黃河淤泥生態砌塊試驗研究

劉成才,呂克恒,任旭東,范紅軍

(鄭州工程技術學院 1.土木工程學院;2.土木工程評價技術研究中心,河南 鄭州 450044)

1 概述

黃土高原區域水土流失嚴重,使得每年多達16億噸泥沙進入黃河,其中約4億噸淤積在下游河道,導致黃河中下游嚴重淤積,形成河床高出兩岸地面的地上懸河。強烈的水土流失不僅制約著當地經濟發展和人民的生活水平的提高,而且造成這一地區生態環境脆弱,嚴重威脅著黃河下游兩岸人民的生命財產安全,極大地制約著黃河流域經濟發展。盡管黃河淤泥是一種有害的大自然遺棄物,數量巨大,分布極廣,取之不盡、用之不竭,如果能在保護地區生態環境的同時,將其資源化利用,也會變成一種寶貴資源。

文獻[1-4]系統研究了利用黃河淤泥制備燒結承重多孔磚方法、黃河淤泥磚墻體力學性能及應用前景。文獻[5-6]分析黃河淤泥自身特性,針對其活性較低的特點,采取部分活化整體固結的方法,利用黃河淤泥制備墻體材料。文獻[7]利用鄭州花園口、焦作孟州黃河泥沙,摻入粒化高爐礦渣粉等摻合料,并采用堿激發的方法制備防汛石材。

圍繞黃河生態治理,以黃河淤泥為主要原料,適當加入一定量的膠結凝材料,采用靜壓成型技術,制作黃河淤泥生態砌塊。利用此技術制作生態砌塊,不僅可以大量消耗黃河淤泥,緩解黃河中下游地區“地上懸河”的生態危機,而且可以減少傳統建筑材料的用量,改善黃河流域的生態環境,有利于環境保護和可持續發展戰略目標的實現。

2 原材料

2.1 黃河淤泥

1)黃河淤泥取樣。試驗研究所用黃河淤泥采自鄭州南裹頭區段。

2)黃河淤泥粒度等分析。對取得黃河淤泥樣品,用0.075—2mm的標準檢驗套篩對其顆粒粒徑分布進行分析,結果如下表1。

表1 黃河淤泥取樣顆粒級配分析表

根據現行《普通混凝土用砂、石及檢測方法標準》JGJ52中方法,對黃河淤泥的表觀密度及含泥量進行測試,試驗結果如下表2。表觀密度為樣品烘干后的測量值。

表2 黃河淤泥表觀密度和含泥量

3)黃河淤泥化學成分分析。黃河淤泥含水率約10%—45%,變化較大。采用日本島津EDX-720型X射線黃光光譜儀對黃河淤泥進行化學成分分析(XRF)。分析結果如表3所示。

表3 黃河淤泥化學組成(重量%)

由表3可以看出,鄭州南裹頭區段黃河淤泥的主要化學成分為SiO2、Al2O3、CaO和K2O,含量約占87%-90%;除含有上述四種氧化物外,還含有少量的Fe2O3、Na2O、MgO、TiO2、P2O5等。

4)黃河淤泥的礦物組成。采用布魯克(D8 ADVANCE)X射線衍射光譜儀對鄭州南裹頭黃河淤泥進行XRD測試,判斷出它的主要礦物成分是石英、鈉長石、鈣長石和微斜長石等。

5)黃河淤泥的火山灰活性分析。黃河淤泥的火山灰活性分析采用文獻[7]的分析方法,計算鄭州南裹頭黃河淤泥的火山灰材料活性率Ka為12.89%。

2.2 水泥

水泥為外購新鄉某水泥公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,化學成分和性能指標見表4和表5。

表4 水泥的化學成分,%

表5 水泥性能指標

2.3 其他材料

試驗用水為一般生活用自來水。其他固化劑為市場采購工業用品,配比考慮固化劑純度。

3 試驗研究方案

3.1 試驗方案設計

影響免燒生態砌塊性能的主要因素包括原料種類、摻加料種類、膠凝材料種類、固化劑種類等以及其配和比,另外還包括水含量、施加壓力以及操作工藝等。本文試驗方案設計主要原材料使用鄭州南裹頭段黃河淤泥,膠凝材料使用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,通過改變水泥配比、生石灰配比、混合料水分、加壓壓力等,制做試驗樣品,通過加壓試驗來分析試樣抗壓強度與各影響因素的關系。

3.2 試件制作

試件制作使用BJYS-200型靜壓砌塊成型試驗機。試驗機帶有標準磚、空心磚、小型空心砌塊等模具,為了方便試驗研究,試件制作采用標準磚模具,試件尺寸可控制在240×115×53(單位：mm)左右。試件塊數以及試驗方法按現行混凝土砌塊和磚試驗方法GB/T4111要求進行。當磚試塊養護達到一定強度以后,每塊磚試件可以切割成2塊120×115×53(單位：mm)的試塊,1塊用于做強度檢驗,1塊用于做凍融、耐磨試驗或者微觀分析。為真實反映靜壓成型砌塊的力學性能,用作性能檢驗的試塊在制作時成型工藝須與生產線保持一致,主要包括設計配料、計量、混合料拌制、試塊靜壓成型、試塊養護等。

