水工砂性弃土固化材料力学性能研究

陶桂兰，鄢亚军，董光辉，江朝华，冯兴国

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.长江南京航道工程局，南京210011）

水工砂性弃土固化材料力学性能研究

陶桂兰1，鄢亚军1，董光辉2，江朝华1，冯兴国1

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.长江南京航道工程局，南京210011）

采用航道整治砂性弃土为主要原料制备水工材料，以抗压强度、劈裂抗拉强度及水稳定性作为控制指标，研究水泥、矿粉和石膏掺量对固化材料28 d力学性能影响。结果表明：在砂性弃土用量为70%，水泥、矿粉及石膏掺量分别为18%、10%和2%时，可获得28d抗压强度、劈裂抗拉强度和浸水强度分别达24.7 MPa、2.3 MPa和23.2 MPa的固化材料。该材料具有较高的抗压、抗拉力学强度及良好的水稳定性能，干缩率和吸水率小，与普通C20混凝土相比，砂性弃土固化材料综合单价降低约8.0%，可替代普通混凝土制作压载块等水工材料就地应用于水利和航道整治工程中，具有良好经济和社会效益。

航道整治；砂性弃土；固化材料；力学性能

目前，随着长江航道整治的推进，为保证航道岸坡的稳定性，需对岸坡进行削坡处理，航道疏浚工程过程中也将产生大量疏浚弃土。航道整治中大量弃土的转运、存储不仅花费巨大，而且会影响环境。将航道工程弃土通过固化技术制备成水工材料，如替代混凝土材料制作护面砖或软体排的压载块等，就近应用于水利和航道整治工程，在避免弃土转运的同时也减少土地占用，降低工程造价，解决固体废物的二次污染问题，缓解航道整治工程对环境的影响，将产生巨大的经济效益和社会效益［1］。

20世纪以来，出现了以土壤、沙土固化材料为主的新技术及新材料，国内外学者进行了大量的土壤固化剂及固化土性质等方面的研究［2-4］。目前土壤固化技术主要应用于道路工程和水利防渗工程，如堤坝加固、地基加固及软基处理等。梁军堂等［5］进行了NS固沙材料在路基加固处理中的研究；胡军［6］进行了土壤固化剂在路基处理、道路基层中的应用研究。研究表明现场土添加2%水泥、3%石灰和路邦固化剂做底基层无机稳定土时，压实度达到95.5%以上则无侧限抗压强度可满足1.5 MPa的要求；李驰和于浩［7］采用PX固化剂对风沙土进行加固，对不同含水状态、不同固化剂掺量、不同养护龄期下固化风沙土的强度特性进行试验研究。但地基处理工程中的土壤固化主要是将散碎状的土壤固结为具有一定强度的整体性固体物质，对固化土普遍要求较低的强度。此外土壤、沙土固化材料在水利和航道整治工程中的研究和应用极少。曾方［8］采用从马来西亚引进的CSB固化剂和国产固化剂PCSB进行了固化河砂块的试验研究，结果表明河砂固化材料具有较高的抗压、抗折强度，可以应用于航道工程，但该文主要阐述工程应用，对固化技术及相关固化试验没有进行阐述。邵仁建和章伟平［9］采用WH系列无机土壤固化剂对土壤进行固化，并采用成型机制作预制块构件将其应用于渠道防渗工程中，结果证明该技术可靠，工程造价低，但论文也只是针对固化剂的工程应用进行了阐述。

用于航道工程的固化材料要求具有较高的抗压、抗拉强度及良好的水稳定性。本文以航道整治工程中的砂性弃土为主要原料，制备替代混凝土的固化材料用于制作压载块等航道工程材料，要求获得的固化材料抗压强度达到20 MPa以上，并具有良好抗拉性能和水稳定性。本文以抗压强度、劈裂抗拉强度及水稳定性为控制指标，研究水泥、石膏和矿粉掺量对砂性弃土固化材料性力学能影响，确定砂性弃土固化材料最佳配合比，得到满足水工应用要求的固化材料。对采用弃土为原料通过固化技术制备水工材料进行一次有益的尝试和探索。

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

试验土样取自湖北荆江河段典型岸坡，取土深度在地表下1～2 m。试验土样的含水率为5%左右，pH值为7.8，呈弱碱性。试验土颗粒组成见表1，化学组成份见表2，矿物组成见图1。

由表1、表2及图1可知，砂性土颗粒粒径主要集中于0.3～0.15 mm，大于0.6 mm的颗粒极少，颗粒较细；砂性土中SiO2、Al2O3含量都比较高，其次依次为CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O；砂性土中主要矿物组成为水云母、闪石、石英、长石、方解石等非粘性矿物，粘性矿物蛭石和绿泥石含量较少，土样活性较差。

