随着我国人口数量的不断增长,人们对水土资源的大规模开发导致全国各地出现了不同程度的水土流失现象,各河道的水域面积不断地减少,水生态开始失衡,因此建设生态渠道迫在眉睫[1-2]。
目前常用的生态护坡技术为预制生态砖护坡,苏慧等[3]提出了铰链式混凝土砌块生态护坡技术,应用表明该结构实现了河道防洪的功能,又改善了生态环境。邵琪等[4]提出了一种三维生态联锁块的结构形式,发现其在保证亲水性和生态性的前提下,能更好地发挥抗冲和抗滑的性能。张从从[5]设计了插合式正六边形生态砖和插合式四边形空心生态砖,并进行河道边坡稳定敏感性分析。
虽然预制生态砖取得一定的研究成果,但人工铺设预制生态砖需要大量劳动力,并且在铺设和运输过程中会有损耗。此外,预制生态砖的应用也受到坡度限制,适用于缓坡护坡工程。
同时,河道、水库淤泥量逐年增加,严重影响生态环境、通航安全和工作效能。与其他废弃物相同,淤泥也可采用固化方法加以资源化利用,如,童丽萍等[6]将黄河淤泥应用到多孔砖砌体中,研究其抗压承载力和变形性能,为黄河淤泥多孔砖砌体结构设计和施工提供依据。张莎莎等[7]利用不同细粒土配置砂类硫酸盐渍土,进行盐胀和力学试验,研究发现掺入细粒土对抗剪强度表现出先增大后减小的趋势。高鹏等[8]将淤泥制成免烧建筑陶粒,分析陶粒内部物相组成和微观结构的变化机制,获得了淤泥基免烧陶粒的最佳配比和制备工艺参数。陆晓燕等[9]将长江淤泥与粉煤灰结合制作全淤泥陶粒泡沫混凝土砌块应用到墙体保温,保温效果明显改善。以上结果表明,将淤泥用于轻质材料、建筑砖块、泡沫混凝土等已有先例,将淤泥应用在生态渠道相关领域鲜见报道。
本文以淤泥作为胶凝材料按照等重量来部分取代水泥,制备不同淤泥掺量的自密实混凝土(SCC)[10-11],以期现场成型渠道护坡,从而降低施工劳动力需求和转运拼装损耗。考虑到淤泥对SCC核心性能的影响尚不明晰,本研究着重探究其工作性能、力学性能和孔隙结构的关联,评估淤泥作为胶凝材料替代水泥的可行性。
1 试验
1.1 原材料
水泥选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥,其比表面积为369 m2/kg。粉煤灰选用Ⅱ级粉煤灰,比表面积为606 m2/kg。细骨料为天然河砂,细度模数为2.45,表观密度为2 620 kg/m3。粗骨料为砾石,粒径范围为3～6 mm,堆积密度为1 734 kg/m3。减水剂采用普通型PCA®-Ⅰ型聚羧酸高性能减水剂,固含量为25.33%。淤泥取自江苏省连云港,比表面积为1 740 m2/kg,采用系统化的工艺步骤对淤泥进行处理,首先利用阳光和自然风力进行淤泥干化,以降低其含水量至20%左右,再经过人工操作和多功能破碎机对干化后的淤泥进行破碎,再将淤泥粉末通过振动筛进行筛分,获得粒径0～400 μm的淤泥粉末,试验前将其放置在60 ℃的烘箱中干燥12 h。上述胶凝材料的主要化学成分见表1。由表1可知,本研究中淤泥的二氧化硅含量与粉煤灰基本相同,氧化铝含量为粉煤灰的50%,氧化钙含量为水泥的10%,可以取代水泥作为胶凝材料。
表1 胶凝材料的主要化学成分
Table 1 Main chemical composition of cementitious materials %
材 料 w ( S i O 2 ) w ( C a O ) w ( A l 2 O 3 ) w ( F e 2 O 3 ) w ( M g O ) w ( N a 2 O ) w ( K 2 O ) w ( S O 3 ) 水 泥 1 7 . 8 8 6 6 . 6 5 6 . 3 5 4 . 7 2 0 . 6 1 0 . 1 2 0 . 8 5 2 . 6 6 粉 煤 灰 5 4 . 6 3 5 . 2 0 3 4 . 8 1 3 . 0 4 0 . 9 7 0 . 9 6 淤 泥 5 3 . 4 2 6 . 9 1 1 6 . 6 4 3 . 9 3 1 . 5 5 2 . 4 2 5 . 6 6 0 . 5 1
采用MASTERSIZER 2000激光粒度分析仪对淤泥进行粒度分析,粒径分布如图1所示。其中90%淤泥颗粒在47.2 μm以下,颗粒粒径集中分布于3～14 μm。采用X射线衍射仪(XRD)对淤泥物相组成进行分析,如图2所示。淤泥的主要物质成分为石英、白云母、方解石、钠长石等。
