基于废弃超细砂的细粒混凝土性能试验研究

宋云涛，董光辉，徐雪鸿，芦安平，江朝华

(1.长江南京航道工程局，南京 210011； 2.河海大学 水利学科专业实验教学中心，南京 210098)

1 研究背景

随着国民经济和社会经济的迅猛发展，人们对生态、环境保护的要求越来越高。传统的开山采石方式，因爆破采石造成山体破坏、植被锐减，导致严重的水体、空气污染和生态环境破坏而逐渐受到限制，天然砂石材料面临严重短缺和枯竭。另外，各种航道整治工程如长江中下游疏浚工程产生大量疏浚砂，陕北等沙漠地区也分布着大量的超细砂。这些砂子细度小，通常细度模数<0.7，比表面积、空隙率和吸水量大。利用废弃超细砂制备混凝土替代普通混凝土，可以减少土地占用，降低工程造价，有效缓解天然砂石材料短缺或枯竭问题，具有广阔的应用前景和良好的生态效益。

细粒混凝土也称无粗骨料混凝土，主要由水泥、砂、填料和高效减水剂组成，其中砂替代普通混凝土中粗骨料，填料(粉煤灰、矿粉、石灰石等细颗粒)替代普通混凝土中的细骨料，水泥为胶凝材料，同时必须掺入高效减水剂降低用水量[1]。目前细粒混凝土主要应用于粗骨料匮乏而砂蕴藏量丰富的沙漠等地区。研究表明以细度模数为1.18左右的沙漠沙为主要原料制备压实细粒混凝土，当水泥和石灰石掺量分别为350 kg/m3和200 kg/m3时，混凝土的抗压强度可达16.0 MPa[2]。Belhadj等[3]发现细粒混凝土的力学性能和断裂性能受砂的物理性能如棱角形状、最大直径和粒径分布等的影响。Karima等[4]将细粒混凝土作为一种新的修复材料，发现其立方体试件的粘结强度显著提高，达到3.17 MPa。

在细粒混凝土的组合物中必须使用填料，以确保所需的密实度，并因此获得足够的强度[5]。目前，细粒混凝土中最常用的填充材料是石灰石粉，作为一种废弃物集料的破碎物，其不仅容易获得而且环保。此外粉煤灰等火山灰材料具有火山灰性质，研究表明将粉煤灰作为掺合料加入混凝土中有助于发挥填充作用，促进试件密实度和强度的提高。因此可将粉煤灰作为细粒混凝土填料，充分发挥其填充和火山灰双重作用[6-7]。

本文首先基于干混试样最大堆积密度检测不同粉煤灰掺量对干混试样密度的影响，然后研究粉煤灰掺量对细粒混凝土不同龄期抗压强度、劈裂抗拉强度和浸水强度的影响，并以同等强度普通混凝土为对比进行了经济分析，为废弃超细砂的资源化利用提供有效途径。

2 试验材料及试验方法

2.1 原材料

试验所用废弃超细砂来自长江中下游航道整治工程，其pH值为7.67，呈弱碱性，含水率为5.04%，经全部风干后方可用于试验。废弃超细砂取样现场、颗粒形貌分别见图1和图2，废弃超细砂化学成分和颗粒级配分别见表1和表2。

图1 废弃超细砂取样现场Fig.1 Sampling site of waste ultra-fine sand

图2 废弃超细砂颗粒形貌Fig.2 Morphology of waste ultra-fine sand

表1 废弃超细砂化学成分Table 1 Chemical composition of waste ultra-fine sand

表2 废弃超细砂颗粒级配分布Table 2 Particle size distribution of waste ultra-fine sand

由图2可知，废弃超细砂颗粒独立，颗粒之间无粘结，颗粒晶体透明，边缘平直光滑，颗粒棱角比较圆滑，可见该废弃超细砂颗粒间摩擦力小，团聚力小，塑性差。

由表1可知，超细砂中SiO2、Al2O3含量比较高，分别达68.73%和11.33%，其次为CaO、Fe2O3、MgO、K2O和Na2O。废弃超细砂中以上7种主要成分含量达98.9%，说明其他物质及有机质含量较少。

