黃河粉砂制備生態(tài)型高強(qiáng)度混凝土的研究

楊龍賓 李兆恒 嚴(yán)軍 張文虎 袁榆梁 劉明月 呂亞軍

摘 要：采用黃河中堆積的超細(xì)粉砂制備高強(qiáng)度混凝土，對制備的試樣進(jìn)行工作性能、力學(xué)性能、熱重性能、微觀結(jié)構(gòu)以及生態(tài)影響研究。結(jié)果表明：黃河粉砂的摻入，提高了混合物的流動性能，使其凝結(jié)時間變長；粉砂替換水泥的替換率為５％～５０％時，混凝土仍然具有較高的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)替換率為５％時，所制備的混凝土濕堆積密度最大、抗壓強(qiáng)度最高；隨著替換率的增大，累計(jì)孔隙體積增大，環(huán)境污染指標(biāo)逐漸降低。為制備環(huán)境經(jīng)濟(jì)友好型黃河粉砂高強(qiáng)度混凝土提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度混凝土；黃河粉砂；配合比；性能測試；生態(tài)評價

中圖分類號：ＴＵ５２８．３１；ＴＶ４３１；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２９

引用格式：楊龍賓，李兆恒，嚴(yán)軍，等．黃河粉砂制備生態(tài)型高強(qiáng)度混凝土的研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１５７－１６２．

０ 引言

黃河被認(rèn)為是世界上含沙量最高的河流系統(tǒng)［１］ ，２０ 世紀(jì)，黃土高原嚴(yán)重的水土流失產(chǎn)生了大量的泥沙，其中２６％淤積在黃河下游，其余流入大海。黃河下游河道泥沙淤積，河床逐漸上升，從而帶來洪水隱患。同時，大量泥沙淤積會造成小浪底、三門峽水庫等重要水利工程庫容減小，縮短使用年限。因此，采用適當(dāng)方式對黃河泥沙進(jìn)行資源化利用，有助于降低黃河河床、保證行洪安全、恢復(fù)小浪底等水庫庫容，具有重大的社會、生態(tài)和環(huán)境效益［２－３］ 。張?jiān)骑w［４］ 為緩解中粗砂緊缺的局面，制備了黃河砂混凝土試塊，試驗(yàn)結(jié)果表明其抗壓強(qiáng)度（６４．０３ ＭＰａ）、抗折強(qiáng)度和劈裂抗壓強(qiáng)度均提高；張帥［５］ 發(fā)現(xiàn)黃河細(xì)砂摻量為１５％和３０％時，制備的混凝土力學(xué)性能表現(xiàn)良好，強(qiáng)度為５１．３ ＭＰａ，而摻量為１５％時，混凝土早期收縮性能所顯示的效果最好；王健?。郏叮?在人工機(jī)制砂內(nèi)摻入黃河超細(xì)砂，制備黃河超細(xì)砂混凝土試塊，結(jié)果表明黃河超細(xì)砂的摻量為２０％時，制備試塊的抗壓強(qiáng)度為６５．５ ＭＰａ；王立霞［７］ 采用黃河砂部分代替機(jī)制砂，制備混凝土試塊，結(jié)果表明混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度得到了提高，抗壓強(qiáng)度為５０．５ ＭＰａ。綜上可知，學(xué)者們已初步進(jìn)行了黃河粉砂混凝土的制備，但強(qiáng)度普遍不高，因此有必要研究采用黃河粉砂制備高強(qiáng)度混凝土。

超高性能混凝土（ＵＨＰＣ）是一種具有超高耐久性和優(yōu)異力學(xué)性能的水泥基材料。用于制備ＵＨＰＣ 的水泥用量大（９００ ～１ ０００ ｋｇ／ ｍ３ ）［８］ ，約為普通混凝土的３ 倍［９］ 。ＵＨＰＣ 中只有３０％～４０％的水泥參與水化反應(yīng)［１０］ ，未水化的水泥起到填充作用。采用與水泥粒徑（＜７５ μｍ）相近的高爐礦渣［１１］ 、粉煤灰（ＦＡ）［１２］ 、赤泥［１３］ 、鉛鋅尾礦［８］ 和稻殼灰（ＲＨＡ）［１４］ 等替代ＵＨＰＣ中未水化水泥顆粒，同樣可以得到具有超高性能的水泥基材料。這種制備方法不僅可以節(jié)約水泥用量，而且能夠充分利用固體廢棄物資源。由于水泥的粒徑與黃河粉砂的粒徑（＜７５ μｍ）接近，因此采用黃河粉砂替換部分水泥制備高強(qiáng)度混凝土材料在邏輯上是合理的，可以使黃河粉砂得到資源化利用，還可為黃河粉砂的淤積問題提供解決方案。

