(1.河海大學(xué) 疏浚技術(shù)教育部工程研究中心，南京 210098； 2.長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院, 南京 210098；3.南京市長江河道管理處，南京 210011； 4.南京市江寧區(qū)趙村水庫管理所，南京 211199)

1 研究背景

為確保黃金水道通航效率，整個(gè)長江干線平均每年需要疏浚的淺灘有50多處，每年的疏浚量約8 000萬m3。隨著長江下游南京河段以下12.5 m深水航道全線貫通，長江下游航道的維護(hù)要求進(jìn)一步提高，每年長江下游航道維護(hù)的疏浚量巨大，2021年長江江蘇段計(jì)劃維護(hù)性疏浚1 703萬m3。傳統(tǒng)處置方法通常是將航道疏浚砂土裝運(yùn)拋入指定的長江深槽水域，或直接拋入疏浚地點(diǎn)附近的深槽，未能有效利用并造成大量的資源浪費(fèi)，導(dǎo)致水資源的二次污染。此外，疏浚砂的處置涉及尾水排除、轉(zhuǎn)運(yùn)方式、棄址選取、生態(tài)環(huán)境影響等多個(gè)環(huán)節(jié)與問題[1]。對(duì)疏浚砂的簡單粗放型處置方式，與強(qiáng)調(diào)節(jié)約資源、綠色開發(fā)的時(shí)代形勢背道而馳。

目前對(duì)于疏浚砂土的資源化利用主要包括吹填造陸[2]、高溫?zé)Y(jié)制磚制陶[3-4]、固化處理制備水泥基材料[5-6]等。隨著國家對(duì)環(huán)境的重視，圍海造地等方式受到限制；高溫?zé)Y(jié)陶粒導(dǎo)致二次污染，而疏浚砂土的建材化利用為切實(shí)可行的方法。將疏浚砂“變廢為寶”用于水運(yùn)、公路等工程建設(shè)，從根本上改變以往將大量疏浚砂土直接外拋的簡單做法，對(duì)促進(jìn)長江生態(tài)保護(hù)將起到積極作用。但長江下游疏浚砂細(xì)度模數(shù)通常為0.1～0.3，為極細(xì)砂，工程利用價(jià)值差。以其作為主要原料制備水泥基等材料替代普通混凝土，需要解決漿體需水量大、制備的塊體容易收縮開裂、強(qiáng)度低等問題[7]。

現(xiàn)有關(guān)于以極細(xì)砂替代細(xì)骨料制備水泥基材料的研究較少。宋云濤等[8]基于廢棄超細(xì)砂制備細(xì)粒混凝土，結(jié)果表明摻加粉煤灰16.6%時(shí)，細(xì)?；炷恋?8 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，對(duì)比普通C20混凝土大幅降低成本；羅文東等[6]以超細(xì)砂制備高強(qiáng)砂漿，發(fā)現(xiàn)復(fù)摻粉煤灰和硅粉摻量為18%和6%時(shí)，所制備高強(qiáng)砂漿具有良好的抗壓、抗折強(qiáng)度和水穩(wěn)定性能；陳金武[9]以大沙河綜合治理生態(tài)護(hù)岸工程為例，測定了特細(xì)砂混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性能，得到了能夠滿足當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)護(hù)岸工程建設(shè)要求的配合比方案。

本文以長江下游疏浚砂為試驗(yàn)材料，選用不同含泥量的疏浚砂樣，分別采用振動(dòng)成型和半干法壓制成型方法制備水泥基材料，通過檢測不同齡期試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗水侵蝕和抗沖磨耐久性等物理、力學(xué)和耐久性能，探索長江下游極細(xì)疏浚砂的高效、科學(xué)、資源化利用。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用水泥為普通硅酸鹽P.O42.5水泥，執(zhí)行《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)。粉煤灰為 Ⅱ 級(jí)粉煤灰，執(zhí)行《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)。減水劑采用聚羧酸型減水劑。

試驗(yàn)采用的極細(xì)疏浚砂均取自長江下游南京河段某沙洲汊道段，依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)所述，采用篩分法進(jìn)行粒度分布試驗(yàn)，得到粒徑分布如圖1所示。A砂樣和B砂樣細(xì)度模數(shù)分別在0.3和0.1左右，均屬于超細(xì)沙。依據(jù)《建筑用沙》(GB/T 14684—2011)所述，采用淘洗法進(jìn)行試驗(yàn)分析得A砂樣含泥量為6.5%，B砂樣含泥量為25.8%，測得兩砂樣松散堆積密度分別為1 210 kg/m3和1 162 kg/m3。此外，為更好地探索含泥量的變化所帶來的相關(guān)影響，試驗(yàn)中增加了一組含泥量為12%的自配疏浚砂樣C組進(jìn)行對(duì)比。

