水泥砂土浆的力学性能试验研究

吴波 曹慧璇 林朗 张涛 张卉婷

(华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640)

我国每年产生35亿吨以上的建筑垃圾[1]，其中约60%为工程建设(如地铁、地下管廊、深基坑等)产生的渣土，它们大多采用堆放填埋方式进行处置，侵占大量土地。与此同时，我国每年生产约15亿吨的商品混凝土[2]，消耗大量砂石资源。目前，天然河砂在我国很多地方已严重紧缺甚至完全断供，导致混凝土价格暴涨。若能利用渣土部分或全部替代天然河砂用以制备混凝土，不仅可明显缓解天然河砂短缺的困境，还可实现大宗固体废弃物减排，节约土地，保护环境，具有显著的生态效益和巨大的经济效益。

对于渣土循环利用，目前主要有两条途径：一是利用其取代水泥，二是利用其替代天然河砂。文献[3-6]中将地铁盾构产生的渣土烘干磨细用来取代部分水泥以配制混凝土，试验结果表明随着渣土取代率的增加，无论是混凝土的工作性能还是力学性能都呈现出较明显的降低，因此渣土取代率不宜超过胶凝材料总质量的10%。显然，这使得渣土的循环利用量十分有限。文献[7-10]中采用塑性指数将渣土分为高塑性土、中塑性土和低塑性土三类，并分别提出5种方法对其进行预处理以降低塑性，然后大比例取代天然河砂用以制备水泥砂土浆。这5种方法分别是：(1)直接固化法[7]，即浇筑水泥砂土浆时向渣土内掺入适量粉煤灰作为低聚物粘合材料，同时加入NaOH溶液和Na2SiO3溶液作为碱激发剂，并将水泥砂土浆置于60～90 ℃环境下进行固化与养护；(2)干筛法[8]，即直接采用0.6 mm和4.75 mm的筛网对处于干燥状态的渣土进行筛分，并保留粒径介于0.6～4.75 mm的土颗粒；(3)干筛固化法[8]，即在干筛处理后的粒径介于0.6～4.75 mm的土颗粒中加入硅灰或者矿渣类钙盐等固化剂，进一步对细微土颗粒进行固化；(4)湿筛法[9]，即将渣土与水的混合泥浆倒在1.18 mm和0.075 mm的叠套筛上，用自来水对其冲洗直至水清澈，然后取两个筛上的筛余颗粒(即粒径0.075 mm以上的土颗粒)并日晒两天；(5)高温处理法[10]，即通过干筛去除渣土中粒径0.075 mm以下的颗粒，然后将其置于200～1 000 ℃高温环境下约30～180 min，最后冷却至常温。研究发现：采用直接固化法所得渣土配制的水泥砂土浆强度偏低，只适合于制备M10以下的水泥砂土浆；干筛法有着工艺简单的优点，但该法难以去除强度较低的粘聚土团，使得配制出的水泥砂土浆的力学性能受到不利影响；相较干筛法，干筛固化法可使水泥砂土浆的性能明显改善(如抗压强度提高60%、吸水率降低50%)，但工序相对繁琐且成本较高；采用湿筛法或高温处理法处理后的渣土取代天然河砂制备水泥砂土浆，可实现与常规水泥砂浆相近的性能，但前者存在淤泥和污水的二次处理问题，而后者的处理温度需至少达到800 ℃以上才能实现预期效果，处理能耗显著增加。

针对上述问题，文中提出了渣土的干筛研磨预处理方法，即对初筛后粒径相对较大的土颗粒进行适当研磨，以尽量减少强度较低的粘聚土团的含量。针对我国华南地区广泛分布的花岗岩风化残积土和冲洪积土，分别采用干筛研磨法和干筛法进行处理，然后部分或全部取代天然河砂以制备水泥砂土浆，通过其抗压和抗折试验，初步验证了这两类渣土的大规模循环利用是可行的。

1 试验概况

1.1 原材料

文中试验所用水泥为42.5 R级普通硅酸盐水泥，3批天然河砂的细度模数分别为2.7、2.9和3.1，减水剂采用质量分数10%的RPC-H聚羧酸溶液。

我国华南地区的花岗岩地层分布广泛(以广东省为例，花岗岩地层面积达全省陆地面积的30%～40%[11])，花岗岩风化残积土量大面广。与此同时，珠江三角洲、长江中下游平原、华北平原等都属于典型的冲洪积地貌，冲洪积土蕴含丰富。文中研究主要针对这两类渣土展开。