本研究基于ＵＨＰＣ 的基準(zhǔn)配合比，利用修正Ａ＆Ａ模型，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，采用黃河粉砂替換基準(zhǔn)組中的部分水泥，替換率分別為５％、１０％、１５％、２０％、３０％、４０％和５０％，嘗試?yán)命S河粉砂制備生態(tài)型高強(qiáng)度混凝土（以下簡稱黃河粉砂混凝土），測試黃河粉砂的摻入對高強(qiáng)度混凝土工作性能、力學(xué)性能、熱重性能以及微觀結(jié)構(gòu)的影響，評估黃河粉砂混凝土對環(huán)境的影響。

１ 試驗(yàn)材料與方法

１．１ 材料

所選用的膠凝材料為Ｐ·Ｏ ５２．５ 普通硅酸鹽水泥、微硅粉、粉煤灰，集料有普通大粒徑（０．６０～１．１８ ｍｍ）和小粒徑（０．０７５～０．６００ ｍｍ）河砂，經(jīng)測試黃河粉砂粒徑在０．０７５ ｍｍ 以下。采用聚羧酸醚系高效減水劑，固含量３０％，減水率３０％。黃河粉砂的掃描電鏡（ＳＥＭ）圖像如圖１ 所示，其表面光滑，為不規(guī)則的幾何面體。

采用Ｘ 射線熒光光譜儀（ＸＲＦ－１８００）對水泥、硅粉、粉煤灰和黃河粉砂進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表１，可知黃河粉砂的主要成分為ＳｉＯ２和Ａｌ２Ｏ３。采用激光粒度分析儀（ＧＳＬ－１０１ＢＩ）對黃河粉砂粒徑分布進(jìn)行測試，結(jié)果見表２。

１．５ 力學(xué)性能

試樣的抗壓強(qiáng)度測定按《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法

（ＩＳＯ 法）》（ＧＢ／ Ｔ １７６７１—２０２０）進(jìn)行，將混合物澆筑在４０ ｍｍ×４０ ｍｍ×１６０ ｍｍ 的模具中，固化２４ ｈ 后進(jìn)行脫模養(yǎng)護(hù)。試塊在溫度（２０±１） ℃、濕度９５％的條件下養(yǎng)護(hù)７ ｄ 和２８ ｄ 時，進(jìn)行力學(xué)性能測試，每組測試３ 個樣品。

１．６ 熱重分析

將粉末樣品在１００ ℃溫度下干燥２ ｈ，并研磨過篩，收集粒徑小于７５ μｍ 的細(xì)粉。使用熱重分析儀（ＮｅｔｚｓｃｈＳＴＡ４０９ＰＣ）進(jìn)行熱重分析，測溫區(qū)間為２０～９００ ℃，升溫速率為１０ ℃ ／ ｍｉｎ，使用氦氣作為保護(hù)氣體。

１．７ 孔隙結(jié)構(gòu)

將２８ ｄ 養(yǎng)護(hù)齡期的樣品破碎，收集粒徑為１０ ｍｍ左右的顆粒樣品，浸泡于丙酮中４ ｈ，然后在（６０±２）℃的真空環(huán)境中干燥４ ｈ 備用。采用微型壓汞儀（ＭＩＰ，ＡｕｔｏＰｏｒｅ Ⅳ－９５００）進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)測試。

１．８ 生態(tài)評價

水泥在生產(chǎn)過程中會消耗大量的能源，并且產(chǎn)生大量的二氧化碳，選用黃河粉砂對水泥進(jìn)行替代，能夠有效緩解對環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。采用一次能源消耗量（ ＣＥＤ ）、可再生能源消耗量（ ＣＥＤＮ ）、ＣＯ２ 排放量（ＧＷＰ ）、ＳＯ２排放量（ＡＰ ）和ＰＯ４排放量（ＥＰ ）５ 個基本指標(biāo)（對應(yīng)排放指標(biāo)見表４），對制備的黃河粉砂混凝土進(jìn)行全壽命周期生態(tài)評價。

