利用深水航道疏浚泥制作扭王塊研究

謝文輝，李 陽，韋應新(.上海東海海洋工程勘察設計研究院，上海 0037；.上海建筑科學研究院，上海0003)

長江深水航道歷經 20 年的疏浚維護，面對航道回淤，上海持續(xù)投入進行航道疏浚。初期疏浚泥處置以拋泥水域傾倒和吹填為主[1]，疏浚物的資源化利用率較低，資源化利用方式相對單一。目前隨著橫沙淺灘的圍墾，主要用于吹填造地[2]。近年來，12.5m 深水航道進入維護期，每年約產生 8000 萬m3疏浚泥，上灘量約占總量的 29%，九段沙與浦東之間的南槽航道整治也進入規(guī)劃研究階段。在航道整治過程中還需要大量的拋石、扭王塊安放工程，用于造堤、護堤。長江深水航道整治三期工程中吹泥上灘量占疏浚量的40%[3]，拋石總工程量近 50 萬 t，扭王塊安放近2萬個。本文通過多組配比試驗，探索了一種扭王塊配比、最大限度利用疏浚泥、滿足相關產品標準的生產扭王塊方法。

1 長江口疏浚泥理化特性

長江口深水航道治理工程上起內航道，下至外航道，總長 92.2 km。疏浚物的含水率在 22.3%～54.5% 之間，平均為 34.1%。相對密度在 2.36～2.51 g/cm3之間，平均值為2.43 g/cm3。疏浚物主要以砂為主，粉砂次之(表1)。表層疏浚物物理特性分析結果表明：表層疏浚物的粒度類型較多，砂、粉砂、黏土3個級別均有一定的含量。由內航道到外航道沉積物類型依次變化為粉砂質砂、砂質粉砂、砂-粉砂-黏土。疏浚物化學性質分析項目：砷、鎘、鉻、銅、鉛、汞、鋅、有機質、油類等(表2)，經檢測均為清潔疏浚物(Ⅰ 類)，因此可作直接處置。

表1 疏浚物粒度分析結果 %

表2 表層疏浚物化學性質統(tǒng)計表

2 試驗設計與方法

疏浚泥具有以下的物理化學性能特點：天然含水量高、孔隙大、強度低，加固處理的技術難度大；表面能大，土粒之間有弱的結構連接力，黏粒對水有強的親和力，隨著土中的含水量增加，土粒的水化膜變厚，土粒之間的距離增大，結構連接變弱。一般飽和淤泥質黏土處于軟塑狀態(tài)；土粒具有潛在的火山灰活性，能與 Ca(OH)2發(fā)生緩慢的水化反應，生成結晶度較差的水化硅酸鈣和鋁酸鈣。

目前，我國免燒民用建材的主要技術指標包括密度、吸水率、抗壓強度、抗折強度、壓縮強度、抗凍融性等。根據(jù)長江口航道疏浚泥的性能特點，結合扭王塊的力學性能要求和耐久性要求，研究合適的工程預制品生產配合比，設計了多組試驗。本次疏浚泥取自長江口航道疏浚的橫沙吹填區(qū)。

2.1 摻加長江口疏浚泥的水泥膠砂試驗研究

采用不摻外加劑并增加用水量技術方案，使水泥膠砂流動度基本保持不變。通過試驗，研究長江口疏浚泥代替部分砂對水泥膠砂強度和流動度的影響。試驗設計如下。

(1)將長江口疏浚泥在 105 ～110 ℃ 下烘干備用。

(2)一份水泥、3 份中國 ISO 標準砂，用 0.5 的水灰比拌制成一組塑性膠砂，測定基準膠砂流動度 L0和膠砂強度。

(3)長江口疏浚泥按質量 10%、15%、20%、25%、30% 的比例，取代標準砂，拌制水泥膠砂。保持水泥膠砂流動度不變(LS=L0± 10 mm)，改變水灰比，分別測定摻長江口疏浚泥的水泥膠砂流動度和膠砂強度。

2.2 摻加長江口疏浚泥的扭王塊混凝土試驗

在摻加長江口疏浚泥的水泥膠砂試驗研究基礎上，開展摻加疏浚泥的扭王塊混凝土試驗，以達到制作預制構件的強度(一般要求 C30以上)、坍落度(一般要求 3～5 cm)和耐久性要求。試驗設計如下。

(1)長江口疏浚泥在 105～110 ℃ 下烘干備用。

(2)根據(jù)已有的試驗結果，分別針對 C 20 和 C30混凝土選擇長江口疏浚泥不同摻量條件下設計混凝土試拌配合比(表3、表4)。

表3 C20混凝土配合比kg/m3

表4 C30混凝土配合比

(3)測定混凝土坍落度和強度，提出合適的混凝土配合比。

2.3 產品性能指標測試

根據(jù)以上試驗結果，以長江口疏浚泥取代 40% 的天然中砂(SK2)配制 C30扭王塊，另一組為不摻疏浚泥的基準混凝土(SK1)，2 組配合比的水泥用量一致，均為 365 kg/m3，水膠比也一致。具體配合比如表5 所示。