文中试验共采用了3批渣土：第1批为广州市天河区新塘公司、新合公司“城中村”改造项目A地块基坑地下14 m深度处的花岗岩风化残积土(花岗岩风化残积土-1)，第2批为南村万博地铁站基坑地下25 m处的花岗岩风化残积土(花岗岩风化残积土-2)，第3批为广花公路地下综合管廊项目基坑地下5.5 m处的冲洪积土。采用PANalytical AYios型X射线荧光光谱仪对这3批渣土的化学成分进行检测，具体结果见表1。为便于对比，表中同时给出了水泥和天然河砂的化学成分。从表中可以看出：

(1)花岗岩风化残积土的二氧化硅含量超过60%，其化学成分更接近天然河砂而不是水泥，因此相比于取代水泥，采用花岗岩风化残积土取代天然河砂相对更为合适。

(2)冲洪积土的二氧化硅含量高达85%，与天然河砂的二氧化硅含量基本相当，采用前者取代后者具有较好的可行性。

1.2 渣土处理工艺

花岗岩风化残积土含有许多强度较低的粘聚土团，仅采用干筛法无法使其有效散开。为此，本文在干筛法基础上提出了干筛研磨预处理方法，即对初筛后粒径相对较大的土颗粒进行适当研磨，以尽量减少粘聚土团的含量。具体步骤如下：

表1 渣土、水泥和天然河砂的化学成分

(1)对干燥后的花岗岩风化残积土进行筛分，得到A、B、C三组土，其中A组土粒径小于0.15 mm，B组土粒径0.15～2.36 mm，C组土粒径大于2.36 mm，舍去A组土。

(2)将C组土投入高速研磨仪中，研磨6～8 s.

(3)对研磨后的C组土进行筛分，保留粒径0.15～4.75 mm的部分，并将该部分与B组土混合，得到可用渣土。

按照上述工艺处理后，花岗岩风化残积土-1和花岗岩风化残积土-2的可利用率分别为73%和68%，其可用部分(后文称可用渣土-1和可用渣土-2)的细度模数分别为2.4和2.3，相应的级配曲线如图1所示。由该图可知，按照天然河砂的分类标准，可用渣土-1属于2区中砂，可用渣土-2属于中砂且大部分落入2区。

图1 处理后可用渣土的级配曲线

Fig.1 Grading curves of the usable excavated soils after processing

对于冲洪积土，观察发现其基本没有粘聚土团，因此直接采用干筛法进行处理。即对干燥后的冲洪积土进行筛分并舍去粒径大于4.75 mm的部分，得到可用渣土-3。按此处理后，冲洪积土的可利用率为98.4%，细度模数为3.1，级配曲线见图1。由该图可知，按照天然河砂的分类标准，可用渣土-3属于2区粗砂。

1.3 配合比设计

共设计3批13组水泥砂土浆试件，试件尺寸均为40×40×160 mm，每组试件包括3个相同试件。第1批和第2批试件分别采用可用渣土-1和可用渣土-2部分取代天然河砂，取代率考虑0、30%、50%和70%共4种情况；第3批试件采用可用渣土-3部分或全部取代天然河砂，取代率考虑0、30%、50%、70%和100%共5种情况。各组试件的配合比见表2。

1.4 试验方法

试件浇筑过程中，水泥砂土浆的稠度按照《建筑砂浆基本性能试验方法》JGJ/T 70—2009[14]进行测定。试件浇筑完成后，将其置于湿度95%±5%、温度20±1 ℃的标准养护室内进行养护。

试件的抗折和抗压试验按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GBT 17671—1999[15]进行。抗折试验采用量程100 kN的MTS万能材料试验系统，加载速率40 N/s；抗压试验采用量程200 kN的UTM 5205型电子万能试验机，加载速率2.4 kN/s。

表2 试件的配合比1)

