宋云濤，董光輝，徐雪鴻，蘆安平，江朝華

(1.長(zhǎng)江南京航道工程局，南京 210011； 2.河海大學(xué) 水利學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，南京 210098)

1 研究背景

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)生態(tài)、環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的開(kāi)山采石方式，因爆破采石造成山體破壞、植被銳減，導(dǎo)致嚴(yán)重的水體、空氣污染和生態(tài)環(huán)境破壞而逐漸受到限制，天然砂石材料面臨嚴(yán)重短缺和枯竭。另外，各種航道整治工程如長(zhǎng)江中下游疏浚工程產(chǎn)生大量疏浚砂，陜北等沙漠地區(qū)也分布著大量的超細(xì)砂。這些砂子細(xì)度小，通常細(xì)度模數(shù)<0.7，比表面積、空隙率和吸水量大。利用廢棄超細(xì)砂制備混凝土替代普通混凝土，可以減少土地占用，降低工程造價(jià)，有效緩解天然砂石材料短缺或枯竭問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的生態(tài)效益。

細(xì)?；炷烈卜Q無(wú)粗骨料混凝土，主要由水泥、砂、填料和高效減水劑組成，其中砂替代普通混凝土中粗骨料，填料(粉煤灰、礦粉、石灰石等細(xì)顆粒)替代普通混凝土中的細(xì)骨料，水泥為膠凝材料，同時(shí)必須摻入高效減水劑降低用水量[1]。目前細(xì)粒混凝土主要應(yīng)用于粗骨料匱乏而砂蘊(yùn)藏量豐富的沙漠等地區(qū)。研究表明以細(xì)度模數(shù)為1.18左右的沙漠沙為主要原料制備壓實(shí)細(xì)?；炷粒?dāng)水泥和石灰石摻量分別為350 kg/m3和200 kg/m3時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)16.0 MPa[2]。Belhadj等[3]發(fā)現(xiàn)細(xì)粒混凝土的力學(xué)性能和斷裂性能受砂的物理性能如棱角形狀、最大直徑和粒徑分布等的影響。Karima等[4]將細(xì)?；炷磷鳛橐环N新的修復(fù)材料，發(fā)現(xiàn)其立方體試件的粘結(jié)強(qiáng)度顯著提高，達(dá)到3.17 MPa。

在細(xì)?；炷恋慕M合物中必須使用填料，以確保所需的密實(shí)度，并因此獲得足夠的強(qiáng)度[5]。目前，細(xì)粒混凝土中最常用的填充材料是石灰石粉，作為一種廢棄物集料的破碎物，其不僅容易獲得而且環(huán)保。此外粉煤灰等火山灰材料具有火山灰性質(zhì)，研究表明將粉煤灰作為摻合料加入混凝土中有助于發(fā)揮填充作用，促進(jìn)試件密實(shí)度和強(qiáng)度的提高。因此可將粉煤灰作為細(xì)?；炷撂盍希浞职l(fā)揮其填充和火山灰雙重作用[6-7]。

本文首先基于干混試樣最大堆積密度檢測(cè)不同粉煤灰摻量對(duì)干混試樣密度的影響，然后研究粉煤灰摻量對(duì)細(xì)?；炷敛煌g期抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和浸水強(qiáng)度的影響，并以同等強(qiáng)度普通混凝土為對(duì)比進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析，為廢棄超細(xì)砂的資源化利用提供有效途徑。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

試驗(yàn)所用廢棄超細(xì)砂來(lái)自長(zhǎng)江中下游航道整治工程，其pH值為7.67，呈弱堿性，含水率為5.04%，經(jīng)全部風(fēng)干后方可用于試驗(yàn)。廢棄超細(xì)砂取樣現(xiàn)場(chǎng)、顆粒形貌分別見(jiàn)圖1和圖2，廢棄超細(xì)砂化學(xué)成分和顆粒級(jí)配分別見(jiàn)表1和表2。

