靜停時間對長江下游蒸養疏浚砂漿特性的影響

摘要：長江下游航道疏浚產生大量疏浚砂，疏浚砂的資源化利用受到重視。利用疏浚砂部分取代機制砂制備砂漿，研究不同靜停時間對疏浚砂砂漿特性的影響，測試不同齡期的抗壓強度，通過X射線衍射、掃描電鏡、壓汞技術，分析不同靜停時間、不同疏浚砂取代率砂漿的微觀特性。結果表明：隨著靜停時間的增加，90 d抗壓強度逐漸增加，抗滲性能得到明顯改善；摻入疏浚砂使得砂漿的抗壓強度有所提高，且隨疏浚砂取代率的增加先增大后減小；疏浚砂砂漿的抗壓強度與疏浚砂取代率有較大關系，其影響程度與靜停時間有關，疏浚砂對低靜停時間有較突出的增強效果；疏浚砂有效改善了由蒸養造成的孔結構粗化和孔隙增大等問題，適宜的疏浚砂取代率對蒸養砂漿性能的改善效果明顯。

關鍵詞：疏浚砂；超細砂；砂漿；靜停時間；力學性能；微觀結構

中圖分類號：TU521.1" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：2096-6717（2024）04-0193-09

The influence of static stop time on the characteristics of steam dredged mortar in the Yangtze River

WU Chaoguo1a， CHEN Xudong1a， NING Yingjie2， ZHANG Wei1b，3， FENG Lu1a

（1a. College of Civil Engineering and Transportation; 1b. College of Water Resources and Hydropower， Hohai University， Nanjing 210098， P. R. China; 2. Zhejiang Communications Construction Group Co.， Ltd.， Hangzhou 310051， P. R. China; 3. Yangzhou Water Resources Bureau， Yangzhou 225000， Jiangsu， P. R. China）

Abstract： Due to the large amount of dredged sand produced by dredging in the lower reaches of the Yangtze River， the resource utilization of dredged sand has been given attention. The mortar was prepared by partially replacing manufactured sand with dredged sand， and the influence of different static stop time on the characteristics of dredged sand mortar was studied， the compressive strength at different ages was tested， through X-ray diffraction， scanning electron microscopy， and mercury pressing technology， the micro characteristics of different static stop time different dredged sand replacement rate mortar. The results show that with the increase of static stop time， the 90 d compressive strength increases gradually， and the impermeability is also significantly improved; The compressive strength of mortar increases with the addition of dredged sand， and increases first and then decreases with the increase of replacement rate of dredged sand; The compressive strength of dredged sand mortar has a great relationship with the replacement rate of dredged sand， and its influence degree is related to the static stop time. The dredged sand has a prominent strengthening effect on the low static stop time; dredged sand can effectively improve the problems of pore structure coarsening and pore enlargement caused by steam curing. Appropriate replacement rate of dredged sand has obvious improvement effect on the performance of steam curing mortar.

Keywords： dredged sand； superfine sand； mortar； static stop time； mechanical properties； microstructure

長江是中國內陸地區的主要航道，水下砂體的不斷堆積和變化運移直接影響長江下游深水航道的正常運行。為保證航道的通航能力，需定期對航道進行疏浚作業，每年疏浚產生的廢棄砂土量達到8 000萬m3 [1]。以往是在指定地點進行拋棄處理，但這會產生環境污染，因此，急需一種環境友好的解決方案。近些年，展開了對疏浚砂的資源化利用研究，李水江等[2]利用真空預壓-逐級加能動力壓實聯合電滲法克服了傳統聯合法處理疏浚淤泥的缺陷；張偉等[3]利用爐渣粉、粉煤灰代替大量的水泥作為膠凝材料，通過不同配比的正交試驗篩選出最優的固化劑配比；Van等[4]研究了疏浚沉積物對混合水泥的早期水化和自生變形行為的影響，結果表明其對混合水泥的早期水化影響和粉煤灰相似；Snellings等[5]通過閃蒸將疏浚沉積物加工并替代膠凝材料，結果表明隨著替代率的提高，強度發展較慢，且疏浚沉積物具有明顯的火山灰活動；李升濤等[6]利用疏浚砂作為細骨料，設計并制備出堿激發礦渣混凝土；秦擁軍等[7]利用沙漠砂作為細骨料制備混凝土，結果表明混凝土的抗壓強度得到了有效提高；梅軍帥等[8]研究了珊瑚砂漿的力學性能，以及礦物摻合料對珊瑚砂漿的改性作用，結果表明珊瑚砂漿的力學強度低于標準砂漿，加入復合礦物摻合料后能提高珊瑚砂漿的力學性能。另外，還有沙漠砂、海砂等細砂充當混凝土細骨料的研究[9-12]，但是關于長江下游疏浚砂的研究還較少。

