長江中下游航道整治廢棄特細(xì)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(xì)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(yīng)用于航道整治工程，分別對(duì)其進(jìn)行了pH值測(cè)定、化學(xué)成分分析、礦物組成分析、顆粒級(jí)配分析和微觀形貌分析。分析結(jié)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(xì)度模數(shù)為0.8左右，屬于特細(xì)砂。該特細(xì)砂在混凝土配制和設(shè)計(jì)中應(yīng)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(guān)鍵詞：救廢棄特細(xì)砂;pH 值;化學(xué)成分;礦物組成;顆粒級(jí)配

1前言

隨著水運(yùn)事業(yè)的發(fā)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(jí)。工程中產(chǎn)生的大量廢棄砂土如果按照傳統(tǒng)方式在外海進(jìn)行拋卸或者轉(zhuǎn)運(yùn)存儲(chǔ)，會(huì)造成一定程度的環(huán)境污染，如果處理不當(dāng)，甚至?xí)黾庸こ塘坎⑼涎庸こ讨芷赱1]。合理處置廢棄砂土，不僅可減輕對(duì)環(huán)境的影響，還能增加大量的土地資源，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活提供用地，為國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)[2]。此外，固體廢棄物綜合利用率是我國節(jié)能減排工作的重要指標(biāo)之一[3]。因此，疏浚砂土的資源化利用也是水利水運(yùn)行業(yè)貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要切入點(diǎn)。

因邊灘崩岸嚴(yán)重，在長江航道守護(hù)工程中因放坡而產(chǎn)生大量廢棄砂，廢棄砂的轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲(chǔ)不僅增加工程量和工程造價(jià)，而且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響[4]。本文針對(duì)長江中下游航道整治產(chǎn)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(yīng)用于航道整治工程，在進(jìn)行水泥基材料配制之前對(duì)廢棄砂的化學(xué)組成和顆粒級(jí)配等物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，為水泥基材料的制備提供依據(jù)。

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(duì)砂土的許多化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)過程有很大影響，對(duì)其氧化還原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反應(yīng)起支配作用。依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999采用電測(cè)法進(jìn)行廢棄砂樣pH值測(cè)定。檢測(cè)結(jié)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(xué)成分

對(duì)廢棄砂進(jìn)行化學(xué)分析是研究其化學(xué)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(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

化學(xué)分析結(jié)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(dá)99%，其中SiO2、Al2O3、 CaO、Fe2O3四種組分含量之和達(dá)到90%，說明其他物質(zhì)及有機(jī)質(zhì)含量較少。

2.3礦物組成

砂土中的固體部分是由礦物構(gòu)成的，主要是各類無機(jī)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(jī)質(zhì)。礦物組成分析依據(jù)《土的礦物組成試驗(yàn)》SL237069-1999進(jìn)行。廢棄砂自然風(fēng)干后過2mm篩后，進(jìn)行預(yù)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于非黏性礦物含量，土樣活性較差。

2.4 顆粒級(jí)配

砂土顆粒粒級(jí)分布是衡量其理化性質(zhì)的一項(xiàng)重要參數(shù)，與顆粒的礦物組成、可塑性等存在著密切的關(guān)系。在固化制品生產(chǎn)工藝中，一般對(duì)原料顆粒級(jí)配進(jìn)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(jí)配分析試驗(yàn)依據(jù)《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》 DL/T5355-2006采用篩分法進(jìn)行。試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)。稱取500.0g自然風(fēng)干廢棄砂，放入篩中并裝在振篩機(jī)上，振動(dòng)10～12min，分別稱取不同篩徑下廢棄砂質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，廢棄砂小于0.075mm的顆粒占總質(zhì)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(dá)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(jīng)計(jì)算該廢棄砂細(xì)度模數(shù)為0.8左右，屬于超細(xì)砂。Cu=4，土的不均勻系數(shù)較小，土的級(jí)配不良。

2.5棄土顆粒形貌

采用Nikon ECLIPSE E200MV POL偏光顯微鏡進(jìn)行廢棄砂的顆粒形貌分析。結(jié)果如圖3所示：

從圖3可知，廢棄砂顆粒獨(dú)立，顆粒之間無黏結(jié)，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(tuán)聚力很小，塑性較差。

根據(jù)《建筑用砂》（GB/T14684-2001），混凝土用砂分為粗砂、中砂和細(xì)砂，其中細(xì)砂細(xì)度模數(shù)大于1.6，細(xì)度模數(shù)0.7～1.5之間為特細(xì)砂。本文的廢棄砂細(xì)度模數(shù)為0.8左右，屬于特細(xì)砂。針對(duì)特細(xì)砂在混凝土配制和設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下原則：①低砂率（砂的質(zhì)量占混凝土中砂、石總質(zhì)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(xì)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(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)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(xì)度模數(shù)為0.8左右，屬于特細(xì)砂。不均勻系數(shù)較小，級(jí)配不良。顆粒棱角圓滑，摩擦力較小，團(tuán)聚力很小。

（3）該特細(xì)砂在混凝土配制和設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循低砂率（砂率控制在30%左右）、低水泥用量（摻加超細(xì)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(xiàn)：

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