基于长江下游疏浚砂的砂浆力学性能试验研究

诸裕良，臧英平，江朝华，李涛章，汤徐伟

(1.河海大学 水利工程实验教学中心，江苏 南京210098；2.南京市长江河道管理处，江苏 南京 210011)

随着国民经济和社会经济的迅猛发展，人们对生态和环境保护的要求越来越高，传统的开山采石方式因爆破采石造成环境影响而越来越受限制，块石料源趋于短缺和枯竭。国家近年来加大了基于河势稳定和堤防安全的整治工程，长江护岸整治工程面广量大，寻找可替代块石的护岸材料，成为亟待解决的难题。

目前疏浚砂土通常的处置方法为：1)抛弃到附近或指定水域；2)用于围垦造地；3)开展建材资源化利用。前2种途径受到诸多限制，疏浚砂的建材资源化利用是一个较为切合实际的途径。近年来，疏浚砂土的建材化利用研究主要表现在以下3个方面：1)使用聚合物或水泥等胶凝材料对其进行固化处理[1-3]；2)烧制成轻质陶粒骨料[4-6]；3)进行预处理后，部分取代河砂细骨料[7-8]。但以上建材化利用存在水泥固化疏浚砂土制品容易开裂、陶粒骨料烧制过程中会产生新的污染物而对环境造成二次破坏、疏浚砂取代河砂骨料用量少(一般少于50%)等问题。因而亟待寻找更加经济有效的方法处置日益增加的废弃疏浚砂。

自然演变形成的疏浚砂是可开采的天然资源，其取材容易，成本低廉，对环境影响小，可开采量大。因此，将长江南京段岸坡整治工程中的废弃疏浚砂作为主要原料制备混凝土块替代抛石和应用于长江护岸整治工程，一方面可以消耗大量疏浚砂解决天然砂石材料短缺的问题，同时为废弃疏浚砂的资源化利用找到一条有效的途径；另一方面，能解决疏浚砂的二次污染问题，降低航道疏浚工程对环境的影响。不仅具有广阔的应用前景，也是水利水运行业贯彻落实长江大保护科学发展观、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。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

试验所用水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，执行标准GB 175—1999。粉煤灰为Ⅱ级，密度为231 kgm3，需水量比104%。采用聚羧酸高效减水剂，减水剂用量为胶凝材料的0.5%。

砂子采用长江下游某滩涂疏浚砂，其粒径分布见图1。颗粒分布分析试验依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》所述试验方法，采用筛分法进行。细度模数为0.1左右。砂的含泥量(即砂中粒径小于0.075 mm的颗粒含量)对混凝土性能的影响较大，是混凝土用砂重点控制指标，所以必须严谨、准确地测定砂的含泥量。疏浚砂含泥量分析试验依据GBT 14684—2011《建筑用砂》所述，采用淘洗法进行。结果表明，砂样含泥量25.6%，淘洗后小于0.075 mm部分如图2所示。

图1 江砂砂样粒径分布

图2 砂样淘洗后小于0.075 mm部分

疏浚砂的颗粒形貌采用Nikon ECLIPSE E200MV POL偏光显微镜进行颗粒形貌分析(图3)。从图3可知，砂样整体呈现透明或半透明形态颗粒独立，颗粒之间无黏结，颗粒晶体透明，边缘平直光滑，由于表面圆滑，所以颗粒摩擦力较小，团聚力很小，塑性较差。

图3 疏浚砂颗粒形貌

1.2 试验方法

本研究砂浆配合比为：每立方米砂浆中胶凝材料总量为397 kg，粉煤灰对水泥的替代量分别为0%、10%、20%和30%，水胶比0.6(砂浆流动度在110～120 mm)，胶凝材料总量和砂用量比例分别为1:1.5、1:2、1:2.5。按照一定的配合比称取疏浚砂、水泥、粉煤灰等物料，加入JJ-5型水泥胶砂搅拌机内干拌均匀，再加入水湿拌3 min，同掺0.5%减水剂。将拌和物加入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三联试模，采用HZJ-A混凝土振动台分2次振动成型，每次振动1 min。成型后在试模表面覆盖薄膜，24 h后脱模。由于要替代抛石使用，试件须具有良好的抗水侵蚀性能，脱模后试件直接采用浸水养护的方式养护至规定龄期进行检测。

2 试验结果及分析

2.1 灰砂比对砂浆力学性能的影响

灰砂比对砂浆的性能有一定的影响。在保证性能的前提下，尽量增加砂子的用量，最大限度地利用疏浚废弃砂。分别以1:1.5、1:2和1:2.5的灰砂比配制试样进行检测，结果如图4所示。从图4可知，随着疏浚砂掺量的增加，试件抗压和破裂抗拉强度降低。随着砂子用量的增加，包覆在骨料周围和充斥在间隙中的胶凝材料相对减少。由于砂子在砂浆中主要起骨架作用，随着砂子掺量的增加，强度有所下降，但不明显，灰砂比从1:1.5下降到1:2时，试件28 d抗压和劈裂抗拉强度分别降低10.3%和5.2%。随着砂子用量的继续增加，砂子周围的胶凝材料相对减少，其黏结能力降低，将砂子胶结在一起的能力减小，基体强度随之显著降低。灰砂比从1:2下降到1:2.5时，试件28 d强度分别降低减小23.1%和11.1%。综合考虑，选择1:2的灰砂比进行试验。