在冬季氣溫極低的情況下，預制工廠會對護坡磚、沉排、魚巢磚等砂漿預制構件采用蒸汽養護，雖然能滿足預制構件快速化生產的要求，但會出現水化產物分布不均勻、孔結構粗化、后期強度和耐久性能較差等問題。試件成型入模到蒸汽養護升溫之前進行標準養護的時間，稱為靜停時間，一定的靜停時間能有效降低蒸養帶來的不利影響。Zdeb[13]探究了90 ℃蒸汽養護條件下靜停時間為0、3、6、12、24 h時活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）的強度，結果表明靜停6 h時RPC的強度最大；張耀煌等[14]探究了預養時間為0、1、2、3 h的普通混凝土抗壓強度，結果表明，預養時間越長，抗壓強度越高；Shi等[15]研究了2、4、6、8 h靜停時間對早期微結構形成的影響，延長靜停時間有利于蒸養混凝土的長期性能。

在水泥基材料中將疏浚砂作為一種細骨料代替機制砂，既豐富了疏浚砂的處理方案，也讓水泥基材料細骨料的選擇更加廣泛；通過蒸養制備疏浚砂預制構件，可以實現廢棄資源的有效利用，提高預制構件的生產效率。筆者設計3種不同的疏浚砂取代率配合比，在不同靜停時間下進行蒸養試驗，并對其力學性能和微觀特性進行研究。

1 試驗方案

1.1 原材料

試驗原材料包括：P·O 52.5級普通硅酸鹽水泥；F類Ⅱ級粉煤灰，活性指數為80%，密度為2 080 kg/m3，其化學成分如表1所示；S95礦粉，密度為2 870 kg/m3，活性指數95%，其化學成分如表2所示；江蘇蘇博特新材料公司生產的聚羧酸減水劑；機制砂和長江下游疏浚超細砂，物理性能參數如表3所示，化學成分如表4所示，細度模數分別為3.2、0.5，相比于機制砂，疏浚砂的粒徑較小，表觀密度較大，吸水率較大。疏浚砂的微觀形貌和級配曲線如圖1所示，其圓潤度較低，砂漿的工作性能容易下降。

1.2 配合比

針對上述疏浚砂，當疏浚砂取代率達到25%時，其工作性能降低[6]。研究根據疏浚砂占細骨料的質量百分比等質量替代機制砂，最終確定了3種疏浚砂取代率k，分別為零取代率0%、低取代率15%、高取代率50%，具體配合比如表5所示。

1.3 養護制度

采用兩種養護制度，一種為標準養護，另一種為恒溫時間5 h、養護溫度60 ℃的蒸汽養護。根據《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）[16]中的方法拌制砂漿，入模之后，其中3組放入標養室進行標養，另外9組分別靜停3、6、18 h之后放入蒸養箱，升溫速率和降溫速率均為30 ℃/h。蒸汽養護結束之后，待試件降至室溫進行拆模標號，隨后進行標準養護。部分試件編號如表6所示，試件編號以“疏浚砂取代率DS-靜停時間”的規則進行命名。

1.4 試驗方法

砂漿抗壓強度試驗參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021），利用微機控制電液伺服抗壓抗折試驗一體機對砂漿的7、28、90 d抗壓強度進行測定，試驗采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，每組3個試件。毛細吸水試驗采用同樣的試件，在達到28 d齡期時進行試驗，試驗開始前將待測試件烘干至恒重后稱量，精確至0.1 g；隨后將試件浸入20 ℃水中并計時，保持液面高出試件底面5 mm，間隔固定時間取出，用毛巾擦拭并迅速稱重，重復該過程直至24 h。采用美國FEI Quanta 250FEG真空掃描電鏡和帕納科的X'Pert3 Powder分析砂漿界面區結構的微觀形貌和水化產物，采用美國Micromeritics AutoPore V全自動壓汞儀測試孔徑分布。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓性能分析

圖2所示為k=0%時，不同靜停時間下，砂漿抗壓強度隨齡期變化的情況，隨著靜停時間的增加，試件的7、28、90 d抗壓強度逐漸增大，靜停時間為18 h時最大，相比于同齡期的標養對照組，7、28 d抗壓強度提升不大，且90 d抗壓強度有所降低，過長的靜停時間對純機制砂漿后期強度的發展作用不大。