图1 淤泥的粒度分布曲线
Figure 1 Particle size distribution curve of silt
图2 淤泥的X射线衍射图谱
Figure 2 X-ray diffractogram of silt
1.2 试验制备与测试
1.2.1 配合比方案
本试验根据CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》[12]进行标准试块的混凝土配合比设计,其中水胶质量比为0.35∶1,砂率为50%,淤泥最大掺量(质量分数,下同)为10%,如表2所示。表2中,样品编号S-i表示淤泥以质量分数为i%替代水泥,并设S-0为基准组配合比。需要说明的是,为防止SSCC离析和泌水,并且改善其流动性,本试验内掺20%粉煤灰。
表2 SSCC配合比
Table 2 SSCC mix proportion kg/m3
样品 编号 水泥 淤泥 粉煤灰 砂 石 水 减水剂 S-0 421. 60 0 105. 4 685. 1 685. 1 185 5. 27 S-2 411. 10 10. 54 105. 4 685. 1 685. 1 185 5. 27 S-4 400. 50 21. 08 105. 4 685. 1 685. 1 185 5. 27 S-6 389. 98 31. 62 105. 4 685. 1 685. 1 185 6. 85 S-8 379. 44 42. 16 105. 4 685. 1 685. 1 185 8. 43 S-10 368. 90 52. 70 105. 4 685. 1 685. 1 185 9. 49
1.2.2 试件制备与养护
为确保淤泥自密实混凝土(SSCC)的工作性能,充分发挥减水剂的性能,在搅拌时延迟加入减水剂。先将水泥、粉煤灰、淤泥、砂、和石子倒入搅拌机中进行干拌60 s;将50%的水均匀缓慢地加入,搅拌时间为60 s;将减水剂融入剩余水中,搅拌中均匀缓慢地加入,最后再搅拌120 s,将拌合物装入试模。置于标准养护室下24 h后拆模,养护至规定龄期后进行试验。
1.2.3 测试方法
SSCC的工作性能试验按照CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》[12]进行坍落扩展度试验、T500流动时间试验和L型仪试验。力学性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[13]测试强度,强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件,每组测试3个取平均值。采用电液伺服万能试验机分别对养护3,7,28 d混凝土试件进行抗压强度和劈拉强度测定,抗压强度的加载速度为0.5 MPa/s,劈拉强度的加载速度为0.05 MPa/s。弹性模量试验采用应变片法,采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件,每组测试3个取平均值,其中加载速度与抗压试验相同。采用AutoPore IV 9500型全自动压汞测孔仪测试孔隙结构,将养护28 d的样品放入异丙醇48 h以上,通过溶剂置换法终止水泥水化,再将终止水化后的试块放置60 ℃的烘箱中干燥24 h,进行压汞实验。
2 结果与分析
2.1 工作性能
图3表示淤泥掺量对坍落扩展度和L型仪高度比的影响。由图3可知,随着淤泥掺量的增加,拌合物的坍落扩展度和高度比逐渐减小,测试过程中发现S-8和S-10两组拌合物没有进行扩展,并且在L型仪水平部分中没有流动,当淤泥掺量达到6%时,扩展度和高度比大幅度降低,这是由于淤泥比表面积约为水泥的4.7倍,表面能吸附更多的水和减水剂,从而降低拌合物中自由水和有效减水剂的含量,阻碍其流动性,并且淤泥的掺入导致拌合物黏性增大,从而减缓了拌合物流动速度。而自密实混凝土坍落扩展度要求为550～750 mm[14],为了保证SSCC的工作性能,需要增加减水剂用量至1.3%(S-6)、1.6%(S-8)和1.8%(S-10)。
图3 淤泥掺量对SSCC扩展度和高度比的影响