1)第1、2和3批试件分别采用细度模数2.7、2.9和3.1的天然河砂。

试件的弹性模量按照《钢丝网水泥用砂浆力学性能试验方法》GBT 7897—2008[16]进行测定，其中荷载采用量程200 kN的UTM5205型电子万能试验机施加，加载速率1 kN/s，应变采用粘贴于试件侧面的标距30 mm的应变片进行测量。

2 试验结果与分析

2.1工作性能

为保证水泥砂浆具有良好的工作性能，《砌筑砂浆配合比设计规程》JGJ/T 98—2011[17]建议水泥砂浆的稠度宜介于50～90 mm。据此，制备水泥砂土浆时通过调整聚羧酸减水剂的用量以使其稠度满足上述要求，具体见表2和图2。

图2 减水剂掺量随渣土取代率的变化情况

Fig.2 Variation of water reducer consumption with replacement ratio of excavated soil

图中减水剂掺量及其与胶凝材料的质量比都是针对减水剂固含量而言，从图中可以看出：

1)当采用基于花岗岩风化残积土的可用渣土-1和可用渣土-2部分取代天然河砂时，为确保水泥砂土浆具有良好的工作性能，聚羧酸减水剂的用量随渣土取代率的增加明显增大，这主要是因为两类可用渣土含有细微颗粒所致。一方面，这些细微颗粒的比表面积明显大于河砂，导致前者的吸水性远大于后者，从而造成水泥砂土浆的工作性能大幅降低[3-6]；另一方面，这些细微颗粒还可能对聚羧酸系减水剂的Polycarboxylates(PC)分子产生强烈吸附作用[3-6]，加之PC分子与土颗粒之间存在插层作用[18]，使得大量PC分子被细微颗粒所消耗，致使减水效果大打折扣。为弥补上述两方面负面效应，需掺加更多减水剂以确保水泥砂土浆的工作性能。但值得指出的是，即使对于渣土取代率70%的情况，以固含量计，减水剂的最大掺量也仅为胶凝材料质量的1.1%左右，该比值在配制强度较高的混凝土时是较为常见的(一般介于0.7%～1.95%[19])。

2)当采用基于冲洪积土的可用渣土-3部分或全部取代天然河砂时，虽然聚羧酸减水剂的用量也随渣土取代率的增加而增大，但增幅明显小于可用渣土-1和可用渣土-2所对应工况，这主要是因为可用渣土-3的细微颗粒含量少于可用渣土-1和可用渣土-2所致(可用渣土-3和可用渣土-2的细微颗粒含量分别约为2.4%和13%)。

2.2 抗折强度

图3所示为3批13组水泥砂土浆的7、14和28 d抗折强度。从图中可以看出：

1)当采用基于冲洪积土的可用渣土-3部分或全部取代天然河砂时，随着渣土取代率的增加，水泥砂土浆的7、14和28 d抗折强度均未呈现单调变化趋势，其数值只是在对比组(渣土取代率为0)的相应抗折强度上、下波动且波动幅度有限。当渣土取代率为30%、50%、70%和100%时，水泥砂土浆的28 d抗折强度分别为对比组的97.5%、100.7%、100.5%和97.4%，这表明采用可用渣土-3部分或全部取代天然河砂不会对水泥砂土浆的抗折性能产生劣化。

2)当采用基于花岗岩风化残积土的可用渣土-1和可用渣土-2部分取代天然河砂时，随着渣土取代率的增加，水泥砂土浆的7、14和28 d抗折强度都呈现出先有所上升而后逐渐降低的趋势。与对比组(渣土取代率为0)相比，渣土取代率30%时，采用可用渣土-1/可用渣土-2的水泥砂土浆的7、14和28 d抗折强度分别提高2.5%/4.3%、6.3%/5.7%和6.4%/1.9%；渣土取代率50%时，采用可用渣土-1/可用渣土-2的水泥砂土浆的7、14和28 d抗折强度分别改变-1.1%/0.8%、0.2%/-1.3%和-4.0%/-5.6%；渣土取代率70%时，采用可用渣土-1/可用渣土-2的水泥砂土浆的7、14和28 d抗折强度分别降低9.9%/16.2%、4.5%/3.0%和7.8%/7.2%。这表明采用可用渣土-1或可用渣土-2取代30%天然河砂并不会对水泥砂土浆的抗折性能产生不利影响，而当两类渣土的取代率提升至50%和70%时，虽然水泥砂土浆的抗折强度有所降低，但28 d抗折强度的最大降幅分别不超过6%和8%。

