浅析沙漠砂混凝土研究现状及技术路线

刘雨冰 王建琦 李 倩

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 概述

随着国家基础工程建设的飞速发展，工业化和城镇化的进程不断加快，人们对生活质量的要求也不断提高。为了满足人们的需要，各类建筑工程如雨后春笋般在城市中星罗棋布。现有的工程实践中，无论是公用建筑、民用建筑或是工业建筑，混凝土作为建设施工中使用量最大的材料，其需求量也变得越来越大。

砂作为混凝土的骨料，是混凝土最重要的原材料之一，随着混凝土需求量的增大，砂消耗量也有不断增大的趋势。而我国粗、中砂等非再生资源严重短缺，乱采乱挖的现象也造成了较为严重的生态问题，为了合理利用资源，并且保护生态环境，寻找其他可替代的砂源势在必行。

在西部大开发建设背景下，沙漠砂资源开始日益引起专家学者和工程人员的关注。我国的沙漠幅员辽阔，尤其在新疆等地，沙漠砂资源丰富，若能将沙漠砂作为混凝土的细骨料应用在工程建设中，不仅能够解决砂源匮乏的情况，还能就地取材，节约运输成本，降低工程造价，也能够保护生态环境，践行“既要金山银山，也要绿水青山”的理念。在“一带一路”的合作倡议下，中国力量不断输出海外，尤其以基建工程为主，例如在沙特阿拉伯的住房开发计划中，国内工程企业顺应时代潮流，狠抓机遇，获得了大笔的订单，沙特更是一个粗、中砂资源紧缺而沙漠砂资源丰富的国家，因地制宜尤为重要，在向海外开发市场及合理利用当地资源促进建设工程发展的要求及条件下，研究沙漠砂的特性以及沙漠砂混凝土的特性也显得十分有必要。

2 浅析沙漠砂混凝土研究现状

在现有沙漠砂的科研成果中，可以总结出当前沙漠砂的研究思路主要有4个方向：1)研究沙漠砂混凝土的配合比；2)研究沙漠砂混凝土的力学性能；3)研究沙漠砂混凝土的耐久性能；4)研究沙漠砂混凝土的动态力学性能。该研究思路的内核逻辑很清晰：首先，沙漠砂作为新型建筑材料应用在工程建设中，缺乏应用标准、使用依据和工程经验，通过沙漠砂混凝土配合比的试配与确定，能够明确并划分沙漠砂混凝土的应用范围，并能通过确定最佳配合比，使原材料能发挥最佳性价比；其次，我国混凝土结构设计以极限状态设计方法为基础，即承载能力极限状态和正常使用极限状态，因而沙漠砂混凝土的力学性能和耐久性能应当做试验分析，为沙漠砂混凝土在工程设计及工程施工中提供依据；最后，当探讨清楚沙漠砂混凝土的一些基本性能后，可进一步深入研究沙漠砂混凝土的动态力学性能。相较于前三类而言，沙漠砂混凝土动态力学性能非常复杂，其研究的展开也存在一定的难度，因而动态力学性能方面的科研成果相对较少。现将上述科研方向的代表观点分别论述如下：

在沙漠砂混凝土配合比的研究中，陈俊杰等[1]利用正交试验方法对沙漠砂代替河砂配制的混凝土立方体强度进行了试验研究，并根据混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，当配合比水胶比0.4，灰砂比1∶1，沙漠砂替代率40%，粉煤灰掺量为10%，减水剂0.5%，可配制出满足混凝土强度要求的沙漠砂混凝土。

在沙漠砂混凝土力学性能的研究中，刘海峰等[2]通过正交试验分析了沙漠砂替代率及粉煤灰掺量对于沙漠砂混凝土抗压强度和劈裂强度的影响，试验研究表明：随着沙漠砂替代率增加，沙漠砂混凝土抗压强度和劈裂拉伸强度呈现先增大后减小趋势，沙漠砂替代率为20%时，沙漠砂混凝土抗压强度和劈裂拉伸强度均达到最大值；随着粉煤灰掺量增加，沙漠砂混凝土抗压强度和劈裂拉伸强度先增大后减小，粉煤灰掺量为10%时，沙漠砂混凝土抗压强度和劈裂拉伸强度达到最大值。表明着在沙漠砂作为骨料能够为混凝土的强度提供作用，粉煤灰能够改善沙漠砂混凝土的强度。

在沙漠砂混凝土耐久性能的研究中，马荷姣等[3]通过设计水胶比、粉煤灰掺量、砂率和沙漠砂替代率四因素三水平正交试验进行沙漠砂混凝土抗碳化性能试验，研究确定了不同碳化龄期下各因素对于沙漠砂碳化性能的影响顺序，并综合各因素对沙漠砂混凝土抗碳化性能影响，确定其最佳配合比为水胶比0.39，粉煤灰掺量10%，砂率30%，沙漠砂替代率30%。杜勇刚[4]通过设计四因素三水平正交试验，进行水胶比、粉煤灰掺量、砂率和沙漠砂替代率不同沙漠砂混凝土冻融试验，确定了沙漠砂混凝土抗冻性能的最优配合比，即水胶比0.34，粉煤灰掺量10%，砂率30%，沙漠砂替代率30%，并确定了沙漠砂混凝土抗冻性能中粉煤灰最佳掺量和沙漠砂最佳替代率分别为10%和20%。

