基于航道整治特細砂的抗收縮水泥基材料性能試驗研究

謝鳳一，董朝明，鄢棟梁，焦鋒，江朝華

（1.長江航道工程局有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.長江南京航道工程局，江蘇 南京 210011；3.河海大學，疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇 南京 210098）

0 引言

隨著長江河段航道整治的推進，護岸工程中由于削坡將產生大量廢棄特細砂。廢棄特細砂的轉運和存儲費用巨大且會影響環境，因此對航道整治廢棄特細砂的資源化利用越來越引起人們的關注[1]。

DASH H J[2]從Chilika湖收集廢棄砂并用其代替土工材料，發現摻加高聚物生物瓜爾膠后Chilika砂不僅可用于各種建筑工程，還可用于地基和填筑材料。廢棄砂被越來越多地作為建材利用于海岸保護和陸地地下空間工程[3]。KITAHARA S[4]等研究開發了一種水泥、粉煤灰處理砂質護岸的施工方法，將廢棄砂與粉煤灰、水泥和海水混合，結果表明，與一般的碎石施工方法相比，采用該方法可以減少30%左右的施工量。LIRER S[5]等用那不勒斯港口的廢棄泥砂和意大利南部一家發電廠產生的工業粉煤灰混合制成不同土聚樣品，研究發現，廢棄泥砂與粉煤灰復合使用可以制備出力學性能優良的土工聚合物。張宏[6]等選擇了有代表性的5種長江口廢棄細砂進行級配、壓實特征、濕度特征、回彈模量的室內和現場試驗，發現低填細砂路基在運營過程中受地下水影響較小，CBR強度和回彈模量與壓實度、含泥量相關性顯著，能滿足設計要求。OING K等[7]認為在堤防建設中利用航道整治廢棄物代替傳統材料可以保護自然資源，但是航道整治廢棄物在收縮性和干燥開裂方面存在著明顯的不足。因此，有必要對其工作性能、力學性能及抗收縮性能方面深入研究。

本文以長江航道整治特細砂為料制備水泥基材料，討論礦粉、石膏單摻、雙摻對其流動度、含氣量、力學性能和抗收縮性能的影響，以期找出較優配合比，拓寬長江航道廢棄砂資源化利用途徑。

1 材料及配合比

水泥采用P.O42.5海螺牌普通硅酸鹽水泥；礦粉采用南京梅寶S95級礦粉，重度為2.83 g/cm3，比表面積為385 m2/kg；石膏由上海九億化學試劑生產，主要成分為二水石膏；試驗用砂細度模數為0.85；減水劑采用南京水利科學研究院HLC液態高效聚羧酸減水劑，pH值為7~8，活性成分超過97%；試驗中所用的水均為自來水。礦粉、石膏、減水劑摻量分別以膠凝材料總量為基準。本文采用體積法計算初始配合比并采用等效替代法設計混合比例，調整砂用量以平衡摻合料加入引起的體積差，試驗保持水灰比不變，調整礦粉與石膏摻量。廢棄砂及礦粉粒徑分布圖見圖1。水泥、礦粉與廢棄砂主要化學成分見表1。水泥基材料配合比見表2。

圖1 廢棄砂及礦粉粒徑分布圖Fig.1 Particle size distribution map of abandoned sand and mineral powder

表1 水泥、礦粉與廢棄砂主要化學成分Table 1 Main chemical composition of cement,mineral powder and abandoned sand%

表2 水泥基材料配合比Table 2 Mix ratio of cement-based materials

2 試驗方法

按照配合比稱取水泥、疏浚砂、礦粉、石膏、減水劑等，先將砂、水泥及摻合料等在UJZ-15型攪拌機中干拌2 min，然后加入混合均勻的減水劑和水再濕拌3 min。將攪拌均勻的物料加入試模中，在HZJ-A振動臺上振動2~3 min。成型時為防止水分散失，在試模表面覆蓋一層保鮮膜并在（20依2）益下養護24 h后脫模，試件在溫度（20依2）益和濕度（95依5）%下養護至測試齡期。試件養護完后按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測定流動度，含氣量、抗壓、劈裂抗拉及干縮實驗按照DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗規程》進行，采用100 mm伊100 mm伊100 mm試模養護7 d、28 d、90 d后在SHT4305萬能試驗機上進行抗壓和劈裂抗拉試驗，采用40 mm伊40 mm伊160 mm試模在溫度為20耀25益、相對濕度50%耀55%的條件下養護至1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、42 d和56 d進行干縮試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 工作性能

