长江下游疏浚砂水泥基材料性能对比试验研究

钟智辉，江朝华，谢凤一，王锌鑫，诸裕良

（1.河海大学疏浚技术教育部工程研究中心，江苏南京210098；2.长江航道工程局有限责任公司，湖北武汉430010）

0 引言

随着中国对生态环境保护的重视，传统的开山采石方式由于造成山体破坏，植被锐减，粉尘空气污染等环境影响问题而逐渐受到越来越多的限制，天然砂石材料逐步走向短缺和枯竭。因此利用疏浚砂制作水泥基材料替代普通混凝土就近应用于航道整治工程，可以有效缓解砂石材料短缺问题，变废为宝。

当前疏浚砂的处置方法主要有：1）直接进行抛洒和倾倒[1]；2）作为建筑材料用于大型水利工程（如袋装砂作为堤心[2]、用于充砂袋筑堤[3]等）；3）用于人工养滩[4]以防治海岸侵蚀；4）对疏浚砂进行预处理后，直接部分取代常用的河沙细骨料制备土木工程材料[5-8]。

综上所述，现有疏浚砂的建材资源化利用主要是替代或部分替代混凝土中的细骨料，不用石子，以疏浚砂为主要原料制备水泥基材料替代普通混凝土，可以极大增加疏浚砂的用量。本文试验以长江下游含泥量25.8%、细度模数0.1的A砂样与含泥量6.5%、细度模数0.3的B砂样为主要原料，制备疏浚砂水泥基材料，使用矿粉和粉煤灰等量替代部分水泥，以减少水泥用量、增加和易性，进行了疏浚砂水泥基材料试件强度和耐久性检测，以替代普通C30混凝土制备护面砖等就近应用于航道整治工程，实现长江下游疏浚砂的建材化、资源化利用。

1 试验原材料及方法

1.1 原材料

试验所用水泥为海螺水泥有限公司生产的普通硅酸盐PO42.5水泥，执行国家标准GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》；矿粉为南京梅宝公司生产的S95级矿粉，比表面积为385 m2/kg；粉煤灰为Ⅱ级，需水量比95%；减水剂为南京水利科学研究院生产的聚羧酸高效减水剂，减水率为25%；试验所用的疏浚砂来自长江下游疏浚航道整治工程，疏浚砂的颗粒分布见图1。

图1 砂样粒径分布Fig.1 Particle size distribution of sand sample

颗粒分析试验是测定干砂样中各种粒径组成所占该砂样总质量百分数的方法，以此了解颗粒大小分布情况。疏浚砂细度模数分析试验依据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。测得A砂样的细度模数为0.1，B砂样的细度模数为0.3。根据规范GB/T 14684—2001《建筑用砂》，混凝土用砂分为粗砂、中砂和细砂，其中细砂细度模数大于1.6，细度模数0.7～1.5之间为特细砂。A、B 2种疏浚砂砂样比特细砂的细度模数更小，为超细砂。

1.2 试验方法

将搅拌均匀的混合物装入边长为70.7 mm立方体模具。先装填试模高度的2/3，并用抹刀插捣密实，将试模放至振动台振捣30 s，然后在振动过程中加入混合料，将试模装满，最终使混合料高出试模口，振动2 min至混合物均匀，振动持续到表面出浆为止，振动时用抹刀将试件顶面抹平，不得过振，以防止水泥基材料离析，从振动台取下试模并加盖保鲜膜放置1 d后脱模，试件采取标准养护，到一定龄期后取出。

抗压强度和劈裂抗拉强度测试依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》在SHT4305型微机控制电液伺服万能试验机进行。疏浚砂水泥基材料流动度依据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》在水泥胶砂流动度测定仪上进行测定；凝结时间、泌水率、密度根据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行测定；抗水侵蚀性根据GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行检测；抗冲磨性能依据DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》水下钢球法进行检测。

将水泥基材料编号为A1、A2、B1、B24组，A1、A2为A砂样所制水泥基材料；B1、B2为B砂样所制水泥基材料，试验配合比见表1。

表1 试验配合比Table 1 Test mix proportion

2 试验结果和分析

2.1 水泥基材料各龄期强度

制备上述的A1、A2、B1、B24组水泥基材料，检测其3 d、28 d、90 d的抗压强度和劈裂抗拉强度，结果如图2所示。

图2 疏浚砂水泥基材料各龄期强度Fig.2 Strength of dredged sand cement-based materials at different ages

由图2可知，采用同种砂样，掺矿粉的水泥基材料相比掺粉煤灰的水泥基材料早期强度更高。A1水泥基材料的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度较A2水泥基材料分别高出15.1%和12.6%；B1水泥基材料的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度较B2水泥基材料分别高出了9.1%和8.0%。由于矿粉的颗粒组成更细，比表面积也比粉煤灰大，它的微集料充填效果更好，在充分的二次水化反应之后微集料填充效应最明显时，水泥石中的孔隙结构得到了很好的改善，增强了水泥基材料的各龄期尤其是早期强度。粉煤灰水化程度低，但其为球状颗粒，可以均匀填充集体内部，并且其28 d后期水化提高。因此，较之同等掺量的粉煤灰，掺加矿粉试件的早期具有更高的强度，但28 d后掺加粉煤灰和矿粉的试件强度变化不大。

