开封段黄河泥沙混凝土力学性能试验研究

方 琳，李长明，陈 诚，闫国新，张亚坤，柴枭雄，张英豪

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004； 2.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045；3.河南省黄河流域环境保护与修复重点实验室，河南 郑州 450003；4.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

1 引 言

泥沙淤积、河床抬升，是近百年来困扰黄河中下游地区经济和社会发展的难题，随着“黄河流域生态保护和高质量发展”上升为重大国家战略，解决好黄河泥沙问题、确保黄河安澜已成为事关黄河流域经济社会高质量发展的重大课题。 若能科学有效地解决黄河中下游地区的泥沙问题，确保行洪安全，保障河道通畅的同时，又能对黄河泥沙进行科学处理，实现其资源化利用，则可有力地支持沿黄地区基础设施建设及中原城市群发展。 通过查阅相关文献，关于黄河泥沙以往的研究主要侧重于泥沙产生、淤积规律和治理技术等方面［1－3］，随着沿黄经济的不断发展，砂石料市场的缺口日益扩大，黄河泥沙的资源属性和价值逐渐显现。近年来关于黄河泥沙的资源化利用，部分学者开展了黄河泥沙在制作备防石、墙体砖、空心砖、彩陶制品、多孔材料等方面的研究［4－9］，但有关黄河泥沙在混凝土中的应用研究不多，关超等［10－14］以不同含量黄河泥沙取代部分中砂，研究了黄河泥沙混凝土的相关性能，但试验所用黄河泥沙为小浪底库区附近泥沙，细度模数为0.6～0.8。 近年来黄河水流量变小，黄河中下游沙土越来越细，沙土的颗粒级配变化对混凝土性能有着直接的影响，目前还无人对开封段黄河河床的泥沙在混凝土中的应用进行研究。

在黄河开封段，每年河道整治和生态清淤等会产生数量庞大的泥沙，若不妥善处理，不仅会引起环境问题，还会造成资源浪费。 鉴于此，本文开展黄河开封柳园口泥沙作为混凝土细集料的可行性研究，研究黄河泥沙在混凝土中替代机制砂的比例对混凝土力学性能等的影响［15－17］。 在选定黄河泥沙最大替代比例工况下，用粉煤灰替代一定比例水泥，研究黄河泥沙与粉煤灰的相适性，以期为黄河下游河段两岸建筑市场对于黄河特细沙的大量应用提供科学依据。

2 试 验

2.1 试验原料

（1）水泥。 试验采用的水泥为新乡卫辉市春江水泥厂生产的强度等级为P·O 42.5R 级水泥，其性能指标见表1。

表1 水泥性能指标

（2）砂（细骨料）。 试验采用细骨料有开封市建材市场购买的新乡机制砂和黄河开封柳园口段生态清淤产生的黄河泥沙，机制砂及黄河泥沙物理性能指标见表2。

表2 细骨料物理性能指标

（3）石子（粗骨料）。 试验采用的粗骨料是在开封市建材市场购买的新乡碎石，其物理性能指标见表3。

表3 粗骨料物理性能指标

（4）粉煤灰。 试验采用的粉煤灰为在开封市建材市场购买的华润电力F 类Ⅱ级灰，其性能检测结果见表4。

表4 粉煤灰性能检测结果

（5）外加剂。 本试验采用的外加剂为在开封市建材市场购买的郑州科贸FIN－T1。

2.2 试验设计

黄河泥沙以0%、10%、20%、30%、40%、50%、80%、100%等8 种比例替代机制砂，设计了8 种混凝土配合比方案，筛选出黄河泥沙替代机制砂的最优和最大替代比例。 在最大替代比例下，利用粉煤灰以10%、20%、30%、50%等4 种比例替代水泥，设计4 种混凝土配合比方案，研究黄河泥沙与粉煤灰的相适性。为了保证混凝土的和易性符合要求，在保证骨料用量、水灰比不变的情况下增加水泥浆用量，直至拌和出满足和易性要求的混凝土，其配合比见表5。

表5 混凝土配合比设计

每个编号制作4 组试件（养护龄期分别为3、7、14、28 d），每组6 块试件，将称好的原材料依次倒入混凝土搅拌机拌和均匀，拌制好后，测量混凝土的坍落度、扩展度，观察流动性、黏聚性、保水性并记录。 然后将混凝土放入100 mm×100 mm×100 mm 试模，在振动台上充分振捣成型（见图1），脱模放入养护室养护。按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB／T 50081—2019），进行立方体抗压强度试验。

3 结果与讨论

3.1 细骨料颗粒级配分析

细骨料的颗粒级配和细度模数曲线如图2、图3所示。 黄河泥沙粒径极细、级配差、细度模数（M＝0.032）偏小，机制砂的颗粒较粗、细度模数（M＝2.9）偏大，且黄河泥沙和机制砂的级配大部分不在二区内，适当加入黄河泥沙后可以相互弥补不足，使细骨料的颗粒级配更好，但随着黄河泥沙替代比例的增大，混合砂的细度模数逐渐变小，当黄河泥沙替代比例达到40%后混合砂细度模数M不在混凝土用砂的细度模数控制范围1.6～3.7 之间。