圖1 長江下游疏浚砂樣粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of dredged sand samplesfrom the downstream of Changjiang River

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)各組砂漿配合比為水灰比0.6，灰砂比1∶2，減水劑摻量0.5%，并以粉煤灰等量替代30%水泥用量，以改善水泥基材料性能。采取振動(dòng)成型工藝，將物料按一定配比干拌混合均勻后，將減水劑倒入混合料，加水濕拌至均勻。將攪拌均勻的混合物料裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm成型模具中，分兩次進(jìn)行振動(dòng)成型，放置24 h脫模，定期灑水養(yǎng)護(hù)。

所采取的半干法成型工藝中，除不摻用減水劑外，配合比與前述振動(dòng)成型工藝試驗(yàn)相同；將物料以相同的配比干拌2 min后加水濕拌均勻，接著加入模具，在壓制機(jī)械下分段加壓至規(guī)定壓力后恒壓2 min，卸壓后拆除模具，定期灑水養(yǎng)護(hù)。

試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2017)，以3個(gè)試件為一組，分別養(yǎng)護(hù)至3、28、90 d齡期進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的檢測；試件的軟化系數(shù)參照《混凝土小型空心砌塊試驗(yàn)方法》(GB/T 4111—2013)進(jìn)行檢測；試件流動(dòng)度和抗沖磨性能依據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》(GB/T 2419—2005)進(jìn)行測定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 振動(dòng)成型工藝下不同含泥量對(duì)試件力學(xué)性能的影響

疏浚砂水泥基材料經(jīng)混合攪拌，振動(dòng)成型后，水化生成的水化硅酸鈣、水化鐵酸鈣凝膠以及氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣等晶體將疏浚砂顆粒膠結(jié)在一起，形成密實(shí)的三維空間網(wǎng)絡(luò)，使水泥石結(jié)構(gòu)更致密，并有效促進(jìn)水泥基材料強(qiáng)度的增長。

圖2 振動(dòng)成型工藝下含泥量對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of mud content on mechanical propertiesof cement-based materials under vibration molding

在振動(dòng)成型工藝下，試件抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度力學(xué)性能測試結(jié)果如圖2所示。隨著材料含泥量的增加，試件的28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度呈明顯降低趨勢。含泥量為6.5%的試件較含泥量為25.8%的試件3 d、28 d和90 d抗壓強(qiáng)度分別提高24.8%、29.5%和18.8%，分別可達(dá)18.1、35.1、44.8 MPa；3 d和28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高12.5%和13.7%，為2.7 MPa和3.98 MPa。

3.2 振動(dòng)成型工藝下不同含泥量對(duì)水泥基材料耐久性能的影響

在港航工程中，護(hù)岸建筑物常受到水流紊動(dòng)、波浪沖擊等侵蝕沖磨，因此要求建筑材料有較高的軟化系數(shù)及優(yōu)良的抗沖磨性能。

在振動(dòng)成型工藝下，對(duì)疏浚砂水泥基材料耐久性能進(jìn)行測定，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。疏浚砂水泥基材料具有較好的抗水侵蝕性，含泥量的升高對(duì)水泥基材料的耐久性能有不良影響，相較于含泥量較高的疏浚砂試樣B(含泥量為25.8%)，含泥量為6.5%的疏浚砂試樣A擁有更高的流動(dòng)度，其抗沖磨強(qiáng)度提高了31.6%，可達(dá)12.5 h/(kg/m2)，質(zhì)量損失率降低了20.0%，可達(dá)8.4%。在此方法下制備的疏浚砂水泥基材料的抗沖磨強(qiáng)度，均能達(dá)到普通C40混凝土水平[10]。除此之外，由于無需加入粗骨料，疏浚砂水泥基材料試件密度較小，均為2 000 kg/m3左右。

表1 不同含泥量對(duì)水泥基材料耐久性能的影響Table 1 Effect of mud content on durability ofcement-based materials

