開封段黃河泥沙混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

方 琳，李長(zhǎng)明，陳 誠(chéng)，閆國(guó)新，張亞坤，柴梟雄，張英豪

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004； 2.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045；3.河南省黃河流域環(huán)境保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；4.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

1 引 言

泥沙淤積、河床抬升，是近百年來困擾黃河中下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的難題，隨著“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略，解決好黃河泥沙問題、確保黃河安瀾已成為事關(guān)黃河流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的重大課題。 若能科學(xué)有效地解決黃河中下游地區(qū)的泥沙問題，確保行洪安全，保障河道通暢的同時(shí)，又能對(duì)黃河泥沙進(jìn)行科學(xué)處理，實(shí)現(xiàn)其資源化利用，則可有力地支持沿黃地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及中原城市群發(fā)展。 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，關(guān)于黃河泥沙以往的研究主要側(cè)重于泥沙產(chǎn)生、淤積規(guī)律和治理技術(shù)等方面［1－3］，隨著沿黃經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，砂石料市場(chǎng)的缺口日益擴(kuò)大，黃河泥沙的資源屬性和價(jià)值逐漸顯現(xiàn)。近年來關(guān)于黃河泥沙的資源化利用，部分學(xué)者開展了黃河泥沙在制作備防石、墻體磚、空心磚、彩陶制品、多孔材料等方面的研究［4－9］，但有關(guān)黃河泥沙在混凝土中的應(yīng)用研究不多，關(guān)超等［10－14］以不同含量黃河泥沙取代部分中砂，研究了黃河泥沙混凝土的相關(guān)性能，但試驗(yàn)所用黃河泥沙為小浪底庫(kù)區(qū)附近泥沙，細(xì)度模數(shù)為0.6～0.8。 近年來黃河水流量變小，黃河中下游沙土越來越細(xì)，沙土的顆粒級(jí)配變化對(duì)混凝土性能有著直接的影響，目前還無人對(duì)開封段黃河河床的泥沙在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

在黃河開封段，每年河道整治和生態(tài)清淤等會(huì)產(chǎn)生數(shù)量龐大的泥沙，若不妥善處理，不僅會(huì)引起環(huán)境問題，還會(huì)造成資源浪費(fèi)。 鑒于此，本文開展黃河開封柳園口泥沙作為混凝土細(xì)集料的可行性研究，研究黃河泥沙在混凝土中替代機(jī)制砂的比例對(duì)混凝土力學(xué)性能等的影響［15－17］。 在選定黃河泥沙最大替代比例工況下，用粉煤灰替代一定比例水泥，研究黃河泥沙與粉煤灰的相適性，以期為黃河下游河段兩岸建筑市場(chǎng)對(duì)于黃河特細(xì)沙的大量應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料

（1）水泥。 試驗(yàn)采用的水泥為新鄉(xiāng)衛(wèi)輝市春江水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為P·O 42.5R 級(jí)水泥，其性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

（2）砂（細(xì)骨料）。 試驗(yàn)采用細(xì)骨料有開封市建材市場(chǎng)購(gòu)買的新鄉(xiāng)機(jī)制砂和黃河開封柳園口段生態(tài)清淤產(chǎn)生的黃河泥沙，機(jī)制砂及黃河泥沙物理性能指標(biāo)見表2。

表2 細(xì)骨料物理性能指標(biāo)

（3）石子（粗骨料）。 試驗(yàn)采用的粗骨料是在開封市建材市場(chǎng)購(gòu)買的新鄉(xiāng)碎石，其物理性能指標(biāo)見表3。

表3 粗骨料物理性能指標(biāo)

（4）粉煤灰。 試驗(yàn)采用的粉煤灰為在開封市建材市場(chǎng)購(gòu)買的華潤(rùn)電力F 類Ⅱ級(jí)灰，其性能檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 粉煤灰性能檢測(cè)結(jié)果

