含泥量及成型工艺对疏浚砂水泥基材料力学性能和耐久性的影响

(1.河海大学 疏浚技术教育部工程研究中心，南京 210098； 2.长江保护与绿色发展研究院, 南京 210098；3.南京市长江河道管理处，南京 210011； 4.南京市江宁区赵村水库管理所，南京 211199)

1 研究背景

为确保黄金水道通航效率，整个长江干线平均每年需要疏浚的浅滩有50多处，每年的疏浚量约8 000万m3。随着长江下游南京河段以下12.5 m深水航道全线贯通，长江下游航道的维护要求进一步提高，每年长江下游航道维护的疏浚量巨大，2021年长江江苏段计划维护性疏浚1 703万m3。传统处置方法通常是将航道疏浚砂土装运抛入指定的长江深槽水域，或直接抛入疏浚地点附近的深槽，未能有效利用并造成大量的资源浪费，导致水资源的二次污染。此外，疏浚砂的处置涉及尾水排除、转运方式、弃址选取、生态环境影响等多个环节与问题[1]。对疏浚砂的简单粗放型处置方式，与强调节约资源、绿色开发的时代形势背道而驰。

目前对于疏浚砂土的资源化利用主要包括吹填造陆[2]、高温烧结制砖制陶[3-4]、固化处理制备水泥基材料[5-6]等。随着国家对环境的重视，围海造地等方式受到限制；高温烧结陶粒导致二次污染，而疏浚砂土的建材化利用为切实可行的方法。将疏浚砂“变废为宝”用于水运、公路等工程建设，从根本上改变以往将大量疏浚砂土直接外抛的简单做法，对促进长江生态保护将起到积极作用。但长江下游疏浚砂细度模数通常为0.1～0.3，为极细砂，工程利用价值差。以其作为主要原料制备水泥基等材料替代普通混凝土，需要解决浆体需水量大、制备的块体容易收缩开裂、强度低等问题[7]。

现有关于以极细砂替代细骨料制备水泥基材料的研究较少。宋云涛等[8]基于废弃超细砂制备细粒混凝土，结果表明掺加粉煤灰16.6%时，细粒混凝土的28 d抗压强度、劈裂抗拉强度和浸水强度达到最优，对比普通C20混凝土大幅降低成本；罗文东等[6]以超细砂制备高强砂浆，发现复掺粉煤灰和硅粉掺量为18%和6%时，所制备高强砂浆具有良好的抗压、抗折强度和水稳定性能；陈金武[9]以大沙河综合治理生态护岸工程为例，测定了特细砂混凝土的坍落度、抗压强度及抗渗性能，得到了能够满足当地水利生态护岸工程建设要求的配合比方案。

本文以长江下游疏浚砂为试验材料，选用不同含泥量的疏浚砂样，分别采用振动成型和半干法压制成型方法制备水泥基材料，通过检测不同龄期试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗水侵蚀和抗冲磨耐久性等物理、力学和耐久性能，探索长江下游极细疏浚砂的高效、科学、资源化利用。

2 试 验

2.1 试验原材料

试验所用水泥为普通硅酸盐P.O42.5水泥，执行《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)。粉煤灰为 Ⅱ 级粉煤灰，执行《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)。减水剂采用聚羧酸型减水剂。

试验采用的极细疏浚砂均取自长江下游南京河段某沙洲汊道段，依据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)所述，采用筛分法进行粒度分布试验，得到粒径分布如图1所示。A砂样和B砂样细度模数分别在0.3和0.1左右，均属于超细沙。依据《建筑用沙》(GB/T 14684—2011)所述，采用淘洗法进行试验分析得A砂样含泥量为6.5%，B砂样含泥量为25.8%，测得两砂样松散堆积密度分别为1 210 kg/m3和1 162 kg/m3。此外，为更好地探索含泥量的变化所带来的相关影响，试验中增加了一组含泥量为12%的自配疏浚砂样C组进行对比。

图1 长江下游疏浚砂样粒径分布Fig.1 Particle size distribution of dredged sand samplesfrom the downstream of Changjiang River

2.2 试验方法

试验各组砂浆配合比为水灰比0.6，灰砂比1∶2，减水剂掺量0.5%，并以粉煤灰等量替代30%水泥用量，以改善水泥基材料性能。采取振动成型工艺，将物料按一定配比干拌混合均匀后，将减水剂倒入混合料，加水湿拌至均匀。将搅拌均匀的混合物料装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm成型模具中，分两次进行振动成型，放置24 h脱模，定期洒水养护。

所采取的半干法成型工艺中，除不掺用减水剂外，配合比与前述振动成型工艺试验相同；将物料以相同的配比干拌2 min后加水湿拌均匀，接着加入模具，在压制机械下分段加压至规定压力后恒压2 min，卸压后拆除模具，定期洒水养护。