圖3所示為k=15%時，隨著靜停時間的增加，試件的7、28 d抗壓強度先增大后減小，靜停時間為6 h時最大，相比于同齡期的標養對照組，7 d抗壓強度最大能提升13.2%，28 d抗壓強度最大能提升5%，隨著靜停時間的增加，90 d抗壓強度也隨著增大，靜停時間為18 h時最大，相較于同齡期下的15DS-b，能提升8.6%，因此，靜停時間對蒸養后期強度發展有不可忽視的作用。從7 d抗壓強度來看，蒸養能提高15%取代率砂漿的早期抗壓強度，最大能提升13.2%；到28 d齡期時，15DS-3抗壓強度明顯低于標養對照組，此時，靜停時間太短使得砂漿內部結構并不具備足夠的強度來抵抗蒸養時的濕熱作用，內部結構損傷嚴重，對后期抗壓強度產生不良影響；到90 d齡期時，15DS-3依然低于標養對照組，而15DS-6和15DS-18高于標養對照組，最大提升了8.6%。這說明靜停時間達到一定數值時，可以提高砂漿試件抵抗濕熱作用的能力，抵消蒸養對后期抗壓強度發展的不良影響，甚至能小幅度提高后期強度，且疏浚超細砂顆粒小，也能對內部孔結構起到填充作用，進一步提高密實度。

圖4所示為k=50%時，隨著靜停時間的增大，試件的7、28、90 d抗壓強度逐漸增大，靜停時間為18 h時最大，相比于同齡期的標養對照組，7 d抗壓強度最大能提升31.2%，28 d抗壓強度最大能提升22.1%，90 d抗壓強度提升幅度不大，不到1%。從7 d抗壓強度來看，蒸養能提高50%取代率砂漿的早期強度，最大提升31.2%；到28 d齡期時，50DS-3抗壓強度和標養對照組相差不大；到90 d齡期時，50DS-3抗壓強度明顯低于標養對照組，下降了8.3%，而50DS-6和50DS-18抗壓強度和標養對照組相差不大。可以看出，雖然前期強度增長很快，但是后期強度與標養對照組相比并沒有太大的變化。

總體而言，隨著靜停時間的增大，90 d抗壓強度在逐漸增長，但過長的靜停時間對后期強度的提升不明顯。

圖5所示為不同疏浚砂取代率下的90 d抗壓強度，隨著疏浚砂取代率的增大，90 d抗壓強度先增大后減小，且摻入疏浚砂的90 d抗壓強度始終大于未摻入疏浚砂的。標養下，取代率為15%、50%的砂漿90 d抗壓強度較0%分別提高了10.6%、7.6%；18 h靜停時間下，分別提高了28.7%、16.2%；6 h靜停時間下，分別提高了24.6%、18.1%；3 h靜停時間下，分別提高了35.2%、21.2%。疏浚砂砂漿的抗壓強度與疏浚砂取代率有較大關系，其影響程度和靜停時間有關，疏浚砂對低靜停時間有較突出的增強效果。

疏浚砂粒徑極細，適量摻入能改善砂漿細骨料級配，當疏浚砂和機制砂的不同粒徑近似滿足Horsfield密實堆積理論，在砂漿振搗成型時能達到最佳密實狀態。機制砂顆粒之間的空隙被疏浚砂顆粒填充（見圖6（a）），有效改善了由蒸養造成的孔結構粗化和孔隙增大等問題（見圖6（b））。當疏浚砂取代率過高時，會導致細骨料級配不良，形成更多的孔隙[17]。另外，細骨料顆粒之間的傳力路徑會發生改變，如圖6（c）所示，最后，相比于普通砂，疏浚砂的比表面積更大，吸水量更大，砂漿流動性降低，在振搗過程中不易密實，將會產生大的孔隙[17-18]；同時砂漿中的膠漿減少，無法完全包裹砂顆粒，將會導致抗壓強度下降。

