黄河粉砂制备生态型高强度混凝土的研究_杨龙宾.pdf

收稿日期:20220206基金项目:国家自然科学基金面上项目(51979169)作者简介:杨龙宾(1997)，男，河南郑州人，硕士研究生，研究方向为超高性能混凝土、高性能材料通信作者:吕亚军(1978)，男，河南济源人，副教授，博士，主要从事超高性能混凝土、高性能材料方面的研究工作E-mail:lvyajun ncwueducn【水利水电工程】黄河粉砂制备生态型高强度混凝土的研究杨龙宾1，李兆恒2，严军1，张文虎3，袁榆梁4，刘明月1，吕亚军1(1华北水利水电大学 建筑学院，河南 郑州 450046;2广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635;3河北省南水北调建设工程管理局，河北 石家庄 050000;4河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)摘要:采用黄河中堆积的超细粉砂制备高强度混凝土，对制备的试样进行工作性能、力学性能、热重性能、微观结构以及生态影响研究。结果表明:黄河粉砂的掺入，提高了混合物的流动性能，使其凝结时间变长;粉砂替换水泥的替换率为 5%50%时，混凝土仍然具有较高的抗压强度，当替换率为 5%时，所制备的混凝土湿堆积密度最大、抗压强度最高;随着替换率的增大，累计孔隙体积增大，环境污染指标逐渐降低。为制备环境经济友好型黄河粉砂高强度混凝土提供试验和理论依据。关键词:高强度混凝土;黄河粉砂;配合比;性能测试;生态评价中图分类号:TU52831;TV431;TV8821文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307029引用格式:杨龙宾，李兆恒，严军，等黄河粉砂制备生态型高强度混凝土的研究 J 人民黄河，2023，45(7):157162Study on Preparation of Ecological High Strength Concrete from Yellow iver SiltYANG Longbin1，LI Zhaoheng2，YAN Jun1，ZHANG Wenhu3，YUAN Yuliang4，LIU Mingyue1，LYU Yajun1(1School of Architecture，North China University of Water esources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China;2Guangdong Institute of Water esources and Hydropower esearch，Guangzhou 510635，China;3Administration Bureau of South-to-North Water Transfer Project of Hebei Province，Shijiazhuang 050000，China;4Henan Water Conservancy Survey，Design and esearch Co，Ltd，Zhengzhou 450016，China)Abstract:In this study，a kind of high strength concrete was prepared by using ultra-fine silt accumulated in the Yellow iver The workingproperties，mechanical properties，thermogravimetric properties，microstructure and ecological effects of the prepared samples were studiedThe results show that the addition of the Yellow iver silt improves the fluidity of the mixture and prolongs the setting time;When the re-placement rate is 5%50%，the concrete still has high compressive strength When the replacement rate is 5%，the prepared concrete hasthe highest wet bulk density and compressive strength;With the increase of replacement rate，the cumulative pore volume increases and theenvironmental pollution index decreases gradually This study provides experimental and theoretical basis for the preparation of environment-friendly Yellow iver silty sand high-strength concreteKey words:high strength concrete;Yellow iver silt;mix proportion;performance test;ecological evaluation0引言黄河被认为是世界上含沙量最高的河流系统1，20 世纪，黄土高原严重的水土流失产生了大量的泥沙，其中 26%淤积在黄河下游，其余流入大海。黄河下游河道泥沙淤积，河床逐渐上升，从而带来洪水隐患。同时，大量泥沙淤积会造成小浪底、三门峡水库等重要水利工程库容减小，缩短使用年限。因此，采用适当方式对黄河泥沙进行资源化利用，有助于降低黄河河床、保证行洪安全、恢复小浪底等水库库容，具有重大的社会、生态和环境效益23。