试件的抗压强度、劈裂抗拉强度依据《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)，以3个试件为一组，分别养护至3、28、90 d龄期进行抗压强度、劈裂抗拉强度的检测；试件的软化系数参照《混凝土小型空心砌块试验方法》(GB/T 4111—2013)进行检测；试件流动度和抗冲磨性能依据《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)进行测定。

3 试验结果及分析

3.1 振动成型工艺下不同含泥量对试件力学性能的影响

疏浚砂水泥基材料经混合搅拌，振动成型后，水化生成的水化硅酸钙、水化铁酸钙凝胶以及氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙等晶体将疏浚砂颗粒胶结在一起，形成密实的三维空间网络，使水泥石结构更致密，并有效促进水泥基材料强度的增长。

图2 振动成型工艺下含泥量对水泥基材料力学性能的影响Fig.2 Effect of mud content on mechanical propertiesof cement-based materials under vibration molding

在振动成型工艺下，试件抗压强度、劈裂抗拉强度力学性能测试结果如图2所示。随着材料含泥量的增加，试件的28 d抗压强度、劈裂抗拉强度呈明显降低趋势。含泥量为6.5%的试件较含泥量为25.8%的试件3 d、28 d和90 d抗压强度分别提高24.8%、29.5%和18.8%，分别可达18.1、35.1、44.8 MPa；3 d和28 d劈裂抗拉强度分别提高12.5%和13.7%，为2.7 MPa和3.98 MPa。

3.2 振动成型工艺下不同含泥量对水泥基材料耐久性能的影响

在港航工程中，护岸建筑物常受到水流紊动、波浪冲击等侵蚀冲磨，因此要求建筑材料有较高的软化系数及优良的抗冲磨性能。

在振动成型工艺下，对疏浚砂水泥基材料耐久性能进行测定，试验结果如表1所示。疏浚砂水泥基材料具有较好的抗水侵蚀性，含泥量的升高对水泥基材料的耐久性能有不良影响，相较于含泥量较高的疏浚砂试样B(含泥量为25.8%)，含泥量为6.5%的疏浚砂试样A拥有更高的流动度，其抗冲磨强度提高了31.6%，可达12.5 h/(kg/m2)，质量损失率降低了20.0%，可达8.4%。在此方法下制备的疏浚砂水泥基材料的抗冲磨强度，均能达到普通C40混凝土水平[10]。除此之外，由于无需加入粗骨料，疏浚砂水泥基材料试件密度较小，均为2 000 kg/m3左右。

表1 不同含泥量对水泥基材料耐久性能的影响Table 1 Effect of mud content on durability ofcement-based materials

3.3 半干法成型工艺下不同含泥量对试件力学性能的影响

分别使用上述3种疏浚砂样作为原材料，以最高压制强度20 MPa进行半干法压制成型。

试验过程中发现，由于砂粒比较松散，粘结差，压制无法成型，低含泥量A砂样(6.5%)的试件脱模后随即破坏，即使加入碳酸锂早强剂静置90 min后，也无法有效成型。而对于另两组试件，半干法压制下均可成型，其抗压强度与劈裂抗拉强度结果如图3所示，含泥量的增加有利于压制成型试件强度的增长。对含泥量为25.8%的B组疏浚砂，压制试件(图3)较振动成型(图2)试件28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高36.5%和25.7%，可达37.0 MPa和4.4 MPa，压制试件在机械力和化学双重作用下具有更高的力学强度。此外，半干法压制成型试件密度均在2 100 kg/m3左右。

3.4 成型工艺与含泥量对水泥基材料的影响

在制备水泥基材料的过程中，可采用振动成型与半干法压制成型方法。前者使得物料在高频振动下液化，进而在自重和外力约束下密集地填充于模具中，同时有效排出颗粒间的空气，形成密度均匀、强度可靠的工程材料；而后者则通过压力，将分散的固体颗粒最大限度地推近，并通过含有一定水分和其他黏结剂的表面，使物料颗粒间形成一定的键合(分子键、氢键)，从而成为具有一定强度的弹性体。

图3 半干法压制成型下含泥量对水泥基材料力学性能的影响Fig.3 Effect of mud content on mechanical propertiesof cement-based materials under semi-dry pressingmolding

表2 普通C30混凝土和疏浚砂水泥基材料综合费用比较Table 2 Comparison of cost between ordinary C30 concrete and dredged sand in preparing cement-based materials