采用同种掺和料，B砂样水泥基材料较A砂样水泥基材料的强度更高。掺矿粉的细度模数为0.3的B1水泥基材料的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度较细度模数为0.1的A1水泥基材料提高了22.7%和9.1%；掺粉煤灰的B2水泥基材料的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度较A2水泥基材料高出了29.5%和13.7%。疏浚砂含泥量显著影响疏浚砂水泥基材料的强度，含泥量增加，强度降低。A砂样含泥量和B砂样含泥量分别为25.8%和6.5%，因而在相同的配合比下，B砂样试件较之A砂样强度有明显的增加。另外，A砂样与B砂样虽然都属于超细砂，但B砂样的细度模数大于A砂样，用B砂样制备的水泥基材料，级配更好，强度更高。

2.2 疏浚砂水泥基材料流动度、凝结时间、密度和泌水性

检测A1、A2、B1、B24组水泥基材料的流动度、凝结时间、密度和泌水性，结果如表2所示。

表2 疏浚砂水泥基材料的流动度、凝结时间、泌水率和密度Table 2 Fluidity,setting time,bleeding rate and density of dredged sand cement-based materials

由表2可知，采用相同砂样，掺入粉煤灰的水泥基材料流动性更好，掺粉煤灰的A2水泥基材料的流动度较A1水泥基材料提高6.4%，掺粉煤灰的B2水泥基材料流动度较B1水泥基材料提高5.6%。由于矿粉比表面积较水泥更大，且其颗粒主要为多角形玻璃体，与水泥之间的接触面积更大，造成颗粒之间内部摩擦相对更高，所以加入矿粉后混凝土拌合物和易性相对较差。粉煤灰主要为球状颗粒，与水泥颗粒之间可以形成良好的颗粒级配，且颗粒之间的内部摩擦相对较低，因此其拌合物和易性更好，流动度更高。

采用相同掺和物，B砂样比A砂样的初凝和终凝时间更短，同掺30%矿粉的B1水泥基材料较A1水泥基材料初凝和终凝时间分别提前了5.9%和13.1%，同掺30%粉煤灰的B2水泥基材料较A2水泥基材料初凝和终凝时间分别提前了9.8%和15.4%。

试件密度均在2 000 kg/m3左右，采用相同掺和物，B砂样比A砂样的泌水率更小，B1水泥基材料的泌水率较A1水泥基材料小了29.4%，B2水泥基材料的泌水率较A2水泥基材料小了16.1%。泌水率指泌水量与混凝土拌和物的用水量之比，是反映新拌混凝土保水性好坏的重要指标，与A砂样相比，含泥量少的B砂样泌水性降低，说明其保水性和工作性更好，含泥量增加对泌水率有不利影响。

2.3 疏浚砂水泥基材料的抗水侵蚀性能和抗冲磨性能

选取掺入30%粉煤灰的A2、B22组水泥基材料测定抗水侵蚀性和抗冲磨性能，测定结果如表3所示。

表3 疏浚砂水泥基材料抗水侵蚀性和抗冲磨性能Table 3 Water erosion resistance and abrasion resistance of dredged sand cement-based materials

由表3可知，2组疏浚砂水泥基材料都具有较好的抗水侵蚀性能，A、B砂样试件的浸水强度分别为24.2 MPa和34.1 MPa，软化系数分别为94%和97%。A砂样试件标准养护28 d后的抗冲磨强度和质量损失率分别为9.5 h/（kg/m2）和10.5%。B砂样试件的抗冲磨强度和质量损失率分别为12.5 h/（kg/m2）和8.4%。B砂样的浸水强度和抗冲磨强度高于A砂样，说明含泥量对水泥基材料的抗水侵蚀性能和抗冲磨性能有不良影响。

3 结语

1）使用矿粉和粉煤灰作为掺合料，代替部分水泥制备疏浚砂水泥基材料，减少水泥用量增加和易性，掺加矿粉的水泥基材料早期强度相对更高。矿粉替代量30%时，以细度模数为0.1、含泥量25.8%的A砂样制备的水泥基材料28 d抗压强度和劈裂抗拉强度可达31.2 MPa、3.94 MPa，以细度模数为0.3、含泥量6.5%的B砂样制备水泥基材料的28 d抗压强度和劈裂抗拉强度可达38.3 MPa、4.3 MP。

2）检测显示疏浚砂水泥基材料具有较好的抗水侵蚀性和抗冲磨性能，A、B砂样试件28 d浸水强度分别为24.2 MPa和34.1 MPa，软化系数达0.94以上。A砂样试件标准养护28 d后的抗冲磨强度和质量损失率分别为9.5 h/（kg/m2）和10.5%。B砂样试件的抗冲磨强度和质量损失率分别为12.5 h/（kg/m2）和8.4%。

3）含泥量较少，细度模数较大的B砂样制备水泥基材料物理力学性能优于A砂样。2种砂样制备的水泥基材料具有良好的物理力学和耐久性能，可以利用以上含泥量高、细度模数极小的长江下游疏浚砂为主要原料制备水泥基材料替代普通混凝土制备护面砖等就近应用于航道整治工程。