由表2可知，废弃超细砂<0.075 mm的颗粒仅占总质量的1.29%，少于10%；其颗粒主要分布于0.15～0.3 mm范围，含量高达78.55%。经计算,该废弃超细砂细度模数为0.82；X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)分析表明废弃超细砂中石英、长石等原生类矿物的特征峰最为明显，为主要矿物。废弃超细砂中的SiO2主要以石英和长石晶体存在。

试验中水泥为海螺水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥；Ⅱ级粉煤灰，密度为923 kg/m3，需水量比为104%；减水剂为交通运输部南京水利科学研究院自制的聚羧酸高效减水剂。

2.2 试验方法

细粒混凝土的强度与干混试样的密实度密切相关，即与粉煤灰填料含量密切相关。干混试样最大堆积密度检测方法为：固定水泥用量为400 kg/m3，改变粉煤灰掺量，然后添加废弃超细砂，将水泥、粉煤灰、砂三者混合，在JJ-5型水泥净浆搅拌机内搅拌3 min至均匀，然后在HZJ-A振动台振动约1 min，掺入超细砂重复搅拌和振动直至达到预设体积500 mL为止，随后测定干混试样的堆积密度。

按照一定配合比，称取废弃超细砂、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0.45%减水剂。将拌合物加入100 mm×100 mm×100 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，脱模后试件在标准条件下养护至规定龄期；强度测试依据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)在SHT4305型微机控制电液伺服万能试验机进行。

图3 干拌物密度与粉煤灰 掺量的关系曲线Fig.3 Relation between density and fly ash content

3 试验结果及分析

3.1 粉煤灰掺量对细粒混凝土干混密度的影响

固定水泥掺量为400

kg/m3，改变粉煤灰掺量，而废弃超细砂则添加到水泥、粉煤灰、砂三者混合物经干拌振捣密实后体积达到500 mL为止，随后测定干混物料量并计算其密度。干拌物密度与粉煤灰掺量的关系见图3。

由图3可知，随着粉煤灰掺量的增加，干拌物料的堆积密度随着粉煤灰掺量的增加先增加后减少，存在一个峰值。粉煤灰掺量约为400 kg/m3时，干拌物料密度达到最大值，为2 120.3 kg/m3，此时粉煤灰和水泥的掺量之比约为1∶1。粉煤灰和水泥细颗粒首先填充在超细砂颗粒之间，随着粉煤灰掺量的增加，干拌物料的堆积密度不断增加。当超细砂颗粒之间的空隙逐渐填满后，继续添加的粉煤灰颗粒则将占据砂粒体积空间，在预设固定体积下这将导致废弃超细砂用量的降低，因而干拌物的密度随着粉煤灰掺量的增加而减小。故粉煤灰存在最佳掺量，约为400 kg/m3。

3.2 粉煤灰掺量对细粒混凝土抗压强度的影响

本试验固定水胶比为0.38，减水剂掺量为0.45%。通过调整粉煤灰的掺量，研究不同粉煤灰和废弃超细砂配合比对细粒混凝土试件7、14、28 d抗压强度的影响。各组试件配合比见表3，抗压强度试验结果见图4。

表3 细粒混凝土配合比Table 3 Mix proportion of fine concrete specimen

图4 粉煤灰掺量对细粒混凝土抗压强度的影响Fig.4 Influence of fly ash content on compressive strength of fine-grained concrete

从图4可知，随着粉煤灰掺量的增加，试件各龄期抗压强度先增加后减少，呈火山型曲线。当粉煤灰掺量为16.6%时，7、14、28 d抗压强度均达到最大值，分别为13.23、19.14、22.56 MPa。此时粉煤灰和水泥的掺量之比为1∶1，粉煤灰掺量对强度影响的趋势与干拌物料最大堆积密度检测结果基本一致。当粉煤灰掺量超过16.6%时，继续增加粉煤灰，试件抗压强度逐渐变小，粉煤灰掺量为34.0%时，较之不掺加粉煤灰，试件7、14、28 d抗压强度分别下降8.4%、10.9%和8.8%。