由圖2可見，礦粉單摻替代水泥后水泥基材料流動度隨替代量的增加顯著增大，礦粉與石膏混摻替代水泥后流動度呈減小趨勢。總體來看，摻加礦粉及石膏的水泥基材料流動度均大于空白組，礦粉替代40%水泥時流動度最大。因為礦粉的顆粒總體較粗，比表面積相對較小，隨著水泥中礦粉替代量的增加，總的吸附水量是減少的，在水灰比一定的條件下，自由水量隨吸附水量的減少而增加，從而導致流動度的增大。

圖2 水泥基材料流動度及含氣量變化Fig.2 Changes in fluidity and gas content of cement-based materials

含氣量隨礦粉摻量的增加而減小，摻加適量石膏后達到最低，過量石膏使含氣量增大。當礦粉摻量為40%，石膏摻量為10%時，水泥基材料含氣量最低，約為12.2%。

3.2 抗壓強度

試件7 d、28 d、90 d抗壓強度如圖3所示。從圖中可知，單摻礦粉對水泥基材料抗壓強度有一定改善，單摻20%、40%的礦粉試件與空白試件相比，7 d抗壓強度分別降低1.7%、4.6%，28 d抗壓強度分別提高6.6%、13.9%，90 d抗壓強度分別提高8.3%、12.8%。結果表明單獨摻加礦粉后，隨著礦粉替代量的增加，試件早期抗壓強度略有下降，后期抗壓強度明顯提高。這是因為水泥水化釋放出的氫氧化鈣是礦粉的激發劑，其與礦粉中的活性組分相互作用，促進礦粉與水泥的繼續水化，同時聚合物顆粒對孔隙的填充作用，提高了水泥基材料的密實度，從而水泥基材料的后期強度有較大提高。此外，從圖中還可以看出摻加適量石膏更有利于試件強度發展，而摻量過大則會對強度不利；在摻加40%礦粉基礎上，混摻10%石膏后試件各齡期抗壓強度效果最佳，試件7 d、28 d、90 d抗壓強度較空白組分別提高7.5%、22.6%、20.6%；而混摻20%石膏后試件各齡期抗壓強度都有較為明顯下降，與混摻10%石膏相比，試件7 d、28 d、90 d抗壓強度分別下降7.1%、16.1%、19.1%。KHEDER G F等[8]對水泥中SO3總摻量在3.2%耀10.5%范圍內的混凝土進行了性能測試。他發現SO3占6.8%的混合料在不同養護齡期的抗壓強度最高。石膏的水化反應迅速，適量石膏摻入后水化生成致密而堅固的鈣礬石，有利于強度的增長；但摻加過多石膏，不僅縮短了凝結時間，阻礙水化物的擴散，而且參與水化反應后剩余的石膏只是以低強度狀態存在，從而導致試件強度下降。