表5 扭王塊混凝土的配合比

2.4 扭王塊混凝土的耐久性

(1)收縮試驗：測定混凝土試件在規(guī)定的溫濕度條件下，不受外力作用所引起的長度變化，即收縮，用于評價混凝土的變形性能。

①試件尺寸：100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱體試件，一組3條試件。

② 試驗方法：收縮試件養(yǎng)護3d 齡期，從標準養(yǎng)護室取出，移入恒溫恒濕室[室溫(20士2) ℃，相對濕度(60土5)%)]測定其初始長度，此后應按以下規(guī)定的時間間隔測量其變形讀數(shù)：1、3、7、14、28、45、60、90d。

(2)抗?jié)B試驗：用于測定硬化后混凝土的抗?jié)B標號。

① 試件尺寸： φ(175～185) mm×165 mm，一組 6塊。

② 試驗方法：試件養(yǎng)護至 28d 齡期，將表面晾干，然后在其側面涂一層熔化的密封材料，隨即在加壓裝置上將試件壓入經烘箱預熱過的試件套中，稍冷卻后，即可解除壓力，連同試件套裝在抗?jié)B儀上進行試驗。

試驗從水壓 0.1 MPa 開始，每隔8h 增加水壓 0.1 MPa，隨時注意觀察試件端面的滲水情況。當6個試件中有3 個試件端面呈有滲水現(xiàn)象時，即可停止試驗，記下當時的水壓。

(3)電通量試驗：以電通量指標來測定混凝土的抗氯離子滲透性能，按 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》進行試驗。

① 試件尺寸： φ(95±2) mm×(51±3) mm，一組 3塊。

② 試驗方法：在直流電壓作用下，氯離子通過混凝土試件向正極方向移動，以測定流過混凝土的電荷量反映滲透混凝土的氯離子量。

(4)抗凍性能試驗：按 GB/T 50082—2009，采用慢凍法，當抗壓強度損失率達到 25% 或者質量損失率達到 5%時的最大凍融循環(huán)次數(shù)，作為混凝土抗凍標號。

① 試件尺寸：100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，一組6塊。

② 試驗方法：試件在 28d 齡期時，進行凍融試驗。抗凍試件凍結時溫度應保持在 -15～-20 ℃。對比試件則保留在標準養(yǎng)護室內，直到完成凍融循環(huán)后，與抗凍試件同時試壓。

每次循環(huán)中試件的凍結時間≥4h，凍結試驗結束后，試件即取出并立即放入水溫保持在 15～20 ℃ 的水槽中進行融化。試件在水中融化的時間≥4h，融化完畢即為該次凍融循環(huán)結束，取出試件送入冷凍箱進行下一次循環(huán)試驗。

(5)抗硫酸鹽侵蝕試驗：按 GB/T 50082—2009，測定混凝土試件在干濕交替環(huán)境中，以能夠經受的最大干濕循環(huán)次數(shù)來表示。

① 試件尺寸：100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件。除制作抗硫酸鹽侵蝕試驗用時間外，還同時制作抗壓強度對比用試件。

② 試驗方法：試件應在養(yǎng)護至 28d 齡期的前2d，將干濕循環(huán)試件取出，在(80±5)℃ 下烘 48 h 并在干燥環(huán)境中冷卻至室溫。

試件放入試件盒，將 5% Na2SO4溶液放入試件盒，浸泡(15±0.5)h，維持溶液 pH 值在 6～8 之間，溶液溫度控制在(25～30)℃。浸泡結束后，應立即排液。溶液排空后應將試件風干 30 min。風干結束后應立即升溫至 80 ℃，開始烘干過程。從升溫開始到開始冷卻的時間應為6h。烘干結束后，應立即進行冷卻至 25～30 ℃，時間應為2h。每個干濕循環(huán)的總時間應為(24±5)h。然后再次放入溶液，按照上述步驟進行下一個干濕循環(huán)。

③ 干濕循環(huán)試驗出現(xiàn)以下之一情況時，可停止試驗。當抗壓強度耐蝕系數(shù)達到 75% 時；干濕循環(huán)次數(shù)達到 150次；達到設計抗硫酸鹽等級相應的干濕循環(huán)次數(shù)。