（5）外加劑。 本試驗(yàn)采用的外加劑為在開封市建材市場(chǎng)購(gòu)買的鄭州科貿(mào)FIN－T1。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃河泥沙以0%、10%、20%、30%、40%、50%、80%、100%等8 種比例替代機(jī)制砂，設(shè)計(jì)了8 種混凝土配合比方案，篩選出黃河泥沙替代機(jī)制砂的最優(yōu)和最大替代比例。 在最大替代比例下，利用粉煤灰以10%、20%、30%、50%等4 種比例替代水泥，設(shè)計(jì)4 種混凝土配合比方案，研究黃河泥沙與粉煤灰的相適性。為了保證混凝土的和易性符合要求，在保證骨料用量、水灰比不變的情況下增加水泥漿用量，直至拌和出滿足和易性要求的混凝土，其配合比見表5。

表5 混凝土配合比設(shè)計(jì)

每個(gè)編號(hào)制作4 組試件（養(yǎng)護(hù)齡期分別為3、7、14、28 d），每組6 塊試件，將稱好的原材料依次倒入混凝土攪拌機(jī)拌和均勻，拌制好后，測(cè)量混凝土的坍落度、擴(kuò)展度，觀察流動(dòng)性、黏聚性、保水性并記錄。 然后將混凝土放入100 mm×100 mm×100 mm 試模，在振動(dòng)臺(tái)上充分振搗成型（見圖1），脫模放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50081—2019），進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 細(xì)骨料顆粒級(jí)配分析

細(xì)骨料的顆粒級(jí)配和細(xì)度模數(shù)曲線如圖2、圖3所示。 黃河泥沙粒徑極細(xì)、級(jí)配差、細(xì)度模數(shù)（M＝0.032）偏小，機(jī)制砂的顆粒較粗、細(xì)度模數(shù)（M＝2.9）偏大，且黃河泥沙和機(jī)制砂的級(jí)配大部分不在二區(qū)內(nèi)，適當(dāng)加入黃河泥沙后可以相互彌補(bǔ)不足，使細(xì)骨料的顆粒級(jí)配更好，但隨著黃河泥沙替代比例的增大，混合砂的細(xì)度模數(shù)逐漸變小，當(dāng)黃河泥沙替代比例達(dá)到40%后混合砂細(xì)度模數(shù)M不在混凝土用砂的細(xì)度模數(shù)控制范圍1.6～3.7 之間。

3.2 黃河泥沙對(duì)混凝土和易性的影響

在試驗(yàn)過程中，如果只調(diào)整黃河泥沙比例卻不添加水泥砂漿，那么黃河泥沙替代比例為10%時(shí)，混凝土的和易性較好，其后隨著黃河泥沙替代比例提高，混凝土的坍落度降低、擴(kuò)展度變小且黏聚性、保水性變差（見表6），當(dāng)黃河泥沙替代比例達(dá)到40%時(shí)，如不調(diào)整配合比將無法拌和出符合和易性要求的混凝土。 圖4為不同黃河泥沙替代比例下拌和后的混凝土形態(tài)。

表6 混凝土和易性試驗(yàn)結(jié)果

黃河泥沙替代比例達(dá)到40%時(shí)，為了拌和出符合和易性要求的混凝土，在保證骨料用量、水灰比不變的情況下需調(diào)整配合比中水泥漿用量。 隨著黃河泥沙的替代比例提高，水泥漿的使用量也會(huì)明顯提高，在保證和易性滿足要求的情況下，黃河泥沙替代比例與水泥漿用量的關(guān)系見圖5。