3.3 半干法成型工藝下不同含泥量對(duì)試件力學(xué)性能的影響

分別使用上述3種疏浚砂樣作為原材料，以最高壓制強(qiáng)度20 MPa進(jìn)行半干法壓制成型。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于砂粒比較松散，粘結(jié)差，壓制無法成型，低含泥量A砂樣(6.5%)的試件脫模后隨即破壞，即使加入碳酸鋰早強(qiáng)劑靜置90 min后，也無法有效成型。而對(duì)于另兩組試件，半干法壓制下均可成型，其抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示，含泥量的增加有利于壓制成型試件強(qiáng)度的增長。對(duì)含泥量為25.8%的B組疏浚砂，壓制試件(圖3)較振動(dòng)成型(圖2)試件28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高36.5%和25.7%，可達(dá)37.0 MPa和4.4 MPa，壓制試件在機(jī)械力和化學(xué)雙重作用下具有更高的力學(xué)強(qiáng)度。此外，半干法壓制成型試件密度均在2 100 kg/m3左右。

3.4 成型工藝與含泥量對(duì)水泥基材料的影響

在制備水泥基材料的過程中，可采用振動(dòng)成型與半干法壓制成型方法。前者使得物料在高頻振動(dòng)下液化，進(jìn)而在自重和外力約束下密集地填充于模具中，同時(shí)有效排出顆粒間的空氣，形成密度均勻、強(qiáng)度可靠的工程材料；而后者則通過壓力，將分散的固體顆粒最大限度地推近，并通過含有一定水分和其他黏結(jié)劑的表面，使物料顆粒間形成一定的鍵合(分子鍵、氫鍵)，從而成為具有一定強(qiáng)度的彈性體。

圖3 半干法壓制成型下含泥量對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of mud content on mechanical propertiesof cement-based materials under semi-dry pressingmolding

表2 普通C30混凝土和疏浚砂水泥基材料綜合費(fèi)用比較Table 2 Comparison of cost between ordinary C30 concrete and dredged sand in preparing cement-based materials

《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)對(duì)砂的含泥量的定義是“天然砂中粒徑<75 μm的顆粒含量”。在振動(dòng)成型工藝下，疏浚砂中粒徑較小的黏土顆粒因其較大的比表面積，將吸附大量的水分，隨著疏浚砂樣含泥量的增加，所制備的水泥基材料流動(dòng)性降低，需水量增大，和易性較差(表1)，李亞靜等[11]、李曉東等[12]、王晨晨等[13]有關(guān)水泥砂漿的研究也體現(xiàn)了這一特性。此外，泥料在振動(dòng)過程中，骨料間黏性降低從而促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，且隨著疏浚砂細(xì)顆粒在振動(dòng)下填充水泥基材料內(nèi)部孔隙，優(yōu)化材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度得以增長。但隨著含泥量的增加，一方面降低了骨料與水泥之間的粘結(jié)力，另一方面，細(xì)顆粒聚集成泥團(tuán)后形成軟弱區(qū)域，裹挾其中的有機(jī)質(zhì)等也影響著水泥的水化速率，從而導(dǎo)致水泥基材料強(qiáng)度的削減(圖2)；胡曉曼等[14]、李俊文[15]、Norvell等[16]自配含泥量不同的砂制備水泥砂漿，發(fā)現(xiàn)含泥量越高，砂漿抗壓強(qiáng)度顯著降低；于濤等[17]以不同含泥量的砂制備C30、C40混凝土，發(fā)現(xiàn)含泥量在6.25%以上時(shí)，含泥量升高對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大不利影響。

半干法壓制成型工藝下，含泥量較低(6.5%)的疏浚砂樣所制試件無法壓制成型，而含泥量較高(12%和25.8%)的疏浚砂樣所制水泥基材料，在機(jī)械力和化學(xué)的雙重作用下，較其在振動(dòng)成型工藝下，具有更高的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。這是因?yàn)樵诎敫煞▔褐葡?，通過擠壓出高含泥量材料拌合物中包裹的空氣，減少氣孔的數(shù)量，排出部分多余水分，消除漿體因化學(xué)收縮引起的部分微裂縫，細(xì)小的黏土顆粒在水分遷移和持續(xù)的高壓作用下不斷填充物料間的孔隙，依靠分子間吸引力產(chǎn)生了自然的黏結(jié)性，使得水泥基材料得以壓制均勻成型，從而擁有更高的密度和強(qiáng)度。而含泥量過低的試件細(xì)顆粒較少，壓制時(shí)物料間空隙難以被均勻填補(bǔ)而形成足夠的黏結(jié)，容易產(chǎn)生分層與裂隙，進(jìn)而無法有效成型。

