航道廢棄超細砂新型砂性混凝土性能試驗研究

謝鳳一，彭義，羅翔云，覃昌佩，江朝華

（1.長江航道工程局有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.北京工業大學，北京 102200；3.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530028；4.河海大學疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇 常州 213001）

0 引言

砂性混凝土是一種以砂為主要原料的新型混凝土，其主要組成與普通混凝土基本一致，由水泥、粗骨料、細骨料、水和外加劑組成，可以替代普通混凝土使用，其中水泥為膠凝材料，砂被用于普通混凝土中的粗骨料的替代物，粉煤灰、石灰石等礦物粉末則用來取代細骨料，同時必須摻加減水劑降低細粒料的需水量。砂性混凝土不使用石子等粗骨料，與普通混凝土相比，具有相當的強度、更低的水泥摻量（250～400 kg/m3）和水灰比，與普通砂漿相比則有更高的強度，同時可以大量利用砂，有效使用礦粉、粉煤灰等工業廢渣[1]。目前砂性混凝土主要用于沙漠等石子缺乏而砂供應量大的地區[2]。

粉煤灰、礦粉、石灰石粉等粉料作為砂性混凝土中的細骨料，或稱填料，其種類、用量和細度對新拌和硬化砂性混凝土的性能有顯著影響。通常采用惰性或半惰性的、粒徑小于80 μm 的火山灰材料用作填料，以提高水化反應和增強致密性[3]。粉煤灰（FA）、硅灰、礦粉（GGBS）、石灰石粉、天然或人工火山灰是制備普通混凝土常用的摻合料[4]。目前，砂性混凝土中最常用的填料是石灰石粉，其具有一定活性，能夠促進水泥水化反應，并且作為機制砂制備過程中的廢棄物，石灰石粉不僅容易獲得而且具有一定環保性。Bederina等[5]發現添加石灰石粉后砂性混凝土的粒徑分布、流變學和力學性能均有明顯改善，能夠有效減少漿體的泌水、離析和沉降等現象。但細顆粒的過量添加會導致干混物料的比表面積明顯增加，從而顯著增加混凝土的用水量。研究表明，具有良好火山灰特性的礦粉和粉煤灰等工業廢渣作為砂性混凝土填料，可以充分發揮其密實和水化作用[6]。

航道整治工程中如航道疏浚或岸坡削坡過程會產生大量超細砂，以超細砂為原料制備砂性混凝土替代普通混凝土，現場壓制成型制作護面磚或軟體排的壓載塊等就地就近使用，一方面可以大量利用廢棄超細砂，減少土地占用，解決固體廢棄物處置不當的二次污染問題，降低航道整治工程等對環境的影響；另一方面可以減少水泥用量，降低工程造價，降低碳排放。本文以長江中下游航道整治廢棄超細砂為主要原料，以水泥為膠凝材料、礦粉和粉煤灰分別為填料制備新型砂性混凝土，分別進行了兩種砂性混凝土不同齡期抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗沖磨性以及經濟性的比較，為其在航道整治工程中的資源化利用提供基礎和借鑒。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

1）試驗所使用的廢棄超細砂具有弱堿性，其pH 值為7.5。在試驗前，需將其完全風干。廢棄超細砂的化學成分見表1，顆粒級配見表2。此外，其具體礦物組成見圖1。

圖1 超細疏浚砂XRD 圖譜Fig.1 XRD pattern of ultra-fine dredged sand

表1 廢棄超細砂和水泥的化學成分Table 1 Chemical components of waste ultra-fine sand and cement

表2 超細疏浚砂顆粒級配特性Table 2 Particle grading characteristics of ultra-fine dredged sand

由表1 可知，廢棄超細砂中含有相對較高比例的是SiO2、Al2O3，分別占68.63%和11.12%。從化學成份分析表中可以看出，超細砂中沒有有害成份和Cd、Cr 和Zn 等重金屬。

由表2 可以觀察到，廢棄超細砂中小于0.075 mm 的顆粒僅占總質量的2.34%，少于3%的比例。在粒徑范圍為0.15～0.3 mm 之間，該超細砂的分布比例最高，達到76.33%的含量。最后經過計算，試驗所用廢棄超細砂的細度模數為0.81。

根據圖1 所示，疏浚超細砂的主要礦物組成為石英和長石，其原生礦物的特征峰非常顯著。在疏浚超細砂中，SiO2主要以石英和長石晶體的形式存在。

2）水泥：本文使用的水泥為海螺水泥有限公司生產的P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，安定性良好，化學成分見表1。

3）粉煤灰和礦粉：Ⅱ級粉煤灰，密度為2 130 kg/m3，勃氏比表面積為289 m2/kg，需水量比104%。礦粉S95 級，密度為2 870 kg/m3，勃氏比表面積為425 m2/kg。