3 試驗結果

3.1 水泥膠砂試驗結果

由于長江口疏浚泥顆粒較細，疏浚泥對膠砂用水量有一定的影響。隨著長江口疏浚泥摻量從 0 提高到 15%(圖1)，保持流動度不變的情況下，膠砂用水量大幅增加，膠砂抗壓強度不斷降低(圖2)，隨著長江口疏浚泥摻量進一步增加，用水量提高幅度不大。

圖1 用水量試驗

圖2 抗壓強度試驗

3.2 混凝土試驗結果

由于長江口疏浚泥顆粒較細，對混凝土工作性有一定影響，摻長江口疏浚泥混凝土坍落度減小，坍落度損失比基準混凝土大；但較細的長江口疏浚泥顆粒對提高混凝土強度有一定的作用，摻長江口疏浚泥混凝土3d、28d 強度均比基準高 1～2 MPa(表6、表7)。

表6 C 20 混凝土性能

表7 C30混凝土性能

3.3 性能指標測試結果

在相同水膠比條件下，摻入長江口疏浚泥混凝土 SK2的3d 抗壓強度與基準混凝土 SK1 基本持平，而洋山疏浚泥混凝土的3d 抗壓強度比基準混凝土高出 12%；摻加疏浚泥后，28d 抗壓強度有所降低，長江口疏浚泥混凝土的28d 抗壓強度低于基準混凝土 9%，但達到 C30的強度等級；長江口疏浚泥混凝土的 28d 抗折強度高于基準混凝土9%(表8)。

表8 扭王塊混凝土的力學性能

3.4 耐久性測試

(1) 長江口疏浚泥混凝土的7d、28d 收縮值與同齡期的基準混凝土基本持平(表9)。

表9 扭王塊混凝土的收縮性

(2)基準混凝土的抗?jié)B標號為 P 11，長江口疏浚泥混凝土的抗?jié)B標號達到 P 14(表10)。摻加疏浚泥后，混凝土的抗?jié)B性明顯提高，與疏浚泥的顆粒粒徑較細、填充細小孔隙有關。

表10 扭王塊混凝土的抗?jié)B性(3 個試件測試)

(3)長江口疏浚泥混凝土的電通量與基準混凝土基本一致(表11)。

表11 扭王塊混凝土電通量試驗

(4) 基準混凝土、長江口疏浚泥混凝土的抗凍標號超過D 50，抗凍性能良好(表12)。

表12 扭王塊混凝土抗凍性

(5)基準混凝土、摻疏浚泥混凝土的抗壓強度耐蝕系數(shù)均超過 75%(表13)，故抗硫酸鹽等級達到 KS 90 以上。

表13 扭王塊抗硫酸鹽侵蝕試驗(90 次干濕循環(huán))

4 示范應用

根據(jù)前期科研成果，確定疏浚泥扭王塊示范生產的混凝土配比為(單位：kg/m3)：水泥 365，碎石 1270，中砂374，疏浚泥 250，水 179。扭王塊混凝土成型時，采用插搗式振動棒振動、成型，使混凝土密實，振動成型工藝與普通混凝土一致。在混凝土攪拌機卸料口隨機取樣。成型混凝土試塊，進行抗壓強度、抗折強度、抗?jié)B性、抗凍性檢測，各項指標均達產品要求。普通混凝土扭王塊一般帶模養(yǎng)護15～20 h 后拆模。本次中試時，疏浚泥混凝土的拆模時間為19 h，與普通混凝土基本一致。拆模后，目測疏浚泥混凝土扭王塊與普通混凝土扭王塊存在一定色差。由于疏浚泥中的含泥量較高，造成疏浚泥扭王塊略微發(fā)黃，而普通扭王塊為青灰色。

疏浚泥混凝土扭王塊制作成型后，在場地上自然養(yǎng)護28d，用外運至橫沙東灘促淤圍墾三期東堤北側的原材料碼頭附近進行投放。

5 結 語

(1)在用以制備扭王塊的混凝土中，疏浚泥摻加比例達11% 時，扭王塊產品符合工程要求。

(2)在相同水膠比條件下，疏浚泥混凝土的 28d 抗壓強度低于基準混凝土 9%～13%，而抗折強度高于基準混凝土9%～18%，并且疏浚泥混凝土的抗壓強度均達到 C 35 的強度等級。

(3)疏浚泥混凝土的收縮值為 0.046%～0.056%，抗?jié)B標號超過 P 13，電通量為 2000～4000 C，抗凍標號超過D 50，抗硫酸鹽等級超過 KS 90，摻合疏浚泥的混凝土工程構件壽命可超過 50 年。

(4)針對疏浚泥含水量高、黏稠難攪拌技術難點，通過免燒型的固化處理、壓制和澆筑成型、自然養(yǎng)護的工藝，可以現(xiàn)場生產疏浚泥扭王塊，大大節(jié)約成本，提高疏浚泥利用率，以滿足在圍海造地、水利建設等方面的工程需要。