圖3 水泥基材料抗壓強度Fig.3 Compressive strength of cement-based materials

3.3 劈裂抗拉強度

試件不同齡期劈裂抗拉強度結果如圖4所示。從圖中可以看出，摻加礦粉后水泥基材料劈裂抗拉強度有所改善，與空白樣相比，單摻20%、40%礦粉試件7 d劈裂抗拉強度分別降低3.1%、5.3%，28 d劈裂抗拉強度分別提高5.7%、17.1%，90 d劈裂抗拉強度分別提高8.6%、21.2%。這是因為礦粉可作為填料在水泥的水化產物Ca（OH）2中起填充作用，優化了水泥基材料各組成物料間的級配結構，同時這種填充作用使得礦粉與Ca（OH）2充分接觸，從而不斷反應生成C-S-H晶體，使水泥基材料后期劈裂抗拉強度得到提高。加入適量石膏后，水泥基材料劈裂抗拉強度明顯提高，在40%礦粉基礎上摻加10%石膏，試件7 d、28 d、90 d劈裂抗拉強度較空白樣分別提高6.9%、29.5%、30.6%，可知適量石膏的摻加對試件各齡期尤其是后期劈裂抗拉強度有較大促進作用；但摻量過多則會導致試件強度下降，與混摻10%石膏試件相比，混摻20%石膏試件7 d、28 d、90 d劈裂抗拉強度下降7%、15.4%、20.3%，石膏摻量過多致使試件后期劈裂抗拉強度急劇下降。

圖4 水泥基材料劈裂抗拉強度Fig.4 Splitting tensile strength of cement-based materials

3.4 抗收縮性能

水泥基材料干縮性能檢測結果見圖5。可以看出，前5組試件的干縮率在早期迅速增長，隨著養護時間的增加逐漸趨于平緩，而混摻40%礦粉和20%石膏的試件則發生明顯膨脹。單摻礦粉后，試件的干縮率隨著礦粉摻量的增加而逐漸減小，單摻20%、40%礦粉試件28 d干縮率較空白組分別降低5.6%、9.4%。這是由于礦粉的摻入，細化漿體孔結構的同時降低了孔隙的連通性，增加了干燥條件下水分遷移的難度，可有效降低水泥基材料的干燥收縮。在摻加40%礦粉基礎上混摻10%石膏時，試件干縮率達到最低，28 d干縮率為485.2伊10-4，較空白組降低60.1%，表明適量石膏的摻入能有效控制水泥基材料的干縮變形；但摻加20%石膏時，試件養護3 d后出現膨脹現象，28 d干縮率為-651.7伊10-4。

圖5 試件干縮變化Fig.5 Dry shrinkage of the specimen

前期研究表明，以超細砂制成的膠凝材料的收縮性能遠高于常規混凝土。LERCH W[9]發現，石膏添加量對硬化混凝土性能的影響大于其對凝結時間的調節作用。硫酸鹽、氧化鋁和Ca（OH）2反應生成的鈣礬石可以有效地改善混凝土的收縮。因此，本研究中添加適量的石膏可以抑制航道整治特細砂水泥基材料的收縮。水泥中SO3含量較低，C3A和堿含量較高，添加適量的石膏對抑制收縮有積極作用。此外，高硫酸鹽含量的混凝土并不總是意味著發生破壞性膨脹。GESOGLU M等[10]發現在石膏含量為8.56%水泥質量下，石膏對超高強混凝土（UHSC）的抗壓、劈裂抗拉強度有顯著影響。含石膏的UHSC在水中養護1 a后，其最大膨脹率非常低。因此，本研究中添加適當的石膏可以提高膠凝材料的早期強度，抑制收縮。

4 結語

1）礦粉與適量石膏混摻可以明顯改善基于航道整治特細砂的水泥基材料的工作性能，摻加40%礦粉和10%石膏時水泥基材料流動度及含氣量綜合較優。

2）基于航道整治特細砂的水泥基材料力學性能較佳，適量礦粉及石膏混摻后其力學性能可得到較大改善，摻加40%礦粉、10%石膏的試件28 d抗壓、劈裂抗拉強度分別可達32.44 MPa和2.72 MPa，較空白組提高22.6%和29.5%。

3）基于航道整治特細砂的水泥基材料具有優良的抗收縮性能，隨著礦粉摻量增加，抗收縮性能有較大改善，摻加40%礦粉、10%石膏試件干縮率較空白樣降低60.1%。制備的水泥基材料可以替代普通混凝土制備壓載塊、護面磚等就近應用于航道整治工程，為航道整治廢棄特細砂的資源化利用提供有效途徑。