4）減水劑：南京水利科學研究院生產的聚羧酸減水劑，為淺棕色液體，密度1.07 g/cm3，固含量20%左右。

1.2 試驗方法

根據預定比例，取適量廢棄超細砂、水泥和粉煤灰等材料，精確稱量后放入UJZ-15 型砂漿攪拌機中進行干拌混合，以確保徹底均勻的混合效果。在干拌過后，加入適量水進行濕拌，攪拌時間為2 min。同時，加入0.5%的減水劑。根據操作步驟，將經過均勻混合的材料傾倒入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的三聯試模中。接著，使用HZJ-A 型混凝土振動臺進行2 次振動成型，每次振動持續1 min，以確保混合物的密實。成型后，將試模表面覆蓋一層薄膜，并等待24 h 后進行脫模操作。脫模后，將試件放置在標準條件下進行養護，直到達到規定的養護時間，其中抗沖磨性能、劈裂抗拉和抗壓強度檢測依據DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗規程》進行。

1.3 配合比設計

砂性混凝土配合比設計首先確定水泥、砂、填料干混物料的摻量。本文制備的疏浚砂塊體擬替代普通混凝土制備路面磚、護面磚等，塊體的強度需達到C30 要求。因此，水泥含量固定為300 kg/m3，粉煤灰或礦粉填料摻量分別為100 kg/m3、150 kg/m3、200 kg/m3、250 kg/m3、300 kg/m3。通過測定干混物料最大堆積密度確定其最優配合比，測定的步驟如下：1）將疏浚砂摻加到一定量的水泥、填料中均勻拌合并振動30 s；2）繼續摻入疏浚砂拌合振動直至達到預設的體積。質量除以體積即得到干混物料的堆積密度，可以認為最大堆積密度下干混物料具有最優的顆粒級配從而最終能夠獲得最高的強度。檢測結果見表3。

表3 砂性混凝土試驗方案Table 3 Test schemes of sand concrete

從表3 中可知，隨著填料摻量的增加，干混物料的最大堆積密度增加到達最高后降低，礦粉和粉煤灰填料砂性混凝土干混物料最大堆積密度分別為2 035 kg/m3和1 857 kg/m3。成型時摻加水泥與填料總和的0.5%的高效減水劑（SP），水/（水泥+填料）為0.45。

2 結果及討論

2.1 抗壓強度

填料種類和摻量對抗壓強度的影響見圖2。試驗結果表明砂性混凝土存在最佳填充量。抗壓強度隨著填充量的增加而增大，當礦粉和粉煤灰的摻量分別為200 kg/m3和150 kg/m3時，抗壓強度達到最大值，隨著摻量的不斷增加，強度逐漸減小。7 d 的最大抗壓強度分別為21.4 MPa 和17.0 MPa，對應28 d 的抗壓強度分別為36.5 MPa和30.1 MPa。

圖2 填料的類型和摻量對砂性混凝土抗壓強度的影響Fig.2 Influence of type and dosage of fillers on the compressive strength of sand concrete

砂性混凝土的最佳強度與最優的顆粒骨架密切相關，較高的密實度對應著較高的強度。由于細顆粒數量的增加砂性混凝土變得更加密實。在達到最大密實程度之前，填料的細顆粒占據了砂粒與砂粒內部孔隙之間的空隙，從而增加了混合物的密實度。當空隙被填滿后，細小的顆粒就會取代砂粒，在相同的體積和密度下，砂的比例就會降低。Al-Saffar[3]表明填充物減少了空隙，增加了混凝土的密度、穩定性和韌性，認為在混凝土中添加細粒GGBS 或FA 作為填料可以糾正或優化粒徑分布，以提高密實度，從而提高強度。

除了孔隙填充效應外，GGBS 或FA 的火山灰性質也有助于試件抗壓強度的發展。研究表明，在混凝土中添加GGBS 或FA 可以提高混凝土的密實性、稠度和長時間的穩定性。這種影響可以提高抗壓強度，減少干縮，從而提高耐久性。此外，添加GGBS 填料的砂性混凝土在不同養護時間的抗壓強度均高于FA。主要原因是與FA 相比，GGBS 具有更高的比表面積和更細的顆粒。此外，與FA 相比，GGBS 的火山灰作用更活躍，其對強度的改善作用也更明顯。

2.2 劈裂抗拉強度

填料類型和摻量對試件劈裂抗拉強度的影響見圖3。

圖3 填料類型和摻量對試件劈裂抗拉強度的影響Fig.3 Influence of type and dosage of fillers on the splitting tensile strength of sand concrete

從圖3 中可知，隨著填料摻量的增加，砂性混凝土的劈裂抗拉強度逐漸增大，直至達到最大值，然后逐漸減小。GGBS 和FA 的最佳摻量分別為200 kg/m3和150 kg/m3，在最佳摻量下，摻GGBS 填料的砂性混凝土7 d、28 d 劈裂抗拉強度分別為2.05 MPa 和3.01 MPa，摻FA 的分別為1.52 MPa 和2.10 MPa。