为解释上述现象，对掺有花岗岩风化残积土的14 d水泥砂土浆进行取样并开展压汞测试，其孔隙尺寸分布(按半径计，以下同)随渣土取代率的变化情况如图4所示。压汞测试采用AutoPore IV 9500全自动压汞仪，其压力范围为0～228 MPa，孔隙尺寸测定范围为2.5 nm～500 μm。与此同时，采用EVO18扫描式电子显微镜对掺有花岗岩风化残积土的7 d水泥砂土浆的微观结构进行观测，其放大4 000～5 000倍的微观结构随渣土取代率的变化情况见图5。

图3 抗折强度随渣土取代率的变化情况

Fig.3 Variation of flexural tensile strength with replacement ratio of excavated soil

从图4可以看出，随着渣土取代率的增加，水泥砂土浆的孔隙率总体呈现出先减小而后逐渐增大的趋势。结合图4和图5可知，当渣土取代率为0时，砂浆内部有大量C-S-H凝胶，孔隙较少，微观结构致密；当渣土取代率较小(30%)时，水泥砂土浆内部依旧可观察到大量C-S-H凝胶，渣土的填充效应使水泥砂土浆的微观结构更趋致密，进而导致其孔隙率减小，抗折强度有所提高；

图4 孔隙尺寸分布随渣土取代率的变化情况

Fig.4 Variation of pore size distribution with replacement ratio of excavated soil

(a) 取代率=0 (×5 000)

(b) 取代率=30% (×4 000)

(c) 取代率=50% (×4 000)

(d) 取代率=70% (×4 000)

但当渣土取代率较大(50%、70%)时，水泥砂土浆内部的水化产物减少且可观察到一定数量的针状AFt晶体，这是由于过量渣土对水泥水化反应存在一定负面影响[20]，致使水泥砂土浆内部的C-S-H凝胶等水化产物减少，微观结构相较对比组(渣土取代率为0)显得疏松多孔，这些孔隙为AFt晶体的生成提供了空间，导致AFt晶体增多[21]。由于可提供强度的C-S-H凝胶等水化产物减少，而AFt晶体对强度贡献不大[22-23]，因此当渣土取代率较大时，水泥砂土浆的抗折强度有所降低。

2.3 抗压强度

图6所示为3批13组水泥砂土浆的7、14和28 d抗压强度。从图中可以看出：

1)当采用基于冲洪积土的可用渣土-3部分或全部取代天然河砂时，随着渣土取代率的增加，水泥砂土浆的7、14和28 d抗压强度仅微幅波动，总体上与对比组(渣土取代率为0)的相应抗压强度基本相当。当渣土取代率为30%、50%、70%和100%时，水泥砂土浆的28 d抗压强度分别为对比组的96.4%、98.7%、102.3%和95.8%，这表明采用可用渣土-3部分或全部取代天然河砂不会使水泥砂土浆的抗压强度出现劣化。

2)当采用基于花岗岩风化残积土的可用渣土-1和可用渣土-2部分取代天然河砂时，随着渣土取代率的增加，水泥砂土浆的7、14和28 d抗压强度总体呈现出逐渐降低的趋势。与对比组(渣土取代率为0)相比，渣土取代率30%时，采用可用渣土-1/可用渣土-2的水泥砂土浆的7、14和28 d抗压强度分别改变-6.2%/-6.8%、-8.7%/1.5%和-4.1%/0.5%；渣土取代率50%时，采用可用渣土-1/可用渣土-2的水泥砂土浆的7、14和28 d抗压强度分别降低13.0%/22.0%、13.8%/17.2%和5.2%/15.4%；渣土取代率70%时，采用可用渣土-1/可用渣土-2的水泥砂土浆的7、14和28 d抗压强度分别降低26.2%/37.2%、22.7%/29.7%和14.7%/22.3%。这表明采用可用渣土-1或可用渣土-2取代30%天然河砂并不会对水泥砂土浆的28 d抗压强度产生明显不利影响，而当两类渣土的取代率提升至50%时，虽然水泥砂土浆的抗压强度有所降低，但28 d抗压强度的最大降幅也就在15%左右。

