長江中下游航道整治廢棄特細砂工程特性研究

臧英平 李濤章 周玲霞 諸裕良 江朝華

摘 要：為了長江中下游航道整治廢棄特細砂的再利用，擬將其作為主要原料制備水泥基材料替代普通混凝土就近應用于航道整治工程，分別對其進行了pH值測定、化學成分分析、礦物組成分析、顆粒級配分析和微觀形貌分析。分析結果表明該航道整治廢棄砂呈微堿性，非黏土礦物水云母等含量為84%，黏性礦物蛭石和綠泥石含量為16%，土樣活性較差。廢棄砂顆粒主要分布于0.3～0.15mm范圍細度模數為0.8左右，屬于特細砂。該特細砂在混凝土配制和設計中應遵循低砂率、低水泥用量和采用高效減水劑保證在塌落度基本不變等原則。

關鍵詞：救廢棄特細砂;pH 值;化學成分;礦物組成;顆粒級配

1前言

隨著水運事業的發展，越來越多的港口、航道需通過疏浚和整治提高其船舶通過能力，增加航道等級。工程中產生的大量廢棄砂土如果按照傳統方式在外海進行拋卸或者轉運存儲，會造成一定程度的環境污染，如果處理不當，甚至會增加工程量并拖延工程周期[1]。合理處置廢棄砂土，不僅可減輕對環境的影響，還能增加大量的土地資源，為工農業生產和居民生活提供用地，為國民經濟的可持續發展做出貢獻[2]。此外，固體廢棄物綜合利用率是我國節能減排工作的重要指標之一[3]。因此，疏浚砂土的資源化利用也是水利水運行業貫徹落實科學發展觀，建設資源節約型和環境友好型社會，發展低碳經濟的重要切入點。

因邊灘崩岸嚴重，在長江航道守護工程中因放坡而產生大量廢棄砂，廢棄砂的轉運、存儲不僅增加工程量和工程造價，而且對環境產生了一定的影響[4]。本文針對長江中下游航道整治產生的廢棄砂，擬將其作為主要原料制備水泥基材料替代普通混凝土就近應用于航道整治工程，在進行水泥基材料配制之前對廢棄砂的化學組成和顆粒級配等物理化學性質進行分析，為水泥基材料的制備提供依據。

2 航道整治廢棄砂工程特性

2.1 pH值

砂土的pH常被看作主要變量，它對砂土的許多化學反應和化學過程有很大影響，對其氧化還原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反應起支配作用。依據《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999采用電測法進行廢棄砂樣pH值測定。檢測結果表明其pH值大于7.0，呈微堿性，OH基的離解程度較大，雙電層較厚，說明該廢棄砂的活性比較低。

2.2 化學成分

對廢棄砂進行化學分析是研究其化學組成及含量。分析試樣全部通過孔徑為0.088mm篩，在105～110℃烘箱中烘2h以上進行化學成分檢測。檢測結果如表1所示。

化學分析結果表明：廢棄砂中SiO2、Al2O3含量都比較高，其次依次為CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O。廢棄砂中9種主要成分（SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2和SO3）含量達99%，其中SiO2、Al2O3、 CaO、Fe2O3四種組分含量之和達到90%，說明其他物質及有機質含量較少。

2.3礦物組成

砂土中的固體部分是由礦物構成的，主要是各類無機礦物，可分為原生礦物和次生礦物兩大類，次生礦物可再分為可溶性和非溶性兩類;原生礦物和非溶性次生礦物是砂土的基本礦物成分，此外還有部分有機質。礦物組成分析依據《土的礦物組成試驗》SL237069-1999進行。廢棄砂自然風干后過2mm篩后，進行預處理。

從廢棄砂X射線衍射圖中看到，樣品中石英、長石類原生礦物的特征峰最為明顯。非黏土礦物水云母、閃石、石英、長石、方解石含量為84%，黏性礦物蛭石和綠泥石含量為16%。廢棄砂中黏性礦物所占比重遠遠低于非黏性礦物含量，土樣活性較差。