圖1 廢棄超細(xì)砂取樣現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Sampling site of waste ultra-fine sand

圖2 廢棄超細(xì)砂顆粒形貌Fig.2 Morphology of waste ultra-fine sand

表1 廢棄超細(xì)砂化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of waste ultra-fine sand

表2 廢棄超細(xì)砂顆粒級(jí)配分布Table 2 Particle size distribution of waste ultra-fine sand

由圖2可知，廢棄超細(xì)砂顆粒獨(dú)立，顆粒之間無(wú)粘結(jié)，顆粒晶體透明，邊緣平直光滑，顆粒棱角比較圓滑，可見(jiàn)該廢棄超細(xì)砂顆粒間摩擦力小，團(tuán)聚力小，塑性差。

由表1可知，超細(xì)砂中SiO2、Al2O3含量比較高，分別達(dá)68.73%和11.33%，其次為CaO、Fe2O3、MgO、K2O和Na2O。廢棄超細(xì)砂中以上7種主要成分含量達(dá)98.9%，說(shuō)明其他物質(zhì)及有機(jī)質(zhì)含量較少。

由表2可知，廢棄超細(xì)砂<0.075 mm的顆粒僅占總質(zhì)量的1.29%，少于10%；其顆粒主要分布于0.15～0.3 mm范圍，含量高達(dá)78.55%。經(jīng)計(jì)算,該廢棄超細(xì)砂細(xì)度模數(shù)為0.82；X射線衍射(X-Ray Diffraction，XRD)分析表明廢棄超細(xì)砂中石英、長(zhǎng)石等原生類礦物的特征峰最為明顯，為主要礦物。廢棄超細(xì)砂中的SiO2主要以石英和長(zhǎng)石晶體存在。

試驗(yàn)中水泥為海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥；Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度為923 kg/m3，需水量比為104%；減水劑為交通運(yùn)輸部南京水利科學(xué)研究院自制的聚羧酸高效減水劑。

2.2 試驗(yàn)方法

細(xì)?；炷恋膹?qiáng)度與干混試樣的密實(shí)度密切相關(guān)，即與粉煤灰填料含量密切相關(guān)。干混試樣最大堆積密度檢測(cè)方法為：固定水泥用量為400 kg/m3，改變粉煤灰摻量，然后添加廢棄超細(xì)砂，將水泥、粉煤灰、砂三者混合，在JJ-5型水泥凈漿攪拌機(jī)內(nèi)攪拌3 min至均勻，然后在HZJ-A振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)約1 min，摻入超細(xì)砂重復(fù)攪拌和振動(dòng)直至達(dá)到預(yù)設(shè)體積500 mL為止，隨后測(cè)定干混試樣的堆積密度。

按照一定配合比，稱取廢棄超細(xì)砂、水泥、粉煤灰等物料，加入JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)內(nèi)干拌均勻，再加入水濕拌3 min，同摻0.45%減水劑。將拌合物加入100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)試模，采用HZJ-A混凝土振動(dòng)臺(tái)分2次振動(dòng)成型，每次振動(dòng)1 min。成型后在試模表面覆蓋薄膜，24 h后脫模，脫模后試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期；強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)在SHT4305型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

圖3 干拌物密度與粉煤灰 摻量的關(guān)系曲線Fig.3 Relation between density and fly ash content

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 粉煤灰摻量對(duì)細(xì)?；炷粮苫烀芏鹊挠绊?/h3>

