长江中下游航道整治废弃特细砂工程特性研究

臧英平 李涛章 周玲霞 诸裕良 江朝华

摘 要：为了长江中下游航道整治废弃特细砂的再利用，拟将其作为主要原料制备水泥基材料替代普通混凝土就近应用于航道整治工程，分别对其进行了pH值测定、化学成分分析、矿物组成分析、颗粒级配分析和微观形貌分析。分析结果表明该航道整治废弃砂呈微碱性，非黏土矿物水云母等含量为84%，黏性矿物蛭石和绿泥石含量为16%，土样活性较差。废弃砂颗粒主要分布于0.3～0.15mm范围细度模数为0.8左右，属于特细砂。该特细砂在混凝土配制和设计中应遵循低砂率、低水泥用量和采用高效减水剂保证在塌落度基本不变等原则。

关键词：救废弃特细砂;pH 值;化学成分;矿物组成;颗粒级配

1前言

随着水运事业的发展，越来越多的港口、航道需通过疏浚和整治提高其船舶通过能力，增加航道等级。工程中产生的大量废弃砂土如果按照传统方式在外海进行抛卸或者转运存储，会造成一定程度的环境污染，如果处理不当，甚至会增加工程量并拖延工程周期[1]。合理处置废弃砂土，不仅可减轻对环境的影响，还能增加大量的土地资源，为工农业生产和居民生活提供用地，为国民经济的可持续发展做出贡献[2]。此外，固体废弃物综合利用率是我国节能减排工作的重要指标之一[3]。因此，疏浚砂土的资源化利用也是水利水运行业贯彻落实科学发展观，建设资源节约型和环境友好型社会，发展低碳经济的重要切入点。

因边滩崩岸严重，在长江航道守护工程中因放坡而产生大量废弃砂，废弃砂的转运、存储不仅增加工程量和工程造价，而且对环境产生了一定的影响[4]。本文针对长江中下游航道整治产生的废弃砂，拟将其作为主要原料制备水泥基材料替代普通混凝土就近应用于航道整治工程，在进行水泥基材料配制之前对废弃砂的化学组成和颗粒级配等物理化学性质进行分析，为水泥基材料的制备提供依据。

2 航道整治废弃砂工程特性

2.1 pH值

砂土的pH常被看作主要变量，它对砂土的许多化学反应和化学过程有很大影响，对其氧化还原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反应起支配作用。依据《土工试验方法标准》GB/T50123-1999采用电测法进行废弃砂样pH值测定。检测结果表明其pH值大于7.0，呈微碱性，OH基的离解程度较大，双电层较厚，说明该废弃砂的活性比较低。

2.2 化学成分

对废弃砂进行化学分析是研究其化学组成及含量。分析试样全部通过孔径为0.088mm筛，在105～110℃烘箱中烘2h以上进行化学成分检测。检测结果如表1所示。

化学分析结果表明：废弃砂中SiO2、Al2O3含量都比较高，其次依次为CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O。废弃砂中9种主要成分（SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2和SO3）含量达99%，其中SiO2、Al2O3、 CaO、Fe2O3四种组分含量之和达到90%，说明其他物质及有机质含量较少。

2.3矿物组成

砂土中的固体部分是由矿物构成的，主要是各类无机矿物，可分为原生矿物和次生矿物两大类，次生矿物可再分为可溶性和非溶性两类;原生矿物和非溶性次生矿物是砂土的基本矿物成分，此外还有部分有机质。矿物组成分析依据《土的矿物组成试验》SL237069-1999进行。废弃砂自然风干后过2mm筛后，进行预处理。

从废弃砂X射线衍射图中看到，样品中石英、长石类原生矿物的特征峰最为明显。非黏土矿物水云母、闪石、石英、长石、方解石含量为84%，黏性矿物蛭石和绿泥石含量为16%。废弃砂中黏性矿物所占比重远远低于非黏性矿物含量，土样活性较差。

