西非某工程利用尾礦砂與細河砂配制優質砂的研究

冉 蓉， 朱 映 文

(中國水利水電第五工程局有限公司 四川 成都 610066)

1 概 述

西非貝寧三城市供水項目之大壩工程位于貝寧南部韋梅河流域，距離首都科托努約250 km。該工程主要包括兩個水庫大壩，其中，Ayédjoko*水庫的蓄水量為210萬m3，均質土壩壩長609 m，最大壩高19.2 m；Lifo水庫的蓄水量為1 235萬m3，均質土壩壩長1 050 m，最大壩高19.3 m。其中Ayédjoko*壩混凝土工程量為16 793 m3，Lifo壩混凝土工程量為17 485 m3。

項目所在中南部沿海平原為熱帶雨林氣候，高溫多雨，年最高氣溫為39 ℃，最低氣溫為20 ℃。該工程所在韋梅河流域降水年內分配不均，4～10月降水量占全年降水量的90%，11～次年3月降水量僅占年降水量的10%，最枯的12月降水量僅占年降水量的0.45%。

工程伊始，項目部對工程周邊的砂石料場進行調查發現距項目約30 km有當地的石料場。但由于貝寧缺水缺電等原因導致其無法滿足砂料生產的工藝要求，且該料場只生產粗骨料，不生產人工砂。除距項目200 km科特努附近泄湖存在滿足質量要求的水撈砂外，項目附近均沒有合格的砂料場。為了降低工程成本，項目部在工程附近韋梅河周邊進行勘探，發現了大量的天然河砂，其儲量能夠滿足現場施工需要。經對天然河砂進行檢測，根據DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規范》中對砂的要求并經配合比試驗得知：天然河砂配合比施工性能較差，不能滿足工程施工配合比的需要。

為了能夠就近獲得優質的砂料，項目部技術人員針對當地人工骨料砂石料場堆存的大量尾礦砂進行了研究，研究發現：尾礦砂中含有大量的人工砂顆粒，能夠和天然細河砂形成優勢互補，據此項目部技術人員對天然細河砂及尾礦砂進行了深入分析、檢測和試驗。

2 解決方案

2.1 天然細河砂料顆粒分析及配合比試驗

通過進行室內顆粒分析試驗并展開對天然河砂進行篩析法試驗及顆粒分析試驗取得的結果見表1、2。

表1 天然細河砂篩析法試驗結果表

表2 天然細河砂顆粒分析試驗結果表

試驗結果表明：天然河砂料細度模數為2，屬細砂，級配檢測結果屬Ⅲ區砂[1]，99%的顆粒粒徑在2.36 mm以下；同時，對其它砂樣進行了檢測，天然河砂細度模數最小值達到1.55。根據法國標準p-18-541《水凝混凝土用集料》，砂的細度模數為1.8～3.2就能夠滿足混凝土配合比要求；但根據《水工混凝土施工規范》DL/T 5144-2015規范要求，細砂做配合比需要進行試驗。為了在保證混凝土質量的基礎上最大限度地利用當地材料，項目部技術人員對天然細河砂進行了配合比試驗。當砂率按37%進行試配后，混凝土的流動性較差，在調整配合比用水量后，水泥用量增加，在將其與以往同級配混凝土配合比類比發現，水泥用量嚴重超標。為了最大限度地規避非洲炎熱天氣下水泥水化熱帶來的后續質量問題及減少施工成本、降低水泥用量，對配合比進行了砂率調整，將其調整至27%[2]，所配制混凝土的配合比結果見表3。

將砂率調整至約27%后試配出的混凝土配合比室內試驗強度滿足要求，水及水泥用量有所降低，但類比以往配合比仍偏高約30 kg/m3；同時，由于為了降低水泥用量采用了低砂率，配合比工作性能較差，現場試拌時純天然細河砂配合比和易性較差，泌水及離析現象嚴重且坍落度損失較快，混凝土施工性能差。

2.2 砂料場尾礦砂顆粒分析

為了進一步優化施工配合比之用砂質量，在對當地石料場進行調查時發現，石料場廢棄有大量的尾礦砂(圖1)。

圖1 石料場大量廢棄的尾礦砂

通過對當地人工骨料堆存的尾礦砂進行現場查看后發現：其實際就是生產粗骨料中產生的尾礦砂，遂對該尾礦砂用篩析法進行了分析，具體結果見表4。

試驗結果證明：尾礦砂內粒徑0.15 mm以上的顆粒含量達到70%左右，剩余粉料以石粉為主。

2.3 天然砂及尾礦砂顆粒組成篩析法分析對比情況

天然砂和尾礦砂顆粒分析試驗成果對比情況見表5、6。從表5、6中可以看出：天然細河砂顆粒粒徑為2.36 mm以下的含量達99%，粒徑5～2.36 mm區間的顆粒幾乎為零，而尾礦砂粒徑在5～2.36 mm的含量為23.2%，砂料顆粒組成和尾礦砂顆粒組成可以互為補充[3]。由于考慮到尾礦砂中石粉含量較多，根據現場環境，采用了增加一道2 mm篩對尾礦砂進行篩余生產，利用篩余料和天然細河砂按一定比例混合作為混凝土用砂。