固定水泥摻量為400

kg/m3，改變粉煤灰摻量，而廢棄超細(xì)砂則添加到水泥、粉煤灰、砂三者混合物經(jīng)干拌振搗密實(shí)后體積達(dá)到500 mL為止，隨后測(cè)定干混物料量并計(jì)算其密度。干拌物密度與粉煤灰摻量的關(guān)系見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著粉煤灰摻量的增加，干拌物料的堆積密度隨著粉煤灰摻量的增加先增加后減少，存在一個(gè)峰值。粉煤灰摻量約為400 kg/m3時(shí)，干拌物料密度達(dá)到最大值，為2 120.3 kg/m3，此時(shí)粉煤灰和水泥的摻量之比約為1∶1。粉煤灰和水泥細(xì)顆粒首先填充在超細(xì)砂顆粒之間，隨著粉煤灰摻量的增加，干拌物料的堆積密度不斷增加。當(dāng)超細(xì)砂顆粒之間的空隙逐漸填滿后，繼續(xù)添加的粉煤灰顆粒則將占據(jù)砂粒體積空間，在預(yù)設(shè)固定體積下這將導(dǎo)致廢棄超細(xì)砂用量的降低，因而干拌物的密度隨著粉煤灰摻量的增加而減小。故粉煤灰存在最佳摻量，約為400 kg/m3。

3.2 粉煤灰摻量對(duì)細(xì)?；炷量箟簭?qiáng)度的影響

本試驗(yàn)固定水膠比為0.38，減水劑摻量為0.45%。通過(guò)調(diào)整粉煤灰的摻量，研究不同粉煤灰和廢棄超細(xì)砂配合比對(duì)細(xì)?；炷猎嚰?、14、28 d抗壓強(qiáng)度的影響。各組試件配合比見(jiàn)表3，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

表3 細(xì)?；炷僚浜媳萒able 3 Mix proportion of fine concrete specimen

圖4 粉煤灰摻量對(duì)細(xì)?；炷量箟簭?qiáng)度的影響Fig.4 Influence of fly ash content on compressive strength of fine-grained concrete

從圖4可知，隨著粉煤灰摻量的增加，試件各齡期抗壓強(qiáng)度先增加后減少，呈火山型曲線。當(dāng)粉煤灰摻量為16.6%時(shí)，7、14、28 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為13.23、19.14、22.56 MPa。此時(shí)粉煤灰和水泥的摻量之比為1∶1，粉煤灰摻量對(duì)強(qiáng)度影響的趨勢(shì)與干拌物料最大堆積密度檢測(cè)結(jié)果基本一致。當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)16.6%時(shí)，繼續(xù)增加粉煤灰，試件抗壓強(qiáng)度逐漸變小，粉煤灰摻量為34.0%時(shí)，較之不摻加粉煤灰，試件7、14、28 d抗壓強(qiáng)度分別下降8.4%、10.9%和8.8%。

隨著水化的進(jìn)行，水泥中的硅酸三鈣C3S和硅酸二鈣C2S與水反應(yīng)水化生成硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣以及水化鐵酸鈣和氫氧化鈣Ca(OH)2，Ca(OH)2達(dá)到一定濃度后將不斷侵蝕粉煤灰微珠，與粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和鋁酸鈣凝膠。隨水化反應(yīng)進(jìn)行，水化硅酸鈣凝膠與Ca(OH)2沉淀共同組成“雙膜層”，與水泥漿體緊密結(jié)合并使之更加密實(shí)。在細(xì)?；炷林袚郊臃勖夯乙环矫婵梢园l(fā)揮細(xì)顆粒的填充作用形成密級(jí)配，另一方面粉煤灰具有良好的火山灰特性，物理和化學(xué)的雙重作用可以更好地提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。另外水泥中的磷酸三鈣可以進(jìn)一步與粉煤灰反應(yīng)，由于顆粒緊密級(jí)配和水泥水化的物理和化學(xué)雙重作用，生成碳鋁酸鈣晶體，從而有效促進(jìn)細(xì)?；炷猎缙趶?qiáng)度的發(fā)展。

3.3 粉煤灰摻量對(duì)細(xì)粒混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)固定水膠比為0.38，減水劑摻量為0.45%。通過(guò)調(diào)整粉煤灰的摻量，研究不同粉煤灰和廢棄超細(xì)砂配合比對(duì)細(xì)?；炷粮鼾g期試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。表3為各試件的配合比，細(xì)?；炷粮鼾g期劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 粉煤灰摻量對(duì)細(xì)?；炷僚芽估瓘?qiáng)度的影響Fig.5 Effect of fly ash content on splitting tensile strength of fine-grained concrete

