)，李亞靜等[11]、李曉東等[12]、王晨晨等[13]有關(guān)水泥砂漿的研究也體現(xiàn)了這一特性。此外，泥料在振動過程中，骨料間黏性降低從而促進水泥水化反應(yīng)，且隨著疏浚砂細顆粒在振動下填充水泥基材料內(nèi)部孔隙，優(yōu)化材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，強度得以增長。但隨著含泥量的增加，一方面降低了骨料與水泥之間的粘結(jié)力，另一方面，細顆粒聚集成泥團后形成軟弱區(qū)域，裹挾其中的有機質(zhì)等也影響著水泥的水化速率，從而導(dǎo)致水泥基材料強度的削減(圖2)；胡曉曼等[14]、李俊文[15]、Norvell等[16]自配含泥量不同的砂制備水泥砂漿，發(fā)現(xiàn)含泥量越高，砂漿抗壓強度顯著降低；于濤等[17]以不同含泥量的砂制備C30、C40混凝土，發(fā)現(xiàn)含泥量在6.25%以上時，含泥量升高對混凝土的抗壓強度有較大不利影響。

半干法壓制成型工藝下，含泥量較低(6.5%)的疏浚砂樣所制試件無法壓制成型，而含泥量較高(12%和25.8%)的疏浚砂樣所制水泥基材料，在機械力和化學(xué)的雙重作用下，較其在振動成型工藝下，具有更高的抗壓強度和劈裂抗拉強度。這是因為在半干法壓制下，通過擠壓出高含泥量材料拌合物中包裹的空氣，減少氣孔的數(shù)量，排出部分多余水分，消除漿體因化學(xué)收縮引起的部分微裂縫，細小的黏土顆粒在水分遷移和持續(xù)的高壓作用下不斷填充物料間的孔隙，依靠分子間吸引力產(chǎn)生了自然的黏結(jié)性，使得水泥基材料得以壓制均勻成型，從而擁有更高的密度和強度。而含泥量過低的試件細顆粒較少，壓制時物料間空隙難以被均勻填補而形成足夠的黏結(jié)，容易產(chǎn)生分層與裂隙，進而無法有效成型。

在對長江下游疏浚砂的快速處理應(yīng)用上，針對不同含泥量的疏浚砂，可采用不同的密實成型方式，半干法壓制成型可以有效降低高含泥量對水泥基材料性能的不良影響。此外，依據(jù)不同含泥量的疏浚砂、不同成型條件下的試件抗壓強度及耐久性，可充分擴大疏浚砂材料的使用范圍,如制備小型預(yù)制構(gòu)件護面磚、路面磚、路緣石等應(yīng)用于航道整治工程、公路路基的水泥穩(wěn)定層、輕質(zhì)環(huán)保磚、景觀混凝土工程等，為疏浚砂綜合利用提供更廣的使用環(huán)境。

3.5 技術(shù)經(jīng)濟分析

將上述疏浚砂樣分別按照振動成型、半干法壓制成型方法制備水泥基材料，并與普通C30混凝土進行技術(shù)經(jīng)濟分析對比，綜合費用如表2所示。

較普通C30混凝土，在公路和水路兩種運輸方式下，振動成型疏浚砂水泥基材料可分別降低成本36.8%和33.0%，半干法壓制成型疏浚砂水泥基材料可分別降低成本40.5%和37.1%。在力學(xué)性能、耐久性能接近，成本低廉的優(yōu)勢下，以疏浚砂為原料制備水泥基材料替代普通C30混凝土使用，就近應(yīng)用于航道整治等工程建設(shè)，既解決了疏浚砂的處置難題，在制備過程中還可消耗大量粉煤灰等工業(yè)廢料，與綠色環(huán)保的國家新發(fā)展理念相一致。

4 結(jié) 論

(1)分別在振動成型與半干法壓制成型方法下，以相同配合比探究含泥量對水泥基材料力學(xué)性能的影響。振動成型方法下，由于泥料在振動過程中降低了骨料與水泥之間的粘結(jié)力，對所制水泥基材料力學(xué)性能有不良影響，含泥量較低(6.5%)的疏浚砂樣較之含泥量較高(25.8%)的疏浚砂樣制得的水泥基材料28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度分別提高29.5%和13.7%，可達35.10 MPa和3.98 MPa；半干法壓制成型方法下，黏土顆粒不斷填充物料間的孔隙，依靠分子間吸引力黏結(jié)，含泥量的提高有助于試件強度的增長。對高含泥量(25.8%)試樣，半干法壓制成型較振動成型所制水泥基材料的28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度分別提高36.5%和25.7%，可達37.0 MPa和4.4 MPa。針對不同含泥量的疏浚砂，可采用不同的密實成型方式，降低含泥量對水泥基材料性能的不良影響，并依據(jù)不同強度、耐久性的疏浚砂水泥基材料，擴大疏浚砂材料的使用范圍，為疏浚砂綜合利用提供更廣的使用環(huán)境。

(2)疏浚砂水泥基材料具有較好的抗水侵蝕性，定期灑水養(yǎng)護后的軟化系數(shù)在94%以上。相較于含泥量較高(25.8%)的疏浚砂試樣，含泥量為6.5%的疏浚砂試樣擁有更高的流動度，其抗沖磨強度提高了31.6%，可達12.5 h/(kg/m2)，質(zhì)量損失率降低了20.0%，可達8.4%。除此之外，由于無需加入粗骨料，疏浚砂水泥基材料試件密度較小，均為2 000 kg/m3左右。

(3)較普通C30混凝土，在公路和水路兩種運輸方式下，振動成型疏浚砂水泥基材料可分別降低成本36.8%和33.0%，半干法壓制成型疏浚砂水泥基材料可分別降低成本40.5%和37.1%，成本低廉，既解決了疏浚砂的處置難題，在制備過程中還可大量消耗粉煤灰等工業(yè)廢料，兼具環(huán)保和經(jīng)濟優(yōu)勢，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。