2.2 水化產物分析

采用XRD（X-ray Diffraction）技術對k=50%時不同靜停時間下的水化產物進行分析，圖7所示為不同靜停時間下的28 d水化產物XRD圖譜。從圖中可以看出，k=50%時，砂漿的水化產物主要是SiO2、CaCO3、C-S-H凝膠，還有少量的Ca（OH）2，蒸養并沒有改變水化產物主要組成成分。50DS-3的CaCO3衍射峰明顯大于其余3個試件組，但C-S-H凝膠的衍射峰最低，這可能是由于水化受阻；標養對照組的C-S-H凝膠衍射峰同樣很低，隨著靜停時間的增加，CaCO3衍射峰逐漸下降，C-S-H凝膠衍射峰卻在逐漸上升，說明較長的靜停時間能使水化程度更高，提高內部結構的密實度，且蒸養相比于標養能提高水化程度，C-S-H凝膠能使孔結構更加地致密，從而提高疏浚超細砂漿的抗壓強度；而且50DS-3的SiO2衍射峰同樣大于其余3個試件組，這主要是因為靜停時間較短，進行蒸養之后，在高溫的作用下，水化速度非常快，生成的凝膠粒子與大量的超細砂顆粒連接在一起，在外部形成了致密的屏蔽膜，阻礙了水化向里進行[19]，內部殘留大量的SiO2，從而導致28 d抗壓強度較低。

2.3 微觀形貌分析

一定的靜停時間有利于水泥更充分地反應，從而生成較細的水化產物，在蒸養之前形成更加致密的內部結構，圖8所示為k=50%時不同靜停時間下的28 d水化產物SEM（Scanning Electron Microscope）圖像。

從圖8可以看出，經過蒸養之后，SEM圖像中有很明顯的微裂縫，且孔結構粗化，隨著靜停時間的增加，內部孔結構越來越致密。50DS-b的密實度介于50DS-6和50DS-18之間，從圖中可以看出，絮狀物為C-S-H凝膠，片狀物為Ca（OH）2晶體。從圖8（a）中可以看出，50DS-3結構多孔洞裂隙，有大量的方狀Ca（OH）2晶體存在，呈不定向層狀堆疊，孔隙較大，水化產物分布不均勻，進而影響其抗壓強度；從圖8（b）可以看出，50DS-6結構存在明顯的裂隙，Ca（OH）2晶體小范圍減少，而絮狀物C-S-H凝膠開始增多，且Ca（OH）2晶體多呈疊片狀，排列致密均勻，粉煤灰顆粒表面有明顯的刻蝕痕跡，說明蒸養使粉煤灰開始二次水化反應，而C-S-H凝膠的產生有助于提高密實度，減小孔隙率；從圖8（c）中可以看出，50DS-18結構中的Ca（OH）2晶體已經不明顯，主要為C-S-H凝膠，C-S-H凝膠能填充孔隙，使內部結構更加密實，孔隙率進一步降低，這也說明50DS-18的水化程度非常高，消耗了大量的Ca（OH）2；從圖8（d）可以看出，50DS-b中的Ca（OH）2晶體一部分呈不定向層狀堆疊，還有一部分呈疊片狀，C-S-H凝膠分布范圍不及50DS-18，水化速度稍慢；隨著靜停時間的增加，C-S-H凝膠在圖像中越來越明顯，這也證明了隨著靜停時間的增加，水化程度越高，內部孔結構會更加密實，增加靜停時間，能有效地降低孔隙率，提高內部結構的密實度，這將進一步提高砂漿的抗壓強度。

2.4 孔結構分析

采用壓汞技術對不同靜停時間下疏浚超細砂漿的28 d孔結構進行分析，50DS-3的孔隙率為17.92%；50DS-6的孔隙率為15.32%；50DS-18的孔隙率為12.95%；50DS-b的孔隙率為16.60%，且孔隙率對抗壓強度的影響要大于孔徑分布[20]。隨著靜停時間的增加，疏浚超細砂漿的孔隙率越來越小，砂漿的密實度越來越高，說明在一定的靜停時間之后，砂漿具備了一定的強度來抵抗蒸養時的濕熱作用，內部結構得到了加強，內部孔隙率得到了控制，密實度增加，強度也得到了提高。根據孔徑對水泥基材料的影響將其分為[21]凝膠孔（lt;10 nm）、過渡孔（10～100 nm）、毛細孔（100～1 000 nm）、大孔（gt;1 000 nm），k=50%時不同靜停時間下砂漿的孔徑分布微分曲線和孔徑分布圖如圖9、圖10所示。

圖9中曲線的峰值為出現概率最大的孔徑，被稱為最可幾孔徑[22]。從圖中可以看出，50DS-3和50DS-6的最可幾孔徑為13.7 nm，50DS-18的最可幾孔徑為17 nm，50DS-b的最可幾孔徑為11 nm。由圖10可知，相較于50DS-b，50DS-3的凝膠孔比例下降了23.07%，大孔比例增加了12.54%，50DS-6的凝膠孔比例下降了12.21%，大孔比例增加了5.88%，這可能是快速的水化反應使得水化產物的密度快速增加且分布不均，造成了內部氣孔和孔隙粗化[23]，這些氣孔大部分轉為大孔，對砂漿的抗壓強度造成了不良影響。而50DS-18的凝膠孔比例下降了2.6%，毛細孔比例增加了3.48%，大孔比例下降了1.17%，這意味著經過18 h的靜停，砂漿內部結構得到了加強，蒸養時氣孔轉為凝膠孔，毛細孔和大孔的產生遭到了抑制，砂漿的孔隙率降低，變得更加密實，這與微觀形貌分析結果一致。