在對(duì)長江下游疏浚砂的快速處理應(yīng)用上，針對(duì)不同含泥量的疏浚砂，可采用不同的密實(shí)成型方式，半干法壓制成型可以有效降低高含泥量對(duì)水泥基材料性能的不良影響。此外，依據(jù)不同含泥量的疏浚砂、不同成型條件下的試件抗壓強(qiáng)度及耐久性，可充分?jǐn)U大疏浚砂材料的使用范圍,如制備小型預(yù)制構(gòu)件護(hù)面磚、路面磚、路緣石等應(yīng)用于航道整治工程、公路路基的水泥穩(wěn)定層、輕質(zhì)環(huán)保磚、景觀混凝土工程等，為疏浚砂綜合利用提供更廣的使用環(huán)境。

3.5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

將上述疏浚砂樣分別按照振動(dòng)成型、半干法壓制成型方法制備水泥基材料，并與普通C30混凝土進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比，綜合費(fèi)用如表2所示。

較普通C30混凝土，在公路和水路兩種運(yùn)輸方式下，振動(dòng)成型疏浚砂水泥基材料可分別降低成本36.8%和33.0%，半干法壓制成型疏浚砂水泥基材料可分別降低成本40.5%和37.1%。在力學(xué)性能、耐久性能接近，成本低廉的優(yōu)勢下，以疏浚砂為原料制備水泥基材料替代普通C30混凝土使用，就近應(yīng)用于航道整治等工程建設(shè)，既解決了疏浚砂的處置難題，在制備過程中還可消耗大量粉煤灰等工業(yè)廢料，與綠色環(huán)保的國家新發(fā)展理念相一致。

4 結(jié) 論

(1)分別在振動(dòng)成型與半干法壓制成型方法下，以相同配合比探究含泥量對(duì)水泥基材料力學(xué)性能的影響。振動(dòng)成型方法下，由于泥料在振動(dòng)過程中降低了骨料與水泥之間的粘結(jié)力，對(duì)所制水泥基材料力學(xué)性能有不良影響，含泥量較低(6.5%)的疏浚砂樣較之含泥量較高(25.8%)的疏浚砂樣制得的水泥基材料28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高29.5%和13.7%，可達(dá)35.10 MPa和3.98 MPa；半干法壓制成型方法下，黏土顆粒不斷填充物料間的孔隙，依靠分子間吸引力黏結(jié)，含泥量的提高有助于試件強(qiáng)度的增長。對(duì)高含泥量(25.8%)試樣，半干法壓制成型較振動(dòng)成型所制水泥基材料的28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高36.5%和25.7%，可達(dá)37.0 MPa和4.4 MPa。針對(duì)不同含泥量的疏浚砂，可采用不同的密實(shí)成型方式，降低含泥量對(duì)水泥基材料性能的不良影響，并依據(jù)不同強(qiáng)度、耐久性的疏浚砂水泥基材料，擴(kuò)大疏浚砂材料的使用范圍，為疏浚砂綜合利用提供更廣的使用環(huán)境。

(2)疏浚砂水泥基材料具有較好的抗水侵蝕性，定期灑水養(yǎng)護(hù)后的軟化系數(shù)在94%以上。相較于含泥量較高(25.8%)的疏浚砂試樣，含泥量為6.5%的疏浚砂試樣擁有更高的流動(dòng)度，其抗沖磨強(qiáng)度提高了31.6%，可達(dá)12.5 h/(kg/m2)，質(zhì)量損失率降低了20.0%，可達(dá)8.4%。除此之外，由于無需加入粗骨料，疏浚砂水泥基材料試件密度較小，均為2 000 kg/m3左右。

(3)較普通C30混凝土，在公路和水路兩種運(yùn)輸方式下，振動(dòng)成型疏浚砂水泥基材料可分別降低成本36.8%和33.0%，半干法壓制成型疏浚砂水泥基材料可分別降低成本40.5%和37.1%，成本低廉，既解決了疏浚砂的處置難題，在制備過程中還可大量消耗粉煤灰等工業(yè)廢料，兼具環(huán)保和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。