2.4 颗粒级配

砂土颗粒粒级分布是衡量其理化性质的一项重要参数，与颗粒的矿物组成、可塑性等存在着密切的关系。在固化制品生产工艺中，一般对原料颗粒级配进行如下控制：将粒径小于0.05mm的粉粒称为塑性颗粒;粒径为0.05～0.2mm的称为填充颗粒;粒径为1.2～2mm的称为粗颗粒。合理的颗粒组成为：塑性颗粒35%～50%，填充颗粒20%～65%，粗颗粒小于30%。因此，粒度分析在废弃砂利用研究过程中具有十分重要的意义。

废弃砂颗粒级配分析试验依据《水电水利工程土工试验规程》 DL/T5355-2006采用筛分法进行。试验所用仪器为孔径为10、5、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15和0.075mm的砂石套筛，精确度0.1g电子称和ZBSX-92型震击式标准振筛机。称取500.0g自然风干废弃砂，放入筛中并装在振筛机上，振动10～12min，分别称取不同筛径下废弃砂质量，试验结果如图2所示。

由图2可知，废弃砂小于0.075mm的颗粒占总质量的1.29%，少于10%，废弃砂颗粒主要分布于0.3～0.15mm范围，含量高达76.26%左右，粒径分布范围窄。0.02～0.05mm的塑性颗粒少于1.3%，0.05～1.2mm之间的填充颗粒含量为98%以上，粗颗粒没有，经计算该废弃砂细度模数为0.8左右，属于超细砂。Cu=4，土的不均匀系数较小，土的级配不良。

2.5弃土颗粒形貌

采用Nikon ECLIPSE E200MV POL偏光显微镜进行废弃砂的颗粒形貌分析。结果如图3所示：

从图3可知，废弃砂颗粒独立，颗粒之间无黏结，颗粒晶体透明，边缘平直光滑，颗粒棱角比较圆滑，由于表面的圆滑，颗粒摩擦力较小，团聚力很小，塑性较差。

根据《建筑用砂》（GB/T14684-2001），混凝土用砂分为粗砂、中砂和细砂，其中细砂细度模数大于1.6，细度模数0.7～1.5之间为特细砂。本文的废弃砂细度模数为0.8左右，属于特细砂。针对特细砂在混凝土配制和设计中应遵循以下原则：①低砂率（砂的质量占混凝土中砂、石总质量的百分率），砂率控制在30%左右;②低水泥用量，水胶比不变，降低水泥用量，掺加超细矿物掺合料矿粉、粉煤灰和石灰石粉等;③采用高效減水剂，保证在塌落度基本不变的前提下大幅降低用水量。

3结论

（1）本文的航道整治废弃砂呈微碱性，非黏土矿物水云母等含量为84%，黏性矿物蛭石和绿泥石含量为16%。黏性矿物所占比重远远低于非黏性矿物含量，土样活性较差。

（2）该废弃砂颗粒主要分布于0.3～0.15mm范围，含量高达76.26%左右，粒径分布范围窄。0.02～0.05mm的塑性颗粒少于1.3%，0.05～1.2mm之间的填充颗粒含量为98%以上，粗颗粒没有。细度模数为0.8左右，属于特细砂。不均匀系数较小，级配不良。颗粒棱角圆滑，摩擦力较小，团聚力很小。

（3）该特细砂在混凝土配制和设计中应遵循低砂率（砂率控制在30%左右）、低水泥用量（掺加超细矿物掺合料矿粉、粉煤灰和石灰石粉替代水泥用量，降低水泥用量）、采用高效减水剂保证在塌落度基本不变的前提下大幅降低用水量等原则。

参考文献：

[1] 朱伟， 张春雷， 刘汉龙， 等. 疏浚泥处理再生资源技术的现状[J]. 环境科学与技术， 2002， 25（4）： 39-41.

[2] 张旭东， 祁继英. 疏浚底泥的资源化利用[J]. 北方环境， 2005， 30（2）： 48-50.

[3] 卞夏， 邓乘， 邓永锋， 等. 高含水率疏浚淤泥混合固化轻质土试验研究[J]. 防灾减灾工程学报， 2009， 29（5）： 524-529.

[4] 陶桂兰， 阮健， 江朝华， 范俊燕. 荆江河段黏性弃土固化利用研究[J]. 人民长江， 2016， 47（6）： 69-72.