Figure 3 Effect of silt admixture on expansion and height ratio of SSCC
图4表示淤泥掺量对工作性能的影响,其中包括坍落扩展度、T500流动时间和L型仪高度比。由图4可知,所测不同SSCC拌合物的工作性能满足CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》[12]的要求。当减水剂掺量较大时,流动性明显增加,扩展度和高度比随之增加,T500流动时间降低,使得S-10拌合物在流动过程中更容易通过L型仪中的钢筋栅。鉴于此,淤泥会降低SSCC的工作性能,而减水剂可显著提高SSCC拌合物的工作性能,在淤泥掺量和减水剂用量之间找到平衡点,确保混凝土拌合物满足工作性能要求是配合比设计的关键。
图4 淤泥掺量对SSCC工作性能的影响
Figure 4 Effect of silt mixing on SSCC workability
图5表示减水剂用量与淤泥掺量间的关系。由图5可知,当淤泥掺量较大时,需要更多的减水剂来改善SSCC的工作性能。淤泥掺量x和减水剂用量y具有良好的相关性,其拟合公式为y=0.009 8x2-0.011x+0.979,R2为0.97。
图5 淤泥掺量与减水剂用量关系
Figure 5 Relationship between silt dosage and water reducing dosage
2.2 力学性能
2.2.1 抗压强度
图6为不同淤泥掺量下SSCC在3,7,28 d时抗压强度变化规律。由图6可知,淤泥掺量越高,SSCC硬化抗压强度下降越明显。淤泥掺量为2%,4%,6%,8%,10%的28 d强度分别降低了2.4%,3.7%,20.6%,22.7%和25.7%。根据Jiang等[15]的试验结果,抗压强度随淤泥掺量的增加而降低,与本研究结果一致。这是因为淤泥的加入导致胶凝材料体系中的水化产物变少,抗压强度随之降低。
图6 不同龄期SSCC拌合物的抗压强度
Figure 6 Compressive strength of SSCC at different ages
2.2.2 劈裂抗拉强度
图7为不同淤泥掺量下SSCC在3,7,28 d劈拉强度变化规律。当掺入2%的淤泥时劈拉强度会增加,7 d和28 d强度分别增加了2.5%和7.4%,但随着淤泥掺量的增加,劈拉强度持续降低。与基准相比,在7 d和28 d时,淤泥掺量为4%,6%,8%,10%的劈拉强度分别降低了0.7%和4.7%,18.7%和14.3%,30.6%和15.1%,35.8%和25.5%,可见淤泥的掺入对SSCC劈拉强度具有较为显著的影响。
图7 不同龄期SSCC拌合物的劈拉强度
Figure 7 Split tensile strength of SSCC at different ages
2.2.3 拉压比
拉压比是劈拉强度(Ts)与抗压强度(Cs)的比值,用来反映混凝土的抗脆性断裂性能。该比值越高,反映混凝土抗裂性越好[16]。混凝土Ts/Cs值一般为0.05～0.10。图8为SSCC的劈拉强度与抗压强度的关系。SSCC在3,7,28 d的Ts/Cs值为0.051～0.071,平均值为0.061,且在不同淤泥的掺量下,Ts/Cs值变化不大,说明淤泥掺量对SSCC抗裂性影响较小。
图8 抗压强度与劈拉强度之间的关系
Figure 8 Relationship between compressive strength and split tensile strength
2.2.4 弹性模量
3,7,28 d的弹性模量测试结果如图9所示。由图9可知,SSCC的弹性模量随着淤泥掺量的增加而减少,与基准相比,淤泥掺量为2%,4%,6%,8%,10%的28 d弹性模量分别降低了29.4%,31.1%,32.8%,40.3%和40.6%。与Zhang等[17]的结论相同,只增加淤泥的掺量,弹性模量会随之下降,平均下降2.6%。这是因为淤泥使拌合物的孔隙率增大,当试件受压时,由于孔隙率及内部微裂缝的影响使应变增大,导致弹性模量降低。
图9 不同龄期SSCC拌合物的弹性模量