试验所用水泥为海螺水泥有限公司生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；矿粉为南京梅宝新型建材公司生产S95级矿粉；石膏为成都市科龙化工试剂厂生产的分析纯试剂。聚丙烯纤维为武汉汉森钢纤维有限责任公司生产，长度4～9 mm，比重0.9 g/cm3，直径20～50 μm，抗拉强度500 MPa。

表1 荆江河段典型岸坡砂性弃土颗粒组成表Tab.1 Particle size distribution of waste sandy soil of the typical bank slope of Jingjiang river reach

表2 荆江河段典型岸坡砂性弃土化学成分表Tab.2 Chemical composition of waste sandy soil of the typical bank slope of Jingjiang river reach

图1 荆江河段典型岸坡砂性土矿物组成XRD图Fig.1 XRD pattern of waste sandy soil of the typical bank slope of Jingjiang river reach

1.2 试验方法

砂性弃土经自然风干后直接进行试验，本文采用静力压实法制备试件，首先按照配合比称取一定质量的砂性弃土、水泥、矿粉、石膏等，将混合料在JJ-5水泥胶砂搅拌机中干拌2 min后，加适量水后湿拌3 min；将搅拌均匀后的物料称重，加入到100 mm×100 mm×160 mm的成型磨具中，试件采用SHT4305型微机控制电液伺服万能试验机加以400 N/s速率加压至20 MPa成型，成型后试件为高度约为100 mm的立方体。

3.教育的形式主义。教育的形式主义是感恩教育的泥潭。当代大学生并不是没有一颗感恩的心灵，他们所缺少的是一种切实的感恩教育。当前一些学校进行的感恩教育常常停留在形式上，例如，一些大学给学生布置的作业是“给父母洗脚、写一封感恩信”,这种行动的原意是善良的,但这也仅是形式。感恩当然需要形式,但当我们把感恩变成一种形式，甚至是一种运动时，一方面，我们可能因为表达了应该表达而未表达的感恩，而使我们得到某种精神上的安慰；另一方面，由于形式的轰轰烈烈也极可能使原本所有的善良品质又一次流于形式。所以，感恩教育应走出形式主义的泥沼。

固化材料抗压强度及劈裂抗拉强度依据DL/T 5150-2006《水工混凝土试验规程》在SHT4305型微机控制电液伺服万能试验机进行。试件浸水强度、干缩率、吸水率和密度的检测依据GB/T 4111-2014《混凝土小型空心砌块试验方法》进行，其中浸水强度检测方法为将养护至规定龄期后的试件浸入室温20℃左右水中，水面高出试件20 mm，4 d后检测其抗压强度即为浸水强度。

表3 水泥掺量对砂性弃土固化材料28 d性能影响Tab.3 Influence of cement content on the 28 d mechanical properties of waste sandy soils solidified materials

图2 水泥和矿粉的不同配合比对砂性弃土固化材料28 d力学性能影响Fig.2 Influence of cement and slag content on the 28 d mechanical properties of waste sandy soils solidified materials

2 试验结果及分析

2.1 砂性弃土固化材料最佳配合比确定

2.1.1 水泥掺量的影响

水泥作为粘结剂，不但起着主要的化学反应作用，而且还是影响产品性能的重要指标。水泥掺量的多少将直接影响到砂性弃土固化材料的性能。本文首先通过掺加水泥获得满足要求的砂性弃土固化材料，确定制备达到普通混凝土要求的砂性弃土固化材料所需要的最少固化剂掺量，然后分别采用矿粉、石膏等无机结合料替代水泥，获得砂性弃土固化材料最佳配合比。水泥掺量对砂性弃土压制固化材料28 d性能影响见表3。

图3 矿粉和石膏的不同配合比对砂性弃土固化材料28 d力学性能影响Fig.3 Influence of slag and gypsum content on the 28 d mechanical properties of waste sandy soils solidified materials

表4 砂性弃土固化材料物理力学性能Tab.4 Physical and mechanical performance of waste sandy soils solidified materials