劈裂抗拉強度的變化趨勢與抗壓強度的變化趨勢相似。砂性混凝土的劈裂抗拉強度也取決于填料的密實度、類型和摻量。填料如GGBS 或FA通過填充于超細砂粒之間的空隙，有效增加密實度，從而提高試件強度。摻GGBS 的砂性混凝土比摻FA 的具有更高的劈裂抗拉強度，這是由于GGBS 的顆粒更細，摻入GGBS 后，砂性混凝土的粒徑分布較好。此外，更大的顆粒總表面積也有利于火山灰反應的進行。更細的顆粒和更高的火山灰活性，使得摻入GGBS 后可以快速地發生火山灰反應，水化產物的填充降低了總孔隙率，增加了密實度，改善了混凝土的微觀結構。

2.3 抗沖磨性能

不同填料及不同摻量的砂性混凝土的質量損失和抗沖磨強度試驗結果見圖4。

圖4 填料類型和摻量對砂性混凝土抗沖磨性能的影響Fig.4 Influence of filler type and content on abrasion resistance of sand concrete

從圖4 中可以看出，砂性混凝土的質量損失在達到最優值后開始增加，而抗沖磨強度在達到最大值后開始下降。同樣，GGBS 和FA 填料的最佳摻量分別為200 kg/m3和150 kg/m3，最佳GGBS摻量下，試件的質量損失率和抗沖磨強度分別為6.50%和24.10 h/（kg/m2），最佳FA 摻量的試件質量損失和抗沖磨強度分別為8.10%和19.50 h/（kg/m2）。GGBS 更細的顆粒和更高的比表面積，提高了試件的強度和抗沖磨性能。已有研究報道，抗沖磨性能與孔隙結構密切相關。Rao 等[7]認為，通過改變混凝土的孔隙率和孔隙大小，并加入一些輔助膠凝材料，如FA、硅灰和GGBS，可以提高混凝土的抗沖磨性能。此外，Sofia[8]發現活性填料水化后可以有效改善骨料界面，從而提高抗壓強度。隨著水化硅酸鈣C-S-H 凝膠數量的增加，砂性混凝土的孔隙率降低，試件強度增加。因此，通過在砂性混凝土中適量添加GGBS 和FA 細顆粒，有效填充了原本存在的空隙，進一步優化了混凝土的內部結構，不僅減小了孔隙尺寸，使混凝土更加緊密，還顯著提高了砂性混凝土的抗壓強度。這種優化設計不僅增加了混凝土的整體密實性，還改善了其力學性能，使其具備更高的耐久性和抗沖磨性能。因此，摻入GGBS 和FA 細顆粒對于砂性混凝土的性能提升具有重要意義。

2.4 經濟分析

當廢棄超細砂作為主要原料時，與普通C30混凝土相比，單方造價如表4 所示。在計算中，考慮了廢棄超細砂的運輸費用，按40 元/t 計算。這種利用廢棄超細砂的混凝土方案不僅在成本上更具競爭力，還有助于減少環境負荷和資源浪費。廢棄超細砂的運輸費用的計算是為了全面評估使用廢棄材料所帶來的經濟效益。通過合理利用廢棄超細砂，可以實現資源的有效回收利用，并在工程項目中降低成本。

表4 普通C30 混凝土和廢棄砂砂性混凝土單方材料費對比Table 4 Comparison of the cost per cubic volume of ordinary C30 concrete and sand concrete made with waste sand

從表4 可知，與基準C30 混凝土相比，單方超細砂砂性混凝土生產成本降低31.1%，成本節約將為生產商帶來顯著的經濟優勢。超細砂砂性混凝土還能夠廣泛利用礦粉、粉煤灰等工業廢渣，進一步提升了其環境可持續性。通過有效回收和再利用這些工業廢渣，不僅減少了廢棄物的排放，還將資源利用效率提高到了一個全新的水平，將廢棄超細砂轉化為一種有價值的建筑材料。這一創新解決方案不僅帶來了成本節約，還提升了可持續發展的實踐高度，為推動綠色建筑和可持續發展做出了重要貢獻。

3 結語

1）結果表明，在固定水泥摻量下，隨著填料的增加，砂性混凝土的強度先增大到最大值，然后減小。GGBS 和FA 的摻量分別為200 kg/m3和150 kg/m3時，超細砂混凝土具有最優強度，28 d時，試件抗壓強度分別為36.5 MPa 和30.1 MPa，抗劈裂強度分別為3.01 MPa 和2.10 MPa。

2）用超細廢砂制備的砂性混凝土具有良好的抗沖磨性，最佳抗沖磨強度分別為24.10 h/（kg/m2）和19.50 h/（kg/m2），具有良好的抗沖磨性能。對GGBS 和FA 作為砂性混凝土填料的對比研究表明，前者摻入制備的砂性混凝土在不同齡期力學和耐久性能均優于后者。主要是由于GGBS 有更細的顆粒、更好的顆粒分布和更高的火山灰活性。

3）通過使用廢棄超細砂制備的單方超細砂砂性混凝土，與普通C30 混凝土相比，降低生產成本達到了31.1%的幅度。新型砂性混凝土主要以航道整治工程廢棄超細砂為原料制備，具有廣泛的應用前景，可以替代普通混凝土用于制作壓載塊等水工材料，還能在航道整治工程中就地應用。后續有待進一步開展新型砂性混凝土配合比試驗和理論方法研究，為其推廣應用提供基礎。