随着水化的进行，水泥中的硅酸三钙C3S和硅酸二钙C2S与水反应水化生成硅酸钙、水化硫铝酸钙以及水化铁酸钙和氢氧化钙Ca(OH)2，Ca(OH)2达到一定浓度后将不断侵蚀粉煤灰微珠，与粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3反应，生成水化硅酸钙和铝酸钙凝胶。随水化反应进行，水化硅酸钙凝胶与Ca(OH)2沉淀共同组成“双膜层”，与水泥浆体紧密结合并使之更加密实。在细粒混凝土中掺加粉煤灰一方面可以发挥细颗粒的填充作用形成密级配，另一方面粉煤灰具有良好的火山灰特性，物理和化学的双重作用可以更好地提高混凝土的抗压强度。另外水泥中的磷酸三钙可以进一步与粉煤灰反应，由于颗粒紧密级配和水泥水化的物理和化学双重作用，生成碳铝酸钙晶体，从而有效促进细粒混凝土早期强度的发展。

3.3 粉煤灰掺量对细粒混凝土劈裂抗拉强度的影响

本试验固定水胶比为0.38，减水剂掺量为0.45%。通过调整粉煤灰的掺量，研究不同粉煤灰和废弃超细砂配合比对细粒混凝土各龄期试件劈裂抗拉强度的影响。表3为各试件的配合比，细粒混凝土各龄期劈裂抗拉强度试验结果见图5。

图5 粉煤灰掺量对细粒混凝土劈裂抗拉强度的影响Fig.5 Effect of fly ash content on splitting tensile strength of fine-grained concrete

从图5可知，随着粉煤灰掺量的增加，细粒混凝土各龄期试件劈裂抗拉强度先增加后减少。粉煤灰掺量为16.6%时，7、14、28 d龄期试件对应的劈裂抗拉强度分别为1.14、1.74、2.01 MPa，此时粉煤灰和水泥的掺量之比仍为1∶1。粉煤灰掺量超过16.6%时，细粒混凝土试件劈裂抗拉强度随粉煤灰掺量增加反而下降。当粉煤灰掺量为34.0%时，试件7、14、28 d劈裂抗拉强度分别降低到0.85、1.32、1.74 MPa，略高于不掺粉煤灰情况下对应龄期试件的劈裂抗拉强度(分别为0.71、1.28、1.67 MPa)。

适量的粉煤灰在细粒混凝土拌制阶段通过填充作用可以使泥颗粒“解絮”扩散，从而增加浆体的密实度；在浆体硬化阶段，粉煤灰则充分发挥物理和活性充填料作用。以上作用可以有效减小细粒混凝土中孔隙体积及较粗的孔径尺寸，使细粒混凝土劈裂抗拉强度得到提高。然而，粉煤灰颗粒本身呈球状而光滑，掺入到细粒混凝土后将减小其内摩阻力，提高细粒混凝土的流动性，过量粉煤灰的掺入将破坏浆体的合理级配，对试件的劈裂抗拉强度产生不良影响。因而细粒混凝土试件劈裂抗拉强度与干混试样最大堆积密度检测出现类似趋势，即先增加后减少，从而导致细粒混凝土试件劈裂抗拉强度随粉煤灰掺量的增加先上升后下降的结果。

3.4 粉煤灰掺量对细粒混凝土浸水抗压强度的影响

本试验通过调整粉煤灰的掺量，研究粉煤灰不同掺量对细粒混凝土试件各龄期试件浸水抗压强度的影响。各龄期试件浸水抗压强度试验结果如图6所示。

图6 粉煤灰掺量对细粒混凝土浸水抗压强度的影响Fig.6 Influence of fly ash content on compressive strength of fine-grained concrete after immersion