3.3 試驗過程

試塊力學性能試驗在3000kN的YAW4306型微機控制電液伺服壓力試驗機上完成,荷載及其位移等數據由試驗機自動采集。試塊力學性能試驗,以靜壓成型試塊能承受的極限強度作為衡量標準,系統地研究固化劑、水泥與黃河淤泥等配合比、靜壓大小以及含水率等因素對抗壓強度的影響。

4 試驗結果分析

4.1 混合料最佳壓強的確定

試驗方案設計試樣成型壓力范圍取為5—30MPa,考慮到BJYS-200型靜壓砌塊成型試驗機壓力不夠,試驗在3000kN的YAW4306型微機控制電液伺服壓力試驗機上完成,自制圓形試樣模具。試樣直徑D=110mm,成型高度H=50mm左右,橫截面積為A=9498.5mm2。按相同配合比(90%黃河淤泥,10%P.O 42.5普通硅酸鹽水泥)制作試樣6組,每組10塊,同條件(試樣用塑料膜包好,放在20℃恒溫箱)養護28天后,在壓力試驗機上進行抗壓試驗,結果如表6所示。依據試樣制作加壓強度和試樣抗壓試驗強度二者關系圖如圖1所示。由圖1可以看出,試樣抗壓試驗強度隨試樣制作加壓強度的升高而先升后降,在試樣制作加壓強度為20MPa左右,試樣抗壓試驗強度最大。可以得到靜壓成型制作生態砌塊時,混合料的最佳加壓強度在20MPa左右,壓強過低,混合料不密實,但壓強過高,容易使砌塊內部成型的黏聚力遭到破壞。

圖1 試樣制作加壓強度和試樣抗壓試驗強度關系圖

表6 混合料最佳壓強試驗表

4.2 混合料最佳含水率的確定

制作生態砌塊混合料的水分至少有兩個作用：第一是使混合料保持一定塑性變形能力,保證生態砌塊在壓力的作用下成型并保持一定的形狀;第二是保證砌塊里原料、膠凝材料、固化劑等之間發生物理化學反應所需水分。水分過低,混合料塑性不夠、拌和不均勻會影響砌塊強度,水分過高,靜壓成型時多余水分會被擠出,砌塊里多余水分干燥后形成微氣孔,反而會使砌塊強度降低。試驗方案確定時,先根據前面試驗經驗,選擇一個較優成型含水率,在此基礎上適當調整含水率制作試塊進行抗壓試驗,研究含水率不同對試樣抗壓強度的影響。混合料初始較優含水率可以按手握成型,落地開花的經驗確定,然后測出混合料的含水率在17%左右。試樣制作加壓強度為20MPa,按相同原材料配合比(90%黃河淤泥,10%P.O 42.5普通硅酸鹽水泥),含水率分別控制為13%、15%、17%、19%、21%制作試樣5組,每組10塊,同條件養護28天后進行抗壓試驗,結果如表7所示。

表7 試樣含水率和抗壓強度關系表

由表7的試驗結果繪制含水率和試樣抗壓強度二者關系圖如圖2所示。由圖2可以看出,試樣抗壓試驗強度隨混合料含水率的升高而先升后降,含水率為15%左右,試樣抗壓試驗強度最大。但試樣制作過程中發現,含水率15%時,雖然試樣強度最高,但試樣成型效果略差,混合料含水率大于19%,靜壓成型時試樣出水比較明顯,而且最終強度有所降低,含水率17%時,雖然試樣強度稍微降低,但試樣成型效果較好,所以后期試驗過程中混合料最佳含水率確定為17%。

圖2 試樣含水率和抗壓強度關系圖

4.3 水泥摻量對黃河淤泥生態砌塊抗壓強度的影響

黃河淤泥生態砌塊的性能研究中,膠凝材料仍然優選水泥作為最主要的固化膠凝材料。為了尋找工程應用中的最佳配比以及強度變化規律,材料的配比選取試驗范圍較寬。試驗水泥摻量取為6%、8%、10%、12%、15%、20%、25%、30%共8種。試塊養護采用塑料膜包好,放在20℃恒溫箱內養護28天后進行抗壓強度試驗。水泥摻量10%測得試件抗壓強度平均值為11.629Mpa,以此為基準,繪制出不同水泥配比條件下試件抗壓強度比如圖3。由圖3可知,隨著水泥摻量的增加黃河淤泥試件抗壓強度呈增加趨勢。水泥用量12%—25%范圍內,曲線斜率較大,說明強度增長率較大。當水泥摻量為30%時,試件平均強度最大值,是水泥摻量為10%時強度的2.84倍。