图6 抗压强度随渣土取代率的变化情况

Fig.6 Variation of compressive strength with replacement ratio of excavated soil

为解释上述现象，按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52—2006[24]对可用渣土-2和第2批试件所用天然河砂的压碎指标进行了测定，前者和后者的压碎指标分别为33.0%和8.0%，显然后者的抗压能力明显高于前者。结合图4和图5可知，当渣土取代率为30%时，水泥砂土浆的微观结构相较对比组(渣土取代率为0)更趋致密，有利于提高水泥砂土浆的抗压强度，但抗压能力较高的天然河砂被部分替换成了可用渣土-2，反过来又会对水泥砂土浆的抗压强度造成不利影响，正、反两方面因素共同作用，最终导致水泥砂土浆的28 d抗压强度与对比组大体相当；但当渣土取代率为50%和70%时，不仅抗压能力较高的天然河砂被大量替换成了可用渣土-2，而且水泥砂土浆内部的水化产物和微观结构与对比组相比也逐渐劣化，两方面不利因素共同作用，使得水泥砂土浆的28 d抗压强度相较对比组偏低。

2.4 弹性模量

图7所示为3批13组水泥砂土浆的28 d弹性模量。从图中可以看出：

1)当采用基于冲洪积土的可用渣土-3部分或全部取代天然河砂时，随着渣土取代率的增加，水泥砂土浆的弹性模量基本不变且与对比组(渣土取代率为0)大体相当。结合前文抗折和抗压强度的试验结果可知，实际工程中采用可用渣土-3完全取代天然河砂是可能的。

2)当采用基于花岗岩风化残积土的可用渣土-1和可用渣土-2部分取代天然河砂时，随着渣土取代率的增加，水泥砂土浆的弹性模量总体上逐渐减小。与对比组(渣土取代率为0)相比，渣土取代率30%、50%和70%时，采用可用渣土 -1/可用渣土-2的水泥砂土浆的弹性模量分别降低2.6%/0.3%、8.8%/9.4%和15.6%/18.0%。这表明采用可用渣土-1或可用渣土-2取代30%天然河砂并不会对水泥砂土浆的弹性模量产生明显不利影响，而当两类渣土的取代率提升至50%时，虽然水泥砂土浆的弹性模量有所降低，但最大降幅小于10%。综合考虑前文抗折和抗压强度的试验结果，建议实际工程中可用渣土-1和可用渣土-2的取代率以不超过50%为宜。

图7 弹性模量随渣土取代率的变化情况

Fig.7 Variation of elastic modulus with replacement ratio of excavated soil

3 结论

(1)为确保水泥砂土浆具有良好工作性能，聚羧酸减水剂用量随渣土取代率的增加逐渐增大，采用可用渣土-1和可用渣土-2时该增幅明显大于采用可用渣土-3的情况；但即使渣土取代率高达70%，减水剂的最大掺量(以固含量计)也仅为胶凝材料质量的1.1%左右。

(2)当采用基于冲洪积土的可用渣土-3部分或全部取代天然河砂时，随着渣土取代率的增加，水泥砂土浆的抗折和抗压强度以及弹性模量总体上都与对比组(渣土取代率为0)大体相当，实际工程中采用可用渣土-3完全取代天然河砂是可能的。

(3)当采用基于花岗岩风化残积土的可用渣土-1和可用渣土-2部分取代天然河砂时，随着渣土取代率的增加，水泥砂土浆的抗折强度呈现出先有所上升而后逐渐降低的趋势，而抗压强度和弹性模量总体呈现出逐渐降低的趋势；采用此两类可用渣土取代30%天然河砂并不会对水泥砂土浆的力学性能产生明显不利影响；当两类渣土的取代率提升至50%时，与对比组(渣土取代率为0)相比，水泥砂土浆的28 d抗折强度、抗压强度和弹性模量的最大降幅分别约为6%、15%和10%。综合考虑抗折强度、抗压强度和弹性模量等因素，实际工程中该类可用渣土的取代率建议不超过50%。