2.5 毛細吸水率分析

采用毛細吸水試驗進一步驗證k=50%時砂漿的孔結構變化規律，通過分析吸水量和吸水率兩階段的規律，進一步探討疏浚超細砂漿的孔結構特征。如圖11、圖12所示，兩種養護條件下，吸水率和時間平方根曲線均存在二階段效應。韓松等[24]認為，二階段效應分別對應毛細孔的填充（階段Ⅰ）和凝膠孔的滲透（階段Ⅱ）。總體上，不同靜停時間試件組的吸水量均隨著時間的延長呈不斷增大的趨勢，與標養對照組的趨勢一樣，但不同靜停時間的增長速率明顯不同，呈現出3 hgt;6 hgt;標養gt;18 h的結果，3 h時吸水量最大，為2.3 g，18 h時吸水量最小，為1.7 g，靜停時間對毛細吸水率的影響較大。與標養相比，蒸養條件下的水化程度更高，隨著靜停時間的增加，毛細孔進一步細化，但靜停時間太短，會導致大孔進一步粗化，進而影響砂漿的抗壓強度。從壓汞試驗結果可以看出，50DS-18的大孔比例最小，水化程度更高，毛細孔細化程度最高，凝膠孔比例較大；50DS-6的大孔比例明顯增多，水化程度較高，但蒸養使得大孔進一步增多；50DS-3的大孔比例最大，其次是50DS-6，靜停時間較短，會導致大孔進一步粗化，削弱了砂漿的抗壓強度；50DS-b的大孔比例較小，但水化程度較低，其吸水量也較低。綜上所述，當靜停時間達到18 h時，抗滲性能得到明顯提升，毛細孔細化為凝膠孔，吸水量較少，靜停時間較短，毛細吸水量會增大，對毛細吸水率影響較大，而標養下對毛細吸水量的影響不大，試驗結果與孔結構分析和微觀形貌分析結果相印證。

3 結論

1）疏浚砂砂漿隨靜停時間的增加，90 d抗壓強度逐漸增大，抗滲性能也得到明顯改善，但過長的靜停時間對后期強度的提升不明顯。疏浚砂砂漿隨取代率的增加，90 d抗壓強度先增大后減小，適量摻入疏浚砂，能提高抗壓強度，過量則反之。

2）疏浚砂砂漿的抗壓強度與疏浚砂取代率有較大關系，其影響程度和靜停時間有關，摻入疏浚砂能有效地改善由蒸養造成的孔結構粗化和孔隙增大等問題，疏浚砂對低靜停時間有較突出的增強效果。

3）對于疏浚砂砂漿，不同的靜停時間會影響孔隙率的大小，較短的靜停時間對孔隙的細化作用有限，大孔比例遠大于標養，靜停時間較長時，氣孔經過蒸養轉化為凝膠孔，毛細孔和大孔的產生受到了抑制，有效降低了孔隙率，提高密實度。

4）摻入適量疏浚砂對蒸養砂漿性能的改善效果明顯，根據筆者試驗結果，考慮時間成本、原料成本和抗壓性能，靜停時間應不小于6 h，疏浚砂取代率為50%時較好。

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（編輯" 王秀玲）

收稿日期：2022?07?12

基金項目：國家重點研發計劃（2021YFB2600200）；國家自然科學基金（51979090）；國家重點實驗室開放基金（2019CEM002）

作者簡介：吳朝國（1999- ），男，主要從事綠色高性能混凝土材料研究，E-mail：wcg19991116@163.com。

通信作者：陳徐東（通信作者），男，教授，博士生導師，E-mail：cxdong1985@163.com。

Received： 2022?07?12

Foundation items： National Key R amp; D Program of China （No. 2021YFB2600200）; National Natural Science Foundation of China （No. 51979090）; State Key Laboratory of High-Performance Civil Engineering Materials （No. 2019CEM002）

Author brief： WU Chaoguo （1999- ）， main research interest： high performance green concrete materials， E-mail： wcg19991116@163.com.

corresponding author：CHEN Xudong （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： cxdong1985@163.com.