２ 結(jié)果分析

２．１ 工作性能

２．１．１ 流動性能

圖３ 顯示了通過擴(kuò)展度和Ｖ 形漏斗試驗(yàn)確定的混合物漿體的流動性?？梢钥闯?，隨著黃河粉砂摻量的增加，漿體的流動性能增強(qiáng)。在擴(kuò)展度試驗(yàn)中，當(dāng)加入５％、１０％、１５％、２０％、３０％、４０％、５０％的黃河粉砂替換水泥時，混合物流動度分別增大了２％、３％、４％、６％、８％、８％、８％，替換率為３０％、４０％和５０％的流動度相同，原因是擴(kuò)展度試驗(yàn)臺的最大直徑為３００ ｍｍ。在Ｖ 形漏斗試驗(yàn)結(jié)果中也觀察到這一趨勢，加入５％、１０％、１５％、２０％、３０％、４０％、５０％的黃河粉砂替換水泥時，Ｖ 形漏斗流出時間分別縮短了０．７、１．３、１．９、２．２、２．６、３．０、３．２ ｓ。黃河粉砂表面光滑，不易吸收水分，而且水泥的平均粒徑比黃河粉砂的細(xì)，這意味著水泥的比表面積更大，吸收的水分更多，因此當(dāng)采用黃河粉砂替換水泥時，漿體的流動性能增強(qiáng)，替換率越高，漿體的流動性能越強(qiáng)。

２．１．２ 凝結(jié)時間

混合物的凝結(jié)時間如圖４ 所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著黃河粉砂替換率的增大，混合物的初始和最終凝結(jié)時間明顯延長。與基本組相比，替換率為５％、１０％、１５％、２０％、３０％、４０％、５０％時，黃河粉砂試樣的初始凝結(jié)時間分別增加了１５、３６、５８、９０、１１４、１３７、１６２ ｍｉｎ，原因是隨著替換率的增大，混合物中水泥摻量變小，水灰比變大，顆粒間距增大，導(dǎo)致生成的水化產(chǎn)物不能填充全部孔隙，因此初始凝結(jié)時間增加［１７］ 。當(dāng)黃河粉砂替換率為５％時，初凝終凝時間間隔最短，原因是替換率為５％的試樣具有最佳的堆積密度（由圖５ 可以看出），隨著替換率進(jìn)一步增大，水泥摻量逐漸減少，水化產(chǎn)物變少，填充孔隙能力下降，難以形成致密結(jié)構(gòu)，凝結(jié)時間變長。

２．１．３ 濕堆積密度

混合物的濕堆積密度曲線如圖５ 所示。可以看出，混合物的濕堆積密度隨著黃河粉砂摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，基本組試樣的濕堆積密度為０．７３５，替換率為５％、１０％、１５％、２０％、３０％、４０％、５０％的濕堆積密度分別為０． ７３７、０． ７３３、０． ７３１、０． ７２８、０．７２５、０．７１９、０．７１７，替換率為５％時試樣的濕堆積密度最大，為０．７３７，此時，混合物具有最致密的堆積結(jié)構(gòu)，而過量黃河粉砂的加入不利于其形成內(nèi)部致密結(jié)構(gòu)，孔隙率增大，導(dǎo)致濕堆積密度變小。

２．２ 力學(xué)性能

試樣的抗壓強(qiáng)度如圖６ 所示。

７ ｄ 和２８ ｄ 齡期試樣的抗壓強(qiáng)度都隨著黃河粉砂替換率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，替換率為５％時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。以養(yǎng)護(hù)２８ ｄ 齡期的試樣為例，相比于基本組，替換率為１０％、１５％、２０％、３０％、４０％、５０％ 試樣的抗壓強(qiáng)度分別降低了９％、１４％、２０％、２４％、３２％、４０％。通常情況下，試樣的抗壓強(qiáng)度與水化產(chǎn)物的數(shù)量為正相關(guān)關(guān)系，從基本組到替換率為５０％的試樣（替換率為５％除外），水泥摻量的減少和黃河粉砂摻量的增大，降低單位質(zhì)量水化產(chǎn)物，這一點(diǎn)可以從圖７ 熱重分析中得到證實(shí)，從而降低黃河粉砂混凝土的抗壓強(qiáng)度。另外，從濕堆積密度和粒徑分布曲線可以看出，過量黃河粉砂的加入不利于獲得最密實(shí)的堆積結(jié)構(gòu)，這也是引起抗壓強(qiáng)度降低的重要原因。而替換率５％試塊的抗壓強(qiáng)度提升，原因是其顆粒曲線最接近目標(biāo)曲線，實(shí)現(xiàn)了最為密實(shí)的堆積結(jié)構(gòu)。