张云飞4 为缓解中粗砂紧缺的局面，制备了黄河砂混凝土试块，试验结果表明其抗压强度(6403 MPa)、抗折强度和劈裂抗压强度均提高;张帅5 发现黄河细砂掺量为 15%和 30%时，制备的混凝土力学性能表现良好，强度为 513 MPa，而掺量为 15%时，混凝土早期收缩性能所显示的效果最好;王健健6 在人工机制砂内掺入黄河超细砂，制备黄河超细砂混凝土试块，结果表明黄河超细砂的掺量为20%时，制备试块的抗压强度为 655 MPa;王立霞7 采用黄河砂部分代替机制砂，制备混凝土试块，结果表明混凝土的工作性能和抗压强度得到了提高，抗压强度为 505 MPa。综上可知，学者们已初步进行了黄河粉砂混凝土的制备，但强度普遍不高，因此有必要研究采用黄河粉砂制备高强度混凝土。751第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45，No72023 年 7 月YELLOWIVEJul，2023超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高耐久性和优异力学性能的水泥基材料。用于制备 UHPC 的水泥用量大(9001 000 kg/m3)8，约为普通混凝土的 3 倍9。UHPC 中只有 30%40%的水泥参与水化反应10，未水化的水泥起到填充作用。采用与水泥粒径(75 m)相近的高炉矿渣11、粉煤灰(FA)12、赤泥13、铅锌尾矿8 和稻壳灰(HA)14 等替代 UHPC中未水化水泥颗粒，同样可以得到具有超高性能的水泥基材料。这种制备方法不仅可以节约水泥用量，而且能够充分利用固体废弃物资源。由于水泥的粒径与黄河粉砂的粒径(75 m)接近，因此采用黄河粉砂替换部分水泥制备高强度混凝土材料在逻辑上是合理的，可以使黄河粉砂得到资源化利用，还可为黄河粉砂的淤积问题提供解决方案。本研究基于 UHPC 的基准配合比，利用修正 AA模型，进行配合比设计，采用黄河粉砂替换基准组中的部分水泥，替换率分别为 5%、10%、15%、20%、30%、40%和 50%，尝试利用黄河粉砂制备生态型高强度混凝土(以下简称黄河粉砂混凝土)，测试黄河粉砂的掺入对高强度混凝土工作性能、力学性能、热重性能以及微观结构的影响，评估黄河粉砂混凝土对环境的影响。1试验材料与方法11材料所选用的胶凝材料为 PO 525 普通硅酸盐水泥、微硅粉、粉煤灰，集料有普通大粒径(060118 mm)和小粒径(00750600 mm)河砂，经测试黄河粉砂粒径在0075 mm 以下。采用聚羧酸醚系高效减水剂，固含量30%，减水率 30%。黄河粉砂的扫描电镜(SEM)图像如图 1 所示，其表面光滑，为不规则的几何面体。(a)数字图像(b)100 m SEM 图像(c)50 m SEM 图像图 1黄河粉砂图像采用 X 射线荧光光谱仪(XF1800)对水泥、硅粉、粉煤灰和黄河粉砂进行化学成分检测，结果见表 1，可知黄河粉砂的主要成分为 SiO2和 Al2O3。采用激光粒度分析仪(GSL101BI)对黄河粉砂粒径分布进行测试，结果见表 2。表 1材料化学成分检测结果%材料Na2OMgOAl2O3SiO2P2O5TiO2SO3K2OCaOFe2O3烧失量其他水泥00916141819200093350786493332249245硅粉0130470259465017069084036015229229粉煤灰0330233801464400606908875312279274黄河粉砂16518810797273017083333393431038038表 2水泥和黄河粉砂粒径分布材料小于某粒径质量占比/%10 m25 m50 m75 m100 m比表面积/(m2/g)密度/(g/cm3)水泥152418102320356981035325黄河粉砂2167317943715539721925612配合比设计121密集颗粒填充骨架设计方法堆积骨架密实是高强度混凝土具有优异性能的重要因素。利用修正 AA 模型，采用式(1)调整各种配料的比例，得到最优配合比15。P(D)=DqDqminDqmaxDqmin(1)式中:P(D)为小于粒径 D 的固体颗粒比例;D 为颗粒粒径;Dmax为颗粒最大粒径;Dmin为颗粒最小粒径;q 为分布模量系数，本研究 q 取 02316。原材料的粒径分布、目标曲线和优化曲线如图 2所示。经过筛分得知，粒径 0 06 mm 的河砂中约有20%的颗粒粒径在 0075 mm 以下，所以把黄河粉砂作图 2原材料、目标曲线和优化曲线粒径分布为细集料的一部分，并以此作为基准组。在基准组(编号 U)的基础上对水泥进行替换，水泥和黄河粉砂的密度比为 127 1，当等体积替换时黄河粉砂与水泥的质量比为 078 1，不同粉砂替换率试验组配合比设851人 民 黄 河2023 年第 7 期计见表 3。表 3不同粉砂替换率试验组配合比设计编号粉砂替换率/%水泥用量/(kg/m3)黄河粉砂用量/(kg/m3)U077070M55732100M1010693130M1515655160M2020616190M3030540250M4040464310M5050388370注:各试验组中粉煤灰、硅粉、大河砂、小河砂、水、减水剂用量分别为185、160、638、279、205、38 kg/m3。13搅拌过程首先，将 PO 525 水泥、黄河粉砂、硅粉、一级粉煤灰和天然河砂放入搅拌锅中，以(1405)r/min 的速率搅拌 2 min;然后，加入 70%的水和减水剂，以(1405)r/min 的速率搅拌 2 min;最后，将剩余的水加入搅拌锅，以(28010)r/min 的速率搅拌 2 min，得到混合物。14工作性能141流动性能和凝结时间通过 V 形漏斗和扩展度方法(无任何振动)评估混合物的流动性能。在 V 形漏斗测试中，将新拌砂浆倒入 V 形漏斗中，打开 V 形漏斗下面阀门，记录砂浆流出漏斗的时间 t;在砂浆扩展度测试中，先测试流动度，将新拌砂浆倒入锥体模具中，将锥体垂直向上提升，使混合物自由流动，然后测定两个相互垂直的直径，求它们的平均值，计算相对扩展度。根据水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB/T13462011)，采用维卡