表5 砂性弃土固化材料成本分析Tab.5 Cost analysis of waste sandy soils solidified materials

从表3可知，随着水泥加入量不断增加，固化材料力学性能也随之增加，水泥作为水硬性胶凝材料，不仅将砂胶结成坚实的整体，还能与水发生水化反应，并在反应过程中逐渐生成水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化硫铝酸钙等水化产物。随着水泥用量的增加，固体颗粒之间的胶结性能更为牢固，水化作用继续增强，水化产物不断增加，固体颗粒之间的毛细孔不断被填实，从而使固化材料的强度得到不断发展。当水泥用量为30%时，砂性弃土固化材料28 d抗压强度为23.7 MPa，满足抗压强度的要求，其劈裂抗拉强度和浸水强度偏低，分别为2.1 MPa和19.7 MPa。水泥用量为35%时，砂性弃土固化材料28 d抗压强度、劈裂抗拉强度和浸水强度分别为26.3 MPa、2.4 MPa和22.1 MPa，达到了配制的要求，但随着水泥加入量的继续增大，虽然固化材料的强度增加，但砂性土的利用率降低，固化材料的成本也会随之提高，且不能体现弃土综合利用的意义，并且矿粉、石膏取代水泥，不仅可以降低成本还可以有效改善砂性弃土固化材料的性能，由此初步选用砂性弃土掺量为70%，固化剂总掺量为30%的配合比。

2.1.2 水泥和矿粉配合比的确定

由于水泥水化后生成的Ca（OH）2以及掺入石膏的碱性激发作用，矿粉的分散和水化加快，矿粉水化后生成钙矾石和C-S-H凝胶，具有明显的胶凝特性。本试验固定砂性弃土掺量为70%，调整水泥和矿粉掺量研究水泥和矿粉配合比对砂性弃土固化材料强度影响，试验结果如图2所示。

从图2可知，随着水泥掺量的减少和矿粉掺量的增加，试件的抗压强度呈缓慢下降趋势，当矿粉掺量达12%，抗压强度呈快速下降趋势；但矿粉的掺入对试件的劈裂抗拉强度和浸水强度有所改善，随着矿粉掺量的增加，试件的劈裂抗拉强度和浸水强度呈上升趋势，当水泥掺量和矿粉掺量比为18%：12%时，试件的劈裂抗拉强度和浸水强度达到最大。但当矿粉掺量继续增加，则试件劈裂抗拉强度和浸水强度开始下降。因而当水泥和矿粉的最佳比例为18%：12%时，该砂性弃土固化材料呈现较好的力学性能和水稳定性。这是由于矿粉使试件具有更好的粘聚性和可塑性。此外矿粉具有良好的活性，其火山灰效应决定了试件的强度增长。矿粉中活性氧化钙、氧化硅及氧化铝等组分与水泥浆体中的Ca（OH）2作用生成碱度较小的水化硅酸钙、水化铝酸钙。这些水化生成物对试件强度的提升起到了很大的作用。但随着矿粉掺量的增加和水泥掺量的减少，固化材料中碱度降低，水化反应产生的胶凝物量过少，胶结力低，使得固化材料力学性能下降。

2.1.3 矿粉和石膏配合比的确定

石膏在固化材料体系中，主要作激发剂使用，并且石膏可以与水泥水化后生成的水化硫铝酸钙反应生成钙矾石，起一定的膨胀作用，提高强度。固定砂性弃土掺量为70%，水泥掺量18%，调整不同矿粉和石膏的掺量，研究矿粉和石膏配合比对粘性土固化材料强度影响，试验结果如图3所示：

从图3可知，随着石膏用量增加，固化材料强度增大，当石膏掺量在2%时，固化材料的强度达到最大，这是由于石膏的加入可以加速水泥与SiO2、A12O3的化学作用，促进水化硅酸钙、铝酸钙的形成，迅速形成大量的硫铝酸钙，很快结晶形成晶核，加速胶凝物质的结晶过程，有利于固化材料强度的提高。但随着石膏掺量的增加，水泥强度呈下降趋势。原因为石膏易于与水化硫铝酸钙反应生成膨胀性晶体钙矾石，当石膏掺量过多时，产生膨胀内应力，反而会降低固化材料的强度，甚至发生膨胀裂缝。因此，适宜的石膏掺量可以有效改善砂性弃土固化材料力学性能，本文中矿粉和石膏的最佳配合比为10%：2%。

由以上研究可知，当砂性土用量为70%，水泥、矿粉和石膏掺量分别为18%、10%和2%时，可获得28 d浸水强度达20 MPa以上的固化材料。该固化材料具有较高的抗压、抗拉力学强度及良好的水稳定性能，可替代混凝土用于制作压载块应用于水利和航道整治工程中。并且从以上水泥、矿粉和石膏掺量对固化材料强度影响分析可知，砂性弃土固化材料的强度主要通过水泥水化和矿粉火山灰作用生成水化硅酸钙等胶凝物质的胶结作用产生，砂性弃土成分的变化对以上配合比没有明显影响。