图4 灰砂比对砂浆性能的影响

2.2 粉煤灰掺量对砂浆力学性能的影响

特细砂水泥基材料在配制和设计中应遵循低砂比例、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降低水泥用量)、采用高效减水剂降低用水量等原则。本研究取灰砂比1:2，水胶比0.6，以粉煤灰对水泥的替代量分别为0%、10%、20%和30%拌制成型，试件3、28和90 d抗压和劈裂抗拉强度如图5所示。

图5 粉煤灰掺量对砂浆力学性能的影响

经验表明，掺入适量粉煤灰可以降低水泥用量和用水量，改善和易性[9]。从图5可知，加入粉煤灰显著降低早期强度，但后期强度下降变缓。粉煤灰具有良好的火山灰效应，有利于试件后期强度的增加，同时粉煤灰中的活性氧化钙、氧化硅和氧化铝等成分可与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次水化反应，使粉煤灰活性大幅度提高，生成碱度较小的水化硅酸钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙等产物，水化硬化后对强度的贡献会增大，使水泥基材料强度进一步提高。但随着粉煤灰替代量的继续增加和水泥掺量的减少，试件的碱度降低，导致水化效应生成的胶凝物质减少，胶结作用的减弱使得水泥基材料力学性能不佳，由此引起试件强度的下降。当粉煤灰的替代量为30%时，与不掺加粉煤灰相比，试件28 d抗压和劈裂抗拉强度分别为30.1和3.6 MPa，降低36.2%和23.4%。综合考虑，选择30%的粉煤灰替代量进行后续研究。

2.3 早强剂对疏浚砂砂浆力学性能的影响

为了达到快速抛投的目的，在保证质量的前提下，减少试件的养护时间、加快模具周转率、提高生产效率，需要配制基于疏浚砂早强快凝砂浆，使其成型后24 h之内可以直接抛投使用。通过掺加早强剂的方法快速提高混凝土早期强度，获得早期强度高、可快速脱模并投入使用的疏浚砂砂浆。为使块体快速成型并能投入使用，优选无水硫酸钠、三乙醇胺和碳酸锂等早强剂进行不同早强剂掺量下试件12 h、3 d和28 d的强度检测(表1)，其中试样灰砂比为1:2，粉煤灰替代量30%，水胶比0.6。

表1 不同早强剂对疏浚砂砂浆性能的影响

从表1可知，硫酸钠可以显著提高水泥基材料的早期强度，但相对于空白样后期强度有一定的倒缩。要获得较优的早期强度，硫酸钠的适宜掺量为1.5%左右；掺加碳酸锂试件各龄期强度均有一定程度的增加，与空白样相比掺0.3%的碳酸锂，1、3和28 d龄期抗压强度分别增加23.8%、20.5%和13.7%；掺加三乙醇胺试件的早期强度增加明显，后期强度无明显变化，仅有微量降低。

2.4 技术经济分析

将疏浚砂浆与普通C30混凝土进行技术经济比较，不同材料综合费用见表2。

表2 普通C30混凝土和疏浚砂砂浆综合费用比较

从表2可知，以运距为100 km计，与公路运输和水路运输普通C30混凝土相比，疏浚砂砂浆的成本分别降低59.0%和54.8%，同时还可以大量使用粉煤灰等工业废渣。以航道工程疏浚砂制备水工材料符合国家节能减排政策，且具有较大的经济优势。将港航工程疏浚砂资源通过固化等技术制备成水工材料，就地应用于航道整治工程建设中，在避免堆置等处置的同时也减少土地占用，降低工程造价，解决了固体废弃物的二次污染问题，并可有效缓解航道整治等工程对环境的影响，具有显著的社会和经济效益。

3 结论

1)以细度模数为0.1左右、含泥量25%的长江疏浚砂为原料，制备能快速成型、强度高、抗水侵蚀性能优良的绿色疏浚砂砂浆，在灰砂比1:2，水胶比0.6，粉煤灰替代量30%时，其28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别达到30.1和3.6 MPa，可以替代C30混凝土使用。该材料有望替代普通抛石材料应用于航道整治工程，为航道整治疏浚砂的资源化利用提供了一条有效途径。

2)为了获得早期强度高、可快速脱模并投入使用的疏浚砂水泥基材料，优选无水硫酸钠、三乙醇胺和碳酸锂等早强剂进行不同早强剂掺量下试件12 h、3 d和28 d的强度检测，结果表明硫酸钠可以显著提高砂浆的早期强度，但相对于空白样后期强度有一定的倒缩；掺加碳酸锂试件各龄期强度均有一定程度的增加，与空白样相比掺0.3%的碳酸锂，1、3和28 d龄期抗压强度分别增加23.8%、20.5%和13.7%；掺加三乙醇胺试件的早期强度增加明显，后期强度无明显变化。

3)以运距100 km计，对比公路和水路运输普通C30混凝土，使用疏浚砂砂浆的成本分别降低59.0%和54.8%，同时可以大量使用粉煤灰等工业废渣。以航道工程疏浚砂制备水工材料符合国家节能减排政策，且具有较大的经济优势。