《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)对砂的含泥量的定义是“天然砂中粒径<75 μm的颗粒含量”。在振动成型工艺下，疏浚砂中粒径较小的黏土颗粒因其较大的比表面积，将吸附大量的水分，随着疏浚砂样含泥量的增加，所制备的水泥基材料流动性降低，需水量增大，和易性较差(表1)，李亚静等[11]、李晓东等[12]、王晨晨等[13]有关水泥砂浆的研究也体现了这一特性。此外，泥料在振动过程中，骨料间黏性降低从而促进水泥水化反应，且随着疏浚砂细颗粒在振动下填充水泥基材料内部孔隙，优化材料内部结构，强度得以增长。但随着含泥量的增加，一方面降低了骨料与水泥之间的粘结力，另一方面，细颗粒聚集成泥团后形成软弱区域，裹挟其中的有机质等也影响着水泥的水化速率，从而导致水泥基材料强度的削减(图2)；胡晓曼等[14]、李俊文[15]、Norvell等[16]自配含泥量不同的砂制备水泥砂浆，发现含泥量越高，砂浆抗压强度显著降低；于涛等[17]以不同含泥量的砂制备C30、C40混凝土，发现含泥量在6.25%以上时，含泥量升高对混凝土的抗压强度有较大不利影响。

半干法压制成型工艺下，含泥量较低(6.5%)的疏浚砂样所制试件无法压制成型，而含泥量较高(12%和25.8%)的疏浚砂样所制水泥基材料，在机械力和化学的双重作用下，较其在振动成型工艺下，具有更高的抗压强度和劈裂抗拉强度。这是因为在半干法压制下，通过挤压出高含泥量材料拌合物中包裹的空气，减少气孔的数量，排出部分多余水分，消除浆体因化学收缩引起的部分微裂缝，细小的黏土颗粒在水分迁移和持续的高压作用下不断填充物料间的孔隙，依靠分子间吸引力产生了自然的黏结性，使得水泥基材料得以压制均匀成型，从而拥有更高的密度和强度。而含泥量过低的试件细颗粒较少，压制时物料间空隙难以被均匀填补而形成足够的黏结，容易产生分层与裂隙，进而无法有效成型。

在对长江下游疏浚砂的快速处理应用上，针对不同含泥量的疏浚砂，可采用不同的密实成型方式，半干法压制成型可以有效降低高含泥量对水泥基材料性能的不良影响。此外，依据不同含泥量的疏浚砂、不同成型条件下的试件抗压强度及耐久性，可充分扩大疏浚砂材料的使用范围,如制备小型预制构件护面砖、路面砖、路缘石等应用于航道整治工程、公路路基的水泥稳定层、轻质环保砖、景观混凝土工程等，为疏浚砂综合利用提供更广的使用环境。

3.5 技术经济分析

将上述疏浚砂样分别按照振动成型、半干法压制成型方法制备水泥基材料，并与普通C30混凝土进行技术经济分析对比，综合费用如表2所示。

较普通C30混凝土，在公路和水路两种运输方式下，振动成型疏浚砂水泥基材料可分别降低成本36.8%和33.0%，半干法压制成型疏浚砂水泥基材料可分别降低成本40.5%和37.1%。在力学性能、耐久性能接近，成本低廉的优势下，以疏浚砂为原料制备水泥基材料替代普通C30混凝土使用，就近应用于航道整治等工程建设，既解决了疏浚砂的处置难题，在制备过程中还可消耗大量粉煤灰等工业废料，与绿色环保的国家新发展理念相一致。

4 结 论

(1)分别在振动成型与半干法压制成型方法下，以相同配合比探究含泥量对水泥基材料力学性能的影响。振动成型方法下，由于泥料在振动过程中降低了骨料与水泥之间的粘结力，对所制水泥基材料力学性能有不良影响，含泥量较低(6.5%)的疏浚砂样较之含泥量较高(25.8%)的疏浚砂样制得的水泥基材料28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高29.5%和13.7%，可达35.10 MPa和3.98 MPa；半干法压制成型方法下，黏土颗粒不断填充物料间的孔隙，依靠分子间吸引力黏结，含泥量的提高有助于试件强度的增长。对高含泥量(25.8%)试样，半干法压制成型较振动成型所制水泥基材料的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别提高36.5%和25.7%，可达37.0 MPa和4.4 MPa。针对不同含泥量的疏浚砂，可采用不同的密实成型方式，降低含泥量对水泥基材料性能的不良影响，并依据不同强度、耐久性的疏浚砂水泥基材料，扩大疏浚砂材料的使用范围，为疏浚砂综合利用提供更广的使用环境。

(2)疏浚砂水泥基材料具有较好的抗水侵蚀性，定期洒水养护后的软化系数在94%以上。相较于含泥量较高(25.8%)的疏浚砂试样，含泥量为6.5%的疏浚砂试样拥有更高的流动度，其抗冲磨强度提高了31.6%，可达12.5 h/(kg/m2)，质量损失率降低了20.0%，可达8.4%。除此之外，由于无需加入粗骨料，疏浚砂水泥基材料试件密度较小，均为2 000 kg/m3左右。

(3)较普通C30混凝土，在公路和水路两种运输方式下，振动成型疏浚砂水泥基材料可分别降低成本36.8%和33.0%，半干法压制成型疏浚砂水泥基材料可分别降低成本40.5%和37.1%，成本低廉，既解决了疏浚砂的处置难题，在制备过程中还可大量消耗粉煤灰等工业废料，兼具环保和经济优势，实现可持续发展。