表3 純天然細河砂混凝土配合比匯總表

表4 尾礦砂篩析法試驗匯總表

表5 天然砂顆粒分析試驗成果對比匯總表

表6 尾礦砂顆粒分析試驗成果對比匯總表

2.4 料場尾礦砂增加篩孔徑2 mm砂篩，對篩余料進行顆粒分析

將尾礦砂經過加篩孔徑2 mm砂篩進行整理加工后進行顆粒分析，粒徑5～2.36 mm顆粒的含量達到58.5%，粒徑2.36～0.075 mm顆粒的含量達到40%以上，石粉含量為1.5%，屬特粗砂，其結果見表7、8。

2.5 天然細河砂與篩分整理后的尾礦砂

2.5.1 尾礦砂摻配試驗

對天然細河砂料及篩分整理后的尾礦砂進行摻配試驗且經過比例摻和后進行篩析法及顆粒分析試驗后認為天然細河砂及篩分整理后的尾礦砂按照質量比為2∶1的比例摻配其效果最優。天然河砂與尾礦砂摻配后進行的篩析法及顆粒分析試驗結果見表9、10。

表9、表10試驗分析結果表明，按2∶1摻配后的混合砂品質檢測結果均滿足規范 DL/T 5144-2015《水工混凝土施工規范》標準要求，細度模數在2.2～3.0之間，屬中砂。

表7 尾礦砂經2 mm篩篩余顆粒篩析法試驗

表8 尾礦砂經2 mm篩篩余顆粒分析試驗結果表

表9 天然細河砂∶尾礦砂篩余料2∶1摻配后顆粒篩析法試驗結果表

表10 天然細河砂∶尾礦砂篩余料2∶1摻配后顆粒分析試驗結果表

2.6 混凝土配合比試驗

2.6.1 混凝土推薦配合比的確定

依據以上原材料試驗及混凝土配合比設計最佳參數的選擇結果，按照《水工混凝土配合比設計規程》DL/T 5330-2015和《水工混凝土試驗規程》DL/T 5150-2017進行了混凝土配合比拌和物性能試驗，對硬化混凝土進行了抗壓強度試驗，其結果見表11，根據表11中的試驗結果進行了回歸分析[4]，得出的混凝土強度與水膠比的關系式見表12，得出的混凝土水膠比結果見表13。通過對表11、12、13中的結果進行分析，依據設計指標、混凝土和易性、經濟性因素進行綜合比較后確定了混凝土所用配合比，所推薦的常態混凝土配合比見表14。

2.6.2 天然細河砂混凝土配合比及混合砂混凝土配合比改善了混凝土性能

將天然細河砂混凝土配合比及混合砂混凝土配合比兩組配合比數據進行比較得知：由于天然細河砂里摻入了經整理的尾礦砂的篩余料，使砂的細度模數得到大幅度改觀，砂的級配更合理[5]且滿足規范要求，成為適合配置混凝土的優質Ⅱ區砂。因此，在除砂以外其它材料不變的情況下，混合砂混凝土配合比比純天然細河砂混凝土配合比的水泥用量減少了約30 kg/m3,減水劑摻量減少了約0.5 kg/m3，同時，混合砂配合比除強度滿足質量要求外，進行混凝土生產拌和試驗時，混凝土配合比的流動性、和易性等工作性能均能滿足現場施工需要。

表11 C10、C15、C20、C25混凝土配合比表

表12 混凝土28d強度與水膠比關系表

表13 混凝土水膠比結果表

表14 推薦混合砂混凝土配合比匯總表(混合砂(天然細河砂∶整理尾礦砂=2∶1))

綜上所述，由于混合砂級配較合理，細度模數適中，混合砂品質優于純天然細河砂，由混合砂拌制的混凝土比純天然細河砂拌制的混凝土可施工性強，混凝土流動性、和易性及質量穩定性均優于純天然細河砂混凝土配合比。

3 結 語

在非洲干旱環境下，對不生產人工砂的砂石料場的尾礦砂經過2 mm篩進行篩分處理獲得的整理后的尾礦砂與天然細河砂按適當比例進行摻配，互為補充，使混凝土用砂的品質得到了良好改善，且配制的混凝土在施工中性能穩定，質量滿足設計及規范要求，解決了施工現場附近無合格砂料可用的難題，降低了項目部的生產成本，按西非貝寧當地水泥價格64 836西非法郎/t(折合人民幣約750元/t)水泥直接節約人民幣約70余萬元；按當地運輸單價33.13西非法郎/t/km計算，節約運費1.45億西非法郎，折合人民幣150余萬元，同時大量減少了砂料成本、減少了設備投入費用,規避了遠距離運營帶來的風險。