2.2 砂性弃土固化材料物理力学性能

按照得到的最佳配合比制备砂性弃土固化材料试样，测定其7 d、28 d和56 d的抗压强度、抗劈裂强度、浸水强度、干缩率、吸水率以及密度，结果如表4所示：

由表4可知，该固化材料的28 d抗压强度、劈裂抗拉强度和浸水强度分别可达24.7 MPa、2.3 MPa和24.2 MPa，与28 d强度相比，56 d抗压强度、劈裂抗拉强度和浸水强度分别增长了5.7%、8.7%和9.4%，可见材料的长期稳定性较好；该材料的28 d块体密度为2.18 g/cm3，稍小于普通混凝土材料，其28 d干缩率为0.01%左右，干缩率小，由此可能引起的材料开裂程度小。该材料28 d吸水率为6.9%左右，且随着龄期的增加而减小，与28 d相比，其56 d吸水率减少了3.17%，由此可以预见该材料抗冻性好，耐久性优良。

综上考虑上述因素，本文所制得的砂性弃土固化材料具有足够的力学强度以及良好稳定的综合性能，可以应用于水运工程建设中。

2.3 应用前景及经济技术分析

按照最佳配比，在厦门巨力发机械有限公司生产的HWQT6-15压制成型机上试制尺寸为410 mm×260 mm×100 mm的D型压载块。一次成型4块压载块，共生产了10×4块压载块，没有发现开裂现象，只是个别压载块脱模时边角出现剥落，洒水养护28天后进行钻芯取样检测，换算成标准试件抗压强度值超过20 MPa，达到了航道护岸压载块的要求。

按最佳配合比计算的砂性弃土固化材料成本和普通C20混凝土成本见表5。考虑普通混凝土砂石材料运费及弃土运输费后，以100公里水路运输计，砂性弃土固化材料的综合单价为202.4元/m3，普通C20混凝土的综合单价为218.5元/m3，与普通混凝土相比，砂性弃土固化材料综合单价降低约8.0%。

因此将港航工程砂性弃土资源通过固化技术制备成水工材料，就地应用于航道整治工程建设中，在避免弃土转运的同时也减少土地占用，降低工程造价，解决了固体废物的二次污染问题，并可有效缓解航道整治等工程对环境的影响，具有显著社会和经济效益。

3 主要结论

（1）本文以港航工程整治过程中产生的砂性弃土为主要原料，采用传统水泥、石膏和矿粉等无机结合材料为固化剂，通过半干法成型制备的砂性弃土固化材料具有较高的抗压、劈裂抗拉强度及良好的水稳定性能，可以替代普通混凝土用于制作压载块等航道工程材料应用于水利和航道整治工程中。

（2）当砂性弃土用量为70%，水泥、矿粉和石膏掺量分别为18%、10%和2%时，可获得28 d抗压强度、劈裂抗拉强度和浸水强度分别达24.7 MPa、2.3 MPa和23.2 MPa的固化材料。该砂性弃土固化材料强度高，干缩率和吸水率小，长期水稳定性能和耐久性好，满足水工材料应用要求。

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Study on mechanical properties of solidified materials made by waste sandy soils using in hydraulic engineering

TAO Gui⁃lan1,YAN Ya⁃jun1,DONG Guang⁃hui2,JIANG Chao⁃hua1,FENG Xing⁃guo1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Yangtze River Waterway Bureau of Nanjing,Nanjing 210011,China）

Using waste sandy soil as raw material,the solidified materials were studied to use in hydraulic engi⁃neering in this paper.The influence of inorganic binder such as cement,gypsum and slag on the performance of the solidified materials was studied by testing the compressive strength,tensile splitting strength and water stability of specimens.The study results show that the optimal proportion of this solidified material is that discarded clay soil：cement:slag:gypsum=70%:18%:10%:2%.With this proportion,the compressive strength,tensile splitting strength and immersion strength of specimens at 28 days are 24.7 MPa,2.3 MPa and 23.2 MPa separately.This solidified material meets the application requirements of hydraulic engineering.It can be attempted to make the ballast block and use in channel engineering.

waterway regulation;waste sandy soils;solidified materials;mechanical properties

TU 411

A

1005-8443（2016）03-0306-05

2015-11-16；

2016-01-18

陶桂兰（1962-），女，江苏南通人，博士，副教授，主要从事港口航道工程研究。

Biography：TAO Gui⁃lan（1962-），female，associate professor.