另外，采用水泥強(qiáng)度消耗比來評價水泥對試樣強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。７ ｄ 齡期時隨著替換率的增大，水泥強(qiáng)度消耗比呈增大趨勢，如圖６（ａ）所示。２８ ｄ 齡期時，５％替換率對應(yīng)的水泥強(qiáng)度消耗比達(dá)到一個峰值，原因是試樣此時具有最佳密實(shí)結(jié)構(gòu)?？傮w上，隨黃河粉砂替換率增大水泥強(qiáng)度消耗比增大，這也反映出采用黃河粉砂替換水泥具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

２．３ 熱重分析

不同溫度階段試樣的質(zhì)量損失率見表５，試樣的熱重（ＴＧ）和導(dǎo)數(shù)熱重（ＤＴＧ）曲線見圖７。在６０～２５０ ℃溫度段出現(xiàn)第１ 個ＤＴＧ 峰，這時對應(yīng)于水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石的分解，基本組（Ｕ）、Ｍ２０ 和Ｍ５０ 質(zhì)量損失率分別為５．０５３％、４．６４４％和４．３８５％；在３８０～５００ ℃溫度段出現(xiàn)第２ 個ＤＴＧ峰，對應(yīng)于氫氧鈣石的分解，基本組（Ｕ）、Ｍ２０ 和Ｍ５０ 質(zhì)量損失率分別為１．４４６％、１．３６９％和０．８９６％；在６００～７８０ ℃溫度段出現(xiàn)第３ 個ＤＴＧ峰，這個溫度階段對應(yīng)于碳酸相的分解，而不是水化產(chǎn)物的分解，基本組（ Ｕ）、Ｍ２０ 和Ｍ５０ 質(zhì)量損失率分別為１．７９０％、２．４１２％和１．５１４％。前兩個溫度段質(zhì)量損失率隨替換率的增大而減小，主要是水化產(chǎn)物減少所致。

２．４ 孔隙結(jié)構(gòu)

試樣孔徑增量侵蝕入量和累計(jì)侵入量如圖８ 所示。試樣基體的孔徑主要分布在２０ ｎｍ 以下，２０ ｎｍ 以下的孔屬于無害孔［１８］ ；累計(jì)侵入量則隨著黃河粉砂摻量的增大而增大，其中基本組最小為０．０２９ １ ｍＬ／ ｇ，Ｍ２０ 和Ｍ５０ 分別為０．０３６ ９、０．０７１ ３ ｍＬ／ ｇ，原因主要是替換率增大，混合物中的水泥摻量變小，水灰比變大，導(dǎo)致水化產(chǎn)物減少，不能填充全部孔隙，累計(jì)侵入量增大。

２．５ 生態(tài)評價

不同黃河粉砂摻量的混凝土全生命周期環(huán)境影響評價如圖９ 所示。環(huán)境影響評價指標(biāo)主要包括每立方米混凝土原材料一次能源消耗量（ＣＥＤ ）、可再生能源消耗量（ＣＥＤＮ ）、ＣＯ２ 排放量（ＧＷＰ ）、ＳＯ２ 排放量（ＡＰ ）和ＰＯ４排放量（ＥＰ ）。從圖９ 可以看出，隨著黃河粉砂替換率的增大，５ 個評價指標(biāo)逐漸減小，以Ｍ５０（替換率為５０％）為例，相較于基準(zhǔn)組（Ｕ），其ＣＥＤ、ＣＥＤＮ、ＧＷＰ 、ＡＰ和ＥＰ分別降低３０％、３２％、３７％、１８％和４％，顯著減輕了對環(huán)境的污染。

３ 結(jié)論

采用黃河粉砂替換部分水泥，制備高強(qiáng)度混凝土材料，對該高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行相關(guān)性能研究及全生命周期的環(huán)境影響評價，主要結(jié)論如下。

１）黃河粉砂的摻入有助于提高混合物的流動性能，隨著替換率的增大，混合物的流動度提高。

２）所制備的高強(qiáng)度混凝土濕堆積密度和抗壓強(qiáng)度總體上隨著替換率的增大呈下降趨勢，但當(dāng)替換率為５％時，試樣的濕堆積密度最大（為０．７３７），抗壓強(qiáng)度最高（為１０５．４ ＭＰａ）。

３）黃河粉砂的摻入對混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)具有負(fù)面影響，隨著替換率的增大，孔隙率增大，但是孔隙粒徑主要分布在２０ ｎｍ 以下，屬于無害孔。

４）采用黃河粉砂替代水泥制備高強(qiáng)度混凝土，有利于減輕對生態(tài)環(huán)境的影響，當(dāng)替換率為５０％時，相對于對照組，主要污染物排放量減少了４％～３７％。

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【責(zé)任編輯 張華巖】