3.3 黃河泥沙對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖6 為不同黃河泥沙替代比例下28 d 混凝土試塊形貌。 根據(jù)試驗(yàn)序號(hào)1 ～8 混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度（平均值）繪制黃河泥沙替代機(jī)制砂比例與混凝土試塊抗壓強(qiáng)度曲線圖（見圖7）。 由圖7 可以看出黃河泥沙的替代比例對(duì)7、28 d 齡期的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度影響較大。 28 d 齡期的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度（平均值）在黃河泥沙替代比例為10%時(shí)達(dá)到峰值，比普通混凝土增大5%；其后隨著黃河泥沙替代比例的上升而下降；黃河泥沙的替代比例為20%時(shí)混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度（平均值）與普通混凝土基本相同；當(dāng)黃河泥沙替代比例達(dá)到50%（增加水泥漿用量）時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度處于C30 混凝土抗壓強(qiáng)度的臨界值。 綜合考慮細(xì)骨料的顆粒級(jí)配、安全性和經(jīng)濟(jì)性，選取黃河泥沙替代比例20%、30%為最優(yōu)替代比例、最大替代比例。

3.4 黃河泥沙與粉煤灰的相適性

粉煤灰替代水泥比例與混凝土試塊抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖8 所示。 由圖8 可以看出，粉煤灰的替代比例對(duì)28 d 齡期的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度影響較大；28 d齡期的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰替代比例提高呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，粉煤灰替代比例小于20%時(shí)，混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰替代比例上升而增大，其后隨著粉煤灰替代比例的上升而減小；當(dāng)粉煤灰替代比例達(dá)到30%時(shí)（增加水泥漿用量）混凝土抗壓強(qiáng)度與普通C30 混凝土抗壓強(qiáng)度相當(dāng)。 可見，粉煤灰最大替代比例不宜超過30%，在此替代范圍內(nèi)，黃河泥沙與粉煤灰在混凝土中的相適性良好。

4 結(jié) 論

（1）通過試驗(yàn)可知，開封柳園口段黃河泥沙粒徑極細(xì)、級(jí)配差、細(xì)度模數(shù)小，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)偏大，兩者按一定比例摻和可以相互彌補(bǔ)不足，改善細(xì)骨料的顆粒級(jí)配和細(xì)度模數(shù)。

（2）黃河泥沙替代機(jī)制砂比例為10%時(shí)，28 d 齡期的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度比普通混凝土增大5%；當(dāng)黃河泥沙替代比例超過10%后，混凝土抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)黃河泥沙替代比例不超過30%時(shí)，混凝土的各項(xiàng)性能均符合要求。 當(dāng)黃河泥沙替代比例超過40%時(shí)需水量增加，若不改變配合比則無法拌和出滿足和易性要求的混凝土；綜合考慮細(xì)骨料的顆粒級(jí)配、安全性和經(jīng)濟(jì)性，確定了黃河泥沙替代比例20%、30%為最優(yōu)替代比例、最大替代比例。

（3）黃河泥沙最大替代比例30%時(shí)，黃河泥沙與粉煤灰在混凝土中的相適性良好；粉煤灰替代比例為20%時(shí)28 d 齡期的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度（平均值）達(dá)到峰值；當(dāng)粉煤灰替代比例達(dá)到30%時(shí)（增加水泥漿用量）混凝土抗壓強(qiáng)度處于C30 混凝土抗壓強(qiáng)度的臨界值。 因此，使用黃河泥沙替代機(jī)制砂拌制混凝土?xí)r，粉煤灰替代水泥比例應(yīng)以20%為宜。

5 展 望

黃河泥沙作為一種礦產(chǎn)資源，在目前砂石料緊缺的形勢(shì)下，作為機(jī)制砂替代品進(jìn)入建材市場(chǎng)，不僅為黃河下游減沙的有效途徑，也可以降低建筑成本。 以開封市區(qū)為例，據(jù)估算1 a 砂料需求量約為500 萬t，如果混凝土攪拌站可使用黃河泥沙比例為20%，全市每年可節(jié)省成本約5 000 萬元。 所以，合理利用黃河泥沙資源對(duì)緩解黃河下游沿黃地區(qū)建筑材料緊缺局面，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和良好的社會(huì)效益，符合黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展國(guó)家戰(zhàn)略。