3.2 黄河泥沙对混凝土和易性的影响

在试验过程中，如果只调整黄河泥沙比例却不添加水泥砂浆，那么黄河泥沙替代比例为10%时，混凝土的和易性较好，其后随着黄河泥沙替代比例提高，混凝土的坍落度降低、扩展度变小且黏聚性、保水性变差（见表6），当黄河泥沙替代比例达到40%时，如不调整配合比将无法拌和出符合和易性要求的混凝土。 图4为不同黄河泥沙替代比例下拌和后的混凝土形态。

表6 混凝土和易性试验结果

黄河泥沙替代比例达到40%时，为了拌和出符合和易性要求的混凝土，在保证骨料用量、水灰比不变的情况下需调整配合比中水泥浆用量。 随着黄河泥沙的替代比例提高，水泥浆的使用量也会明显提高，在保证和易性满足要求的情况下，黄河泥沙替代比例与水泥浆用量的关系见图5。

3.3 黄河泥沙对混凝土抗压强度的影响

图6 为不同黄河泥沙替代比例下28 d 混凝土试块形貌。 根据试验序号1 ～8 混凝土试块的抗压强度（平均值）绘制黄河泥沙替代机制砂比例与混凝土试块抗压强度曲线图（见图7）。 由图7 可以看出黄河泥沙的替代比例对7、28 d 龄期的混凝土试块抗压强度影响较大。 28 d 龄期的混凝土试块抗压强度（平均值）在黄河泥沙替代比例为10%时达到峰值，比普通混凝土增大5%；其后随着黄河泥沙替代比例的上升而下降；黄河泥沙的替代比例为20%时混凝土试块的抗压强度（平均值）与普通混凝土基本相同；当黄河泥沙替代比例达到50%（增加水泥浆用量）时，混凝土抗压强度处于C30 混凝土抗压强度的临界值。 综合考虑细骨料的颗粒级配、安全性和经济性，选取黄河泥沙替代比例20%、30%为最优替代比例、最大替代比例。

3.4 黄河泥沙与粉煤灰的相适性

粉煤灰替代水泥比例与混凝土试块抗压强度关系曲线如图8 所示。 由图8 可以看出，粉煤灰的替代比例对28 d 龄期的混凝土试块抗压强度影响较大；28 d龄期的混凝土试块抗压强度随粉煤灰替代比例提高呈现先增大后减小的变化趋势，粉煤灰替代比例小于20%时，混凝土试块的抗压强度随着粉煤灰替代比例上升而增大，其后随着粉煤灰替代比例的上升而减小；当粉煤灰替代比例达到30%时（增加水泥浆用量）混凝土抗压强度与普通C30 混凝土抗压强度相当。 可见，粉煤灰最大替代比例不宜超过30%，在此替代范围内，黄河泥沙与粉煤灰在混凝土中的相适性良好。

4 结 论

（1）通过试验可知，开封柳园口段黄河泥沙粒径极细、级配差、细度模数小，机制砂细度模数偏大，两者按一定比例掺和可以相互弥补不足，改善细骨料的颗粒级配和细度模数。

（2）黄河泥沙替代机制砂比例为10%时，28 d 龄期的混凝土试块抗压强度比普通混凝土增大5%；当黄河泥沙替代比例超过10%后，混凝土抗压强度呈下降趋势，当黄河泥沙替代比例不超过30%时，混凝土的各项性能均符合要求。 当黄河泥沙替代比例超过40%时需水量增加，若不改变配合比则无法拌和出满足和易性要求的混凝土；综合考虑细骨料的颗粒级配、安全性和经济性，确定了黄河泥沙替代比例20%、30%为最优替代比例、最大替代比例。

（3）黄河泥沙最大替代比例30%时，黄河泥沙与粉煤灰在混凝土中的相适性良好；粉煤灰替代比例为20%时28 d 龄期的混凝土试块抗压强度（平均值）达到峰值；当粉煤灰替代比例达到30%时（增加水泥浆用量）混凝土抗压强度处于C30 混凝土抗压强度的临界值。 因此，使用黄河泥沙替代机制砂拌制混凝土时，粉煤灰替代水泥比例应以20%为宜。

5 展 望

黄河泥沙作为一种矿产资源，在目前砂石料紧缺的形势下，作为机制砂替代品进入建材市场，不仅为黄河下游减沙的有效途径，也可以降低建筑成本。 以开封市区为例，据估算1 a 砂料需求量约为500 万t，如果混凝土搅拌站可使用黄河泥沙比例为20%，全市每年可节省成本约5 000 万元。 所以，合理利用黄河泥沙资源对缓解黄河下游沿黄地区建筑材料紧缺局面，具有十分重要的经济价值和良好的社会效益，符合黄河流域生态保护与高质量发展国家战略。