2.4 顆粒級配

砂土顆粒粒級分布是衡量其理化性質的一項重要參數，與顆粒的礦物組成、可塑性等存在著密切的關系。在固化制品生產工藝中，一般對原料顆粒級配進行如下控制：將粒徑小于0.05mm的粉粒稱為塑性顆粒;粒徑為0.05～0.2mm的稱為填充顆粒;粒徑為1.2～2mm的稱為粗顆粒。合理的顆粒組成為：塑性顆粒35%～50%，填充顆粒20%～65%，粗顆粒小于30%。因此，粒度分析在廢棄砂利用研究過程中具有十分重要的意義。

廢棄砂顆粒級配分析試驗依據《水電水利工程土工試驗規程》 DL/T5355-2006采用篩分法進行。試驗所用儀器為孔徑為10、5、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15和0.075mm的砂石套篩，精確度0.1g電子稱和ZBSX-92型震擊式標準振篩機。稱取500.0g自然風干廢棄砂，放入篩中并裝在振篩機上，振動10～12min，分別稱取不同篩徑下廢棄砂質量，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，廢棄砂小于0.075mm的顆粒占總質量的1.29%，少于10%，廢棄砂顆粒主要分布于0.3～0.15mm范圍，含量高達76.26%左右，粒徑分布范圍窄。0.02～0.05mm的塑性顆粒少于1.3%，0.05～1.2mm之間的填充顆粒含量為98%以上，粗顆粒沒有，經計算該廢棄砂細度模數為0.8左右，屬于超細砂。Cu=4，土的不均勻系數較小，土的級配不良。

2.5棄土顆粒形貌

采用Nikon ECLIPSE E200MV POL偏光顯微鏡進行廢棄砂的顆粒形貌分析。結果如圖3所示：

從圖3可知，廢棄砂顆粒獨立，顆粒之間無黏結，顆粒晶體透明，邊緣平直光滑，顆粒棱角比較圓滑，由于表面的圓滑，顆粒摩擦力較小，團聚力很小，塑性較差。

根據《建筑用砂》（GB/T14684-2001），混凝土用砂分為粗砂、中砂和細砂，其中細砂細度模數大于1.6，細度模數0.7～1.5之間為特細砂。本文的廢棄砂細度模數為0.8左右，屬于特細砂。針對特細砂在混凝土配制和設計中應遵循以下原則：①低砂率（砂的質量占混凝土中砂、石總質量的百分率），砂率控制在30%左右;②低水泥用量，水膠比不變，降低水泥用量，摻加超細礦物摻合料礦粉、粉煤灰和石灰石粉等;③采用高效減水劑，保證在塌落度基本不變的前提下大幅降低用水量。

3結論

（1）本文的航道整治廢棄砂呈微堿性，非黏土礦物水云母等含量為84%，黏性礦物蛭石和綠泥石含量為16%。黏性礦物所占比重遠遠低于非黏性礦物含量，土樣活性較差。

（2）該廢棄砂顆粒主要分布于0.3～0.15mm范圍，含量高達76.26%左右，粒徑分布范圍窄。0.02～0.05mm的塑性顆粒少于1.3%，0.05～1.2mm之間的填充顆粒含量為98%以上，粗顆粒沒有。細度模數為0.8左右，屬于特細砂。不均勻系數較小，級配不良。顆粒棱角圓滑，摩擦力較小，團聚力很小。

（3）該特細砂在混凝土配制和設計中應遵循低砂率（砂率控制在30%左右）、低水泥用量（摻加超細礦物摻合料礦粉、粉煤灰和石灰石粉替代水泥用量，降低水泥用量）、采用高效減水劑保證在塌落度基本不變的前提下大幅降低用水量等原則。

參考文獻：

[1] 朱偉， 張春雷， 劉漢龍， 等. 疏浚泥處理再生資源技術的現狀[J]. 環境科學與技術， 2002， 25（4）： 39-41.

[2] 張旭東， 祁繼英. 疏浚底泥的資源化利用[J]. 北方環境， 2005， 30（2）： 48-50.

[3] 卞夏， 鄧乘， 鄧永鋒， 等. 高含水率疏浚淤泥混合固化輕質土試驗研究[J]. 防災減災工程學報， 2009， 29（5）： 524-529.

[4] 陶桂蘭， 阮健， 江朝華， 范俊燕. 荊江河段黏性棄土固化利用研究[J]. 人民長江， 2016， 47（6）： 69-72.