開封段黃河泥沙混凝土力學性能試驗研究

方 琳，李長明，陳 誠，閆國新，張亞坤，柴梟雄，張英豪

（1.黃河水利職業技術學院，河南 開封 475004； 2.華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州 450045；3.河南省黃河流域環境保護與修復重點實驗室，河南 鄭州 450003；4.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，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經濟和社會發展的難題，隨著“黃河流域生態保護和高質量發展”上升為重大國家戰略，解決好黃河泥沙問題、確保黃河安瀾已成為事關黃河流域經濟社會高質量發展的重大課題。 若能科學有效地解決黃河中下游地區的泥沙問題，確保行洪安全，保障河道通暢的同時，又能對黃河泥沙進行科學處理，實現其資源化利用，則可有力地支持沿黃地區基礎設施建設及中原城市群發展。 通過查閱相關文獻，關于黃河泥沙以往的研究主要側重于泥沙產生、淤積規律和治理技術等方面［1－3］，隨著沿黃經濟的不斷發展，砂石料市場的缺口日益擴大，黃河泥沙的資源屬性和價值逐漸顯現。近年來關于黃河泥沙的資源化利用，部分學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］，但有關黃河泥沙在混凝土中的應用研究不多，關超等［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性能，但試驗所用黃河泥沙為小浪底庫區附近泥沙，細度模數為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，沙土的顆粒級配變化對混凝土性能有著直接的影響，目前還無人對開封段黃河河床的泥沙在混凝土中的應用進行研究。

在黃河開封段，每年河道整治和生態清淤等會產生數量龐大的泥沙，若不妥善處理，不僅會引起環境問題，還會造成資源浪費。 鑒于此，本文開展黃河開封柳園口泥沙作為混凝土細集料的可行性研究，研究黃河泥沙在混凝土中替代機制砂的比例對混凝土力學性能等的影響［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對于黃河特細沙的大量應用提供科學依據。

2 試 驗

2.1 試驗原料

（1）水泥。 試驗采用的水泥為新鄉衛輝市春江水泥廠生產的強度等級為P·O 42.5R 級水泥，其性能指標見表1。

表1 水泥性能指標

（2）砂（細骨料）。 試驗采用細骨料有開封市建材市場購買的新鄉機制砂和黃河開封柳園口段生態清淤產生的黃河泥沙，機制砂及黃河泥沙物理性能指標見表2。

表2 細骨料物理性能指標

（3）石子（粗骨料）。 試驗采用的粗骨料是在開封市建材市場購買的新鄉碎石，其物理性能指標見表3。

表3 粗骨料物理性能指標

（4）粉煤灰。 試驗采用的粉煤灰為在開封市建材市場購買的華潤電力F 類Ⅱ級灰，其性能檢測結果見表4。

表4 粉煤灰性能檢測結果

（5）外加劑。 本試驗采用的外加劑為在開封市建材市場購買的鄭州科貿FIN－T1。

2.2 試驗設計

黃河泥沙以0%、10%、20%、30%、40%、50%、80%、100%等8 種比例替代機制砂，設計了8 種混凝土配合比方案，篩選出黃河泥沙替代機制砂的最優和最大替代比例。 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，設計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 混凝土配合比設計

每個編號制作4 組試件（養護齡期分別為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拌和均勻，拌制好后，測量混凝土的坍落度、擴展度，觀察流動性、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，在振動臺上充分振搗成型（見圖1），脫模放入養護室養護。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB／T 50081—2019），進行立方體抗壓強度試驗。

3 結果與討論

3.1 細骨料顆粒級配分析

細骨料的顆粒級配和細度模數曲線如圖2、圖3所示。 黃河泥沙粒徑極細、級配差、細度模數（M＝0.032）偏小，機制砂的顆粒較粗、細度模數（M＝2.9）偏大，且黃河泥沙和機制砂的級配大部分不在二區內，適當加入黃河泥沙后可以相互彌補不足，使細骨料的顆粒級配更好，但隨著黃河泥沙替代比例的增大，混合砂的細度模數逐漸變小，當黃河泥沙替代比例達到40%后混合砂細度模數M不在混凝土用砂的細度模數控制范圍1.6～3.7 之間。

3.2 黃河泥沙對混凝土和易性的影響

在試驗過程中，如果只調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，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、擴展度變小且黏聚性、保水性變差（見表6），當黃河泥沙替代比例達到40%時，如不調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。

表6 混凝土和易性試驗結果

黃河泥沙替代比例達到40%時，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系見圖5。

3.3 黃河泥沙對混凝土抗壓強度的影響

圖6 為不同黃河泥沙替代比例下28 d 混凝土試塊形貌。 根據試驗序號1 ～8 混凝土試塊的抗壓強度（平均值）繪制黃河泥沙替代機制砂比例與混凝土試塊抗壓強度曲線圖（見圖7）。 由圖7 可以看出黃河泥沙的替代比例對7、28 d 齡期的混凝土試塊抗壓強度影響較大。 28 d 齡期的混凝土試塊抗壓強度（平均值）在黃河泥沙替代比例為10%時達到峰值，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%時混凝土試塊的抗壓強度（平均值）與普通混凝土基本相同；當黃河泥沙替代比例達到50%（增加水泥漿用量）時，混凝土抗壓強度處于C30 混凝土抗壓強度的臨界值。 綜合考慮細骨料的顆粒級配、安全性和經濟性，選取黃河泥沙替代比例20%、30%為最優替代比例、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度關系曲線如圖8 所示。 由圖8 可以看出，粉煤灰的替代比例對28 d 齡期的混凝土試塊抗壓強度影響較大；28 d齡期的混凝土試塊抗壓強度隨粉煤灰替代比例提高呈現先增大后減小的變化趨勢，粉煤灰替代比例小于20%時，混凝土試塊的抗壓強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；當粉煤灰替代比例達到30%時（增加水泥漿用量）混凝土抗壓強度與普通C30 混凝土抗壓強度相當。 可見，粉煤灰最大替代比例不宜超過30%，在此替代范圍內，黃河泥沙與粉煤灰在混凝土中的相適性良好。

4 結 論

（1）通過試驗可知，開封柳園口段黃河泥沙粒徑極細、級配差、細度模數小，機制砂細度模數偏大，兩者按一定比例摻和可以相互彌補不足，改善細骨料的顆粒級配和細度模數。

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

（3）黃河泥沙最大替代比例30%時，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28 d 齡期的混凝土試塊抗壓強度（平均值）達到峰值；當粉煤灰替代比例達到30%時（增加水泥漿用量）混凝土抗壓強度處于C30 混凝土抗壓強度的臨界值。 因此，使用黃河泥沙替代機制砂拌制混凝土時，粉煤灰替代水泥比例應以20%為宜。

5 展 望

黃河泥沙作為一種礦產資源，在目前砂石料緊缺的形勢下，作為機制砂替代品進入建材市場，不僅為黃河下游減沙的有效途徑，也可以降低建筑成本。 以開封市區為例，據估算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%，全市每年可節省成本約5 000 萬元。 所以，合理利用黃河泥沙資源對緩解黃河下游沿黃地區建筑材料緊缺局面，具有十分重要的經濟價值和良好的社會效益，符合黃河流域生態保護與高質量發展國家戰略。