從圖5可知，隨著粉煤灰摻量的增加，細(xì)粒混凝土各齡期試件劈裂抗拉強(qiáng)度先增加后減少。粉煤灰摻量為16.6%時(shí)，7、14、28 d齡期試件對(duì)應(yīng)的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為1.14、1.74、2.01 MPa，此時(shí)粉煤灰和水泥的摻量之比仍為1∶1。粉煤灰摻量超過(guò)16.6%時(shí)，細(xì)?；炷猎嚰芽估瓘?qiáng)度隨粉煤灰摻量增加反而下降。當(dāng)粉煤灰摻量為34.0%時(shí)，試件7、14、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低到0.85、1.32、1.74 MPa，略高于不摻粉煤灰情況下對(duì)應(yīng)齡期試件的劈裂抗拉強(qiáng)度(分別為0.71、1.28、1.67 MPa)。

適量的粉煤灰在細(xì)粒混凝土拌制階段通過(guò)填充作用可以使泥顆?！敖庑酢睌U(kuò)散，從而增加漿體的密實(shí)度；在漿體硬化階段，粉煤灰則充分發(fā)揮物理和活性充填料作用。以上作用可以有效減小細(xì)粒混凝土中孔隙體積及較粗的孔徑尺寸，使細(xì)?；炷僚芽估瓘?qiáng)度得到提高。然而，粉煤灰顆粒本身呈球狀而光滑，摻入到細(xì)?；炷梁髮p小其內(nèi)摩阻力，提高細(xì)?；炷恋牧鲃?dòng)性，過(guò)量粉煤灰的摻入將破壞漿體的合理級(jí)配，對(duì)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響。因而細(xì)?；炷猎嚰芽估瓘?qiáng)度與干混試樣最大堆積密度檢測(cè)出現(xiàn)類似趨勢(shì)，即先增加后減少，從而導(dǎo)致細(xì)粒混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加先上升后下降的結(jié)果。

3.4 粉煤灰摻量對(duì)細(xì)粒混凝土浸水抗壓強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整粉煤灰的摻量，研究粉煤灰不同摻量對(duì)細(xì)?；炷猎嚰鼾g期試件浸水抗壓強(qiáng)度的影響。各齡期試件浸水抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 粉煤灰摻量對(duì)細(xì)?；炷两箟簭?qiáng)度的影響Fig.6 Influence of fly ash content on compressive strength of fine-grained concrete after immersion

從圖6可知，隨著粉煤灰摻量的增加，細(xì)粒混凝土試件各齡期浸水強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。粉煤灰摻量為16.6%時(shí)，7、14、28 d試件浸水強(qiáng)度分別為12.43、17.80、21.31 MPa，為最大值，此時(shí)粉煤灰和水泥的摻量之比仍為1∶1。隨著粉煤灰摻量的繼續(xù)增加，細(xì)粒混凝土試件浸水抗壓強(qiáng)度呈下降的趨勢(shì)。試件各齡期浸水抗壓強(qiáng)度變化主要是由于各組分間存在“梯度水化效應(yīng)”：水化初期細(xì)?；炷翉?qiáng)度增長(zhǎng)主要是由于水泥的水化，同時(shí)其水化產(chǎn)物會(huì)促進(jìn)粉煤灰的水化；一定時(shí)期后粉煤灰的水化將加快，并成為強(qiáng)度增長(zhǎng)的主要來(lái)源。細(xì)?；炷林蠸iO32-和SO42-離子可取代CO32-離子而分別生成硅酸鈣和鈣礬石，同時(shí)細(xì)?；炷林写嬖诘奶妓徕}又會(huì)加速硅酸鈣的水化反應(yīng)，從而有效調(diào)整水化硅酸鈣中Ca與Si的質(zhì)量比。另一方面，在硅酸鈣水化過(guò)程中，碳酸鈣又能對(duì)水泥水化起促進(jìn)作用，產(chǎn)生水化碳鋁酸鈣。水化硅酸鈣、鈣礬石及水化碳鋁酸鈣的生成都將提高細(xì)?；炷恋慕箟簭?qiáng)度。