Figure 9 Modulus of elasticity of SSCC at different ages
2.3 孔隙结构
压汞(MIP)分析如图10～13所示。从图10中可以看出,硬化浆体汞侵入率和总汞侵入量均显著增加,浆体结构内部互连孔隙数量增加,所有淤泥净浆试块孔隙率均高于基准组的孔隙率。随着淤泥掺量增加到10%,试块孔隙率在基准组基础上分别上升了25.33%,61.85%和46.18%。淤泥对孔隙率的影响呈增加的趋势,这是因为随着淤泥替代水泥比例越大,可供水化反应的胶凝材料减少,导致SSCC的孔隙增多。分析图10和图11,S-0和S-10的最可几孔径为69.13 nm,S-4和S-6的最可几孔径为69.04 nm,S-0、S-4、S-6和S-10的临界孔径分别为120.83,120.86,120.86,120.77 nm,淤泥的掺入对最可几孔径和临界孔径基本无影响,表明淤泥替代水泥并没有引起水泥浆内孔隙级配的显著变化,相比这两种参数,孔隙率更能反映淤泥对浆体微观结构影响。
图10 累积孔径分布曲线
Figure 10 Cumulative pore size distribution curve
图11 增量孔径分布曲线
Figure 11 Incremental pore size distribution curve
图12为不同淤泥掺量下的孔隙率-强度-扩展度的关系,根据Jiang等[18]的研究结果,掺入淤泥后的抗压强度随孔隙率的增加而降低,这与本研究的规律基本吻合,不同的是S-6比S-10的强度大,但其孔隙率上升1百分点,这是因为S-10比S-6的扩展度和高度比分别增加了9.4%和2%,流动度增强导致孔隙含量减少。
图12 不同淤泥掺量的孔隙率-抗压强度-扩展度关系
Figure 12 Relationship between porosity, compressive strength and expansibility of different silt content
吴中伟院士将孔分类为无害孔(<20 nm)、微害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)[19]。为进一步量化淤泥对不同孔隙等级影响,绘制了不同浆体样品孔隙占比,如图13所示。与基准组相比,>200 nm孔径的体积分数随淤泥掺量增加而上升,淤泥掺量为10%时,多害孔体积增加了31%,此时强度降低了26%(图6)。正如Jiang等[18]发现的那样,当淤泥掺量达到10%时,随着淤泥含量的增加,有害孔的比例也呈增加的趋势。相比较其余孔径区间,多害孔体积分数是影响浆体宏观力学性能的主要因素[20],符合宏观力学性能的规律。另外,S-10在5～20 nm的体积分数大于S-4和S-6,这是因为聚羧酸减水剂会改善混凝土的孔结构,随着减水剂掺量增多,无害孔的含量也随之增加[21],与宏观工作性能规律一致。
图13 不同淤泥掺量下孔隙占比
Figure 13 Pore fraction at different silt dosages
3 结论
根据本研究对SSCC工作性能和力学性能的测试结果,结合孔隙结构的规律,可以得出以下结论。
(1)淤泥的加入使SSCC拌合物流动性降低,对工作性能有较大削弱,坍落扩展度和T500流动时间随淤泥含量的增加而升高,高度比降低;增加减水剂用量可使SSCC拌合物满足规范工作性能要求,减水剂用量与淤泥掺量呈非线性相关关系。
(2)淤泥等质量替代水泥后抗压强度、劈拉强度和弹性模量均降低,淤泥替代水平越高,降低幅度越大,当替代率为10%时,28 d龄期的抗压强度、劈拉强度和弹性模量分别降低25.7%,20.3%和41.7%。淤泥替代水泥虽然存在强度损失,但是本研究主要是将SSCC应用到强度要求较低(20 MPa)的非结构生态护坡中,而替代10%的试验结果仍能满足要求。
(3)淤泥的掺入增加了多害孔体积分数,其中多害孔对水泥浆力学性能影响最为关键,直接影响浆体内部孔隙率,随着淤泥替代掺量的增加,多害孔体积分数在基准浆体基础上提升了14.16%,25.23%和31.20%,与SSCC的宏观力学性能规律一致。
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