圖3 水泥摻量黃河淤泥試塊抗壓強度

4.4 Ca(OH)2摻量對黃河淤泥生態砌塊抗壓強度的影響

制作黃河淤泥生態砌塊時摻加一定比例的Ca(OH)2可以提高砌塊的強度。另外,對于江河湖底的淤泥來說,富含一定的有機質,加入一定比例的Ca(OH)2對于消除有機物是比較有利的。但是,在黃河淤泥生態砌塊中加入Ca(OH)2,尤其以生石灰的形式摻加時,會因為生石灰遇水膨脹而影響砌塊的性能。所以Ca(OH)2加入時要考慮比例、熟化度、粒度等影響因素。為了研究Ca(OH)2摻量對黃河淤泥生態砌塊抗壓強度的影響,分析黃河淤泥的固結膠凝性,采用鄭州南裹頭黃河淤泥,摻加425號水泥10%,最終混合料水分按17%,砌塊成型壓力為20MPa,Ca(OH)2摻量為0%、2%、5%、8%、10%。

圖4是Ca(OH)2摻量對黃河淤泥生態砌塊抗壓強度比的影響圖。由圖4可見,加入Ca(OH)2在一定范圍內可以提高黃河淤泥生態砌塊的抗壓強度,當摻加2%Ca(OH)2時,相對于未摻加時強度可以提高20%,效果明顯,摻加5%的Ca(OH)2時,相對于未摻加時強度可以提高7%,效果已經下降,當摻加8%時,強度不升高,反而比未摻加時降低了76%,所以Ca(OH)2摻加量存在一個最優范圍。摻加過量的Ca(OH)2會導致試塊表面Ca(OH)2吸收空氣中CO2反應生成CaCO3,引起體積膨脹而產生的裂縫導致強度降低。因此,黃河淤泥生態砌塊中Ca(OH)2摻量不能過量,過量的Ca(OH)2將在一定程度上對黃河淤泥生態砌塊強度產生劣化影響。

圖4 Ca(OH)2摻量對黃河淤泥生態砌塊強度的影響

4.5 脫硫石膏摻量對黃河淤泥生態砌塊抗壓強度的影響

脫硫石膏是采用石灰-石灰石回收燃煤或油的煙氣中的二氧化硫過程的副產品,價格很低,甚至不需要花錢購買,所以脫硫石膏資源化再利用的意義非常重大,考慮將脫硫石膏作為生態砌塊的添加料進行試驗研究。圖5繪制了脫硫石膏摻量對黃河淤泥生態砌塊抗壓強度比的影響。由圖5可見,隨著脫硫石膏摻量的增加,黃河淤泥生態砌塊抗壓強度持續增加,摻量從5%提高到15%這個范圍,曲線斜率較大,說明依靠提高脫硫石膏配比來提高試樣強度效果顯著,超過15%以后,效果有所降低。從磚試樣抗壓試驗的過程發現,摻加脫硫石膏,可以提高試樣延性,試樣變形很大而不碎。

圖5 脫硫石膏摻量對黃河淤泥生態砌塊強度的影響

4.6 黃河淤泥生態砌塊抗凍融性能

選取2個型號的試樣進行抗凍性試驗,每個型號制作試件10塊,將其中5個試件按照現行GB/T4111標準進行抗凍性試驗,將另5塊放置在20℃±5℃條件下做對比試驗。每經5次凍融循環為一組,檢查試樣破壞情況,共做5組25次凍融循環。經過25次凍融循環后,試樣沒有出現明顯的開裂、剝落、掉角等破壞現象。檢驗試件的單塊抗壓強度損失率、試件的平均抗壓強度損失率和試件的單塊質量損失率結果如表8所示。由表8可知,經過25次凍融循環后,2組試件的質量損失率最大為4%,小于5%;試件的平均抗壓強度損失率最大一組為3.1%,單塊抗壓強度損失率最大為11%,小于25%,滿足現行《混凝土實心磚》GB/T21144標準的要求。

表8 試件凍融試驗分析表

5 結論

(1)黃河淤泥生態砌塊的抗壓強度隨著水泥的添加比例的提高而提高,生態砌塊在制作時存在最佳含水率、最佳加壓強度等工藝要求。

(2)黃河淤泥生態砌塊抗凍融性能較好,經過25次循環凍融試驗,試塊的質量損失率很小,抗壓強度下降率很小。

(3)加入Ca(OH)2在一定范圍內可以提高黃河淤泥生態砌塊的抗壓強度,當摻加2%Ca(OH)2時,相對于未摻加時強度可以提高20%,效果明顯,并且,添加Ca(OH)2可以消除黃河淤泥中的有機質。

(4)通過摻加一定量的脫硫石膏,可以提高黃河淤泥生態砌塊的強度和延性,也可以節省一定量的水泥等膠凝材料,降低成本,同時,又可以大量消耗脫硫石膏這種工業固廢,保護環境,所以,脫硫石膏是黃河淤泥生態砌塊一種理想的添加原料。

(5)通過試驗研究證明,利用黃河淤泥,添加一定量的水泥等膠凝材料,可以制作出一定強度的生態砌塊,具有強度高、環保、節省土地資源、降低成本等特點,具有一定的工程應用價值。

fR、ff—5個凍融、未凍融試件的抗壓強度平均值,單位MPa;

fi—單塊凍融試件的抗壓強度,單位MPa;

Km—試件的(單塊)質量損失率,%;

Ki—試件的單塊抗壓強度損失率,%;

KR—試件的平均抗壓強度損失率,%。