3.5 細(xì)?；炷罼射線衍射分析

對(duì)摻加16.6%粉煤灰的細(xì)?；炷翗?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7、14、28 d的試件分別進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 樣品XRD分析結(jié)果Fig.7 Results of XRD analysis of samples

從圖7可以看出，7 d齡期樣品中的主要礦物為石英，同時(shí)含有一定量氫氧化鈣、鈣礬石和水化硅酸鈣。14 d齡期樣品中主要礦物石英的衍射峰強(qiáng)度相比7 d齡期樣品有所下降，而水化硅酸鈣和鈣礬石的衍射峰強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，樣品中仍含有少量氫氧化鈣。隨著齡期的進(jìn)一步增長(zhǎng)，樣品中石英和氫氧化鈣的衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步下降。在28 d齡期樣品中石英和氫氧化鈣衍射峰強(qiáng)度達(dá)到3種齡期樣品中的最低值，而樣品中水化硅酸鈣和鈣礬石衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，原因?yàn)槭⒅械腟iO2和游離Ca2+發(fā)生反應(yīng)而生成了Ca與Si的質(zhì)量比更低的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠，并生成了鈣礬石，且兩者排列更加有序，有助于強(qiáng)度的增長(zhǎng)，這和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

3.6 經(jīng)濟(jì)分析

與普通混凝土相比，細(xì)?；炷辆哂泻芨弑壤纳坝昧?、較低的水泥用量和低水灰比，同時(shí)比普通砂漿具有更高的抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能。以廢棄超細(xì)砂為主要原料時(shí)，與普通C20混凝土相比，廢棄超細(xì)砂混凝土單方造價(jià)大致計(jì)算如表4所示。其中單方廢棄超細(xì)砂的運(yùn)出費(fèi)按20元/t計(jì)。

表4 普通C20混凝土和廢棄超細(xì)砂混凝土單方 造價(jià)比較Table 4 Comparison of cost between C20 concrete and fine grained concrete

從表4可知，與基準(zhǔn)C20混凝土相比，單方超細(xì)砂細(xì)?；炷辽a(chǎn)成本降低45.1%，同時(shí)可以大量使用粉煤灰等工業(yè)廢渣。

4 結(jié) 論

(1)廢棄超細(xì)砂細(xì)?；炷潦且环N新型混凝土，其中超細(xì)砂替代普通混凝土中的粗骨料，粉煤灰替代普通混凝土中的細(xì)骨料，水泥為膠凝材料，同時(shí)必須摻入高效減水劑降低用水量。由于顆粒緊密級(jí)配和水泥及粉煤灰水化的物理和化學(xué)雙重作用，該超細(xì)砂細(xì)?；炷辆哂辛己玫男阅?。當(dāng)水泥摻量為16.6%、粉煤灰摻量為16.6%、廢棄超細(xì)砂摻量為66.8%、水膠比為0.38、減水劑摻量為0.45%時(shí)，試件28 d抗壓、劈裂抗拉和浸水抗壓強(qiáng)度分別為22.56、2.01、21.31 MPa。XRD分析表明制備的細(xì)粒混凝土含有大量的水化硅酸鈣和鈣礬石等水化產(chǎn)物。

(2)與基準(zhǔn)C20混凝土相比，單方超細(xì)砂細(xì)?；炷辽a(chǎn)成本降低45.1%，同時(shí)可以大量使用粉煤灰等工業(yè)廢渣。該細(xì)粒混凝土以砂為主要原料，不使用石子等粗骨料，大量利用廢棄砂，可以有效緩解天然砂石材料的短缺和枯竭，替代普通混凝土制備壓載塊等就近應(yīng)用于航道整治工程，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。