从图6可知，随着粉煤灰掺量的增加，细粒混凝土试件各龄期浸水强度呈现先增加后减少的趋势。粉煤灰掺量为16.6%时，7、14、28 d试件浸水强度分别为12.43、17.80、21.31 MPa，为最大值，此时粉煤灰和水泥的掺量之比仍为1∶1。随着粉煤灰掺量的继续增加，细粒混凝土试件浸水抗压强度呈下降的趋势。试件各龄期浸水抗压强度变化主要是由于各组分间存在“梯度水化效应”：水化初期细粒混凝土强度增长主要是由于水泥的水化，同时其水化产物会促进粉煤灰的水化；一定时期后粉煤灰的水化将加快，并成为强度增长的主要来源。细粒混凝土中SiO32-和SO42-离子可取代CO32-离子而分别生成硅酸钙和钙矾石，同时细粒混凝土中存在的碳酸钙又会加速硅酸钙的水化反应，从而有效调整水化硅酸钙中Ca与Si的质量比。另一方面，在硅酸钙水化过程中，碳酸钙又能对水泥水化起促进作用，产生水化碳铝酸钙。水化硅酸钙、钙矾石及水化碳铝酸钙的生成都将提高细粒混凝土的浸水抗压强度。

3.5 细粒混凝土X射线衍射分析

对掺加16.6%粉煤灰的细粒混凝土标准养护7、14、28 d的试件分别进行XRD分析，结果见图7。

图7 样品XRD分析结果Fig.7 Results of XRD analysis of samples

从图7可以看出，7 d龄期样品中的主要矿物为石英，同时含有一定量氢氧化钙、钙矾石和水化硅酸钙。14 d龄期样品中主要矿物石英的衍射峰强度相比7 d龄期样品有所下降，而水化硅酸钙和钙矾石的衍射峰强度均有所增强，样品中仍含有少量氢氧化钙。随着龄期的进一步增长，样品中石英和氢氧化钙的衍射峰强度进一步下降。在28 d龄期样品中石英和氢氧化钙衍射峰强度达到3种龄期样品中的最低值，而样品中水化硅酸钙和钙矾石衍射峰强度进一步增强，原因为石英中的SiO2和游离Ca2+发生反应而生成了Ca与Si的质量比更低的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，并生成了钙矾石，且两者排列更加有序，有助于强度的增长，这和强度试验结果相吻合。

3.6 经济分析

与普通混凝土相比，细粒混凝土具有很高比例的砂用量、较低的水泥用量和低水灰比，同时比普通砂浆具有更高的抗压强度等力学性能。以废弃超细砂为主要原料时，与普通C20混凝土相比，废弃超细砂混凝土单方造价大致计算如表4所示。其中单方废弃超细砂的运出费按20元/t计。

表4 普通C20混凝土和废弃超细砂混凝土单方 造价比较Table 4 Comparison of cost between C20 concrete and fine grained concrete

从表4可知，与基准C20混凝土相比，单方超细砂细粒混凝土生产成本降低45.1%，同时可以大量使用粉煤灰等工业废渣。

4 结 论

(1)废弃超细砂细粒混凝土是一种新型混凝土，其中超细砂替代普通混凝土中的粗骨料，粉煤灰替代普通混凝土中的细骨料，水泥为胶凝材料，同时必须掺入高效减水剂降低用水量。由于颗粒紧密级配和水泥及粉煤灰水化的物理和化学双重作用，该超细砂细粒混凝土具有良好的性能。当水泥掺量为16.6%、粉煤灰掺量为16.6%、废弃超细砂掺量为66.8%、水胶比为0.38、减水剂掺量为0.45%时，试件28 d抗压、劈裂抗拉和浸水抗压强度分别为22.56、2.01、21.31 MPa。XRD分析表明制备的细粒混凝土含有大量的水化硅酸钙和钙矾石等水化产物。

(2)与基准C20混凝土相比，单方超细砂细粒混凝土生产成本降低45.1%，同时可以大量使用粉煤灰等工业废渣。该细粒混凝土以砂为主要原料，不使用石子等粗骨料，大量利用废弃砂，可以有效缓解天然砂石材料的短缺和枯竭，替代普通混凝土制备压载块等就近应用于航道整治工程，具有显著的经济价值和广阔的应用前景。