在沙漠砂混凝土动态力学性能的研究中，刘海峰等[5]利用SHPB进行沙漠砂混凝土动态冲击压缩试验，分析速度对沙漠砂混凝土动态性能影响规律，并使用数值模拟软件进行模拟分析，数值模拟表明：沙漠砂混凝土具有明显尺寸效应；随着粗骨料颗粒最小粒径增大，沙漠砂混凝土峰值应力逐渐减小；随着粗骨料颗粒最大粒径增大，沙漠砂混凝土峰值应力呈先增大后减小趋势；随着粗骨料体积含量增大，沙漠砂混凝土峰值应力呈先增大后减小趋势。

分析各专家学者对于沙漠砂混凝土的研究试验思路，结合上述代表的科研成果，可以发现：1)沙漠砂替代率是研究沙漠砂混凝土的一个重要参数；2)正交试验设计的方法广泛应用于沙漠砂混凝土的研究中。

3 沙漠砂混凝土技术路线探讨

产业的转型，工艺工法的升级，都离不开材料的创新和发展。沙漠砂作为近年来逐步浮现在人们视野中的工程材料，如何将沙漠砂高效利用，使得其能够在工程实践中发挥良好的工作性能，仍需继续研究。

从沙漠砂的材料特性来看，有2个主要特点：1)沙漠砂本身由松散母岩风化而成，其自身强度小于机制中砂；2)沙漠砂细度模数通常小于1.5，更有细者的模数小于0.7，为特细砂，单一使用沙漠砂配置的混凝土将会大量使用水泥，既不利于经济效益，也不利于环境保护。众所周知，级配良好的砂，具有较小的孔隙率，用来配置的混凝土，不仅所需水泥浆较少，而且还可以提高混凝土的流动性、密实度和强度，因而在实践中，混凝土用砂优先选用级配良好的中砂(细度模数3.0～2.3)。结合沙漠砂的材料特性，可将沙漠砂与机制粗砂混合，使得混合砂的细度达到普通混凝土用砂的细度模数范围内，实现改善砂子颗粒级配并适当调整混合砂的颗粒级配的目的，而当沙漠砂替代率不断增加，沙漠砂混凝土的强度在达到一个峰值后将会逐渐降低，因而研究出可以普遍适用在各类沙漠砂混凝土的最佳沙漠砂替代率具有显著的工程价值和经济效益。此外，砂中的氯离子、含泥量是造成后期混凝土开裂的重要原因，在研究沙漠砂混凝土的科研试验中，相关的检测试验也应同步展开。

从沙漠砂混凝土的试验方法来看，由于混凝土的组成成分较多，通常在试验过程中还需考虑其他因素对混凝土性能的影响，多因素设计要求的试验，其产生的难点是试验数量庞大、试验周期漫长，因而当前科研人员一般采用正交试验方法。正交试验从全面试验中挑选出部分代表性的点进行试验，是一种高效快速而经济的试验方法。在沙漠砂混凝土的研究中采用正交试验法有2个缺点：1)缺乏普遍性。正交试验方法产生的试验结论限定在该设计好的试验方案中，试验方案外的结论与规律尚不明确；2)存在主观因素。试验方案的确定依托于试验人员文献翻阅及个人经验，较缺乏试验方案确定的依据。现有沙漠砂混凝土尚未有全面试验法的研究，采用全面试验法将是更为系统的探索，对于各参数对沙漠砂混凝土的影响会达到更深刻的认知。

从沙漠砂混凝土的组成成分来看，已有研究表明，少量粉煤灰能够有效提高沙漠砂混凝土的强度、改善沙漠砂混凝土的性能，因而向沙漠砂混凝土加入适量的外加剂是有必要的。结合沙漠砂混凝土的研究现状，有3点建议：1)掺入其他活性掺合料，如硅粉等，观察活性掺合料对沙漠砂混凝土性能的影响；2)掺入其他掺合料，科研人员已有尝试向沙漠砂混凝土中掺入涤纶纤维、碳纤维[6，7]等外加材料，均改善并提高了沙漠砂混凝土的性能，因而尝试利用不同的掺合料特性使得沙漠砂混凝土的性能得到改善的思路值得探讨；3)使用复掺法，观察多因素水平下复合掺料对沙漠砂混凝土性能的影响。

从沙漠砂混凝土的应用范围来看，在建设工程中大面积使用沙漠砂混凝土尚不成熟，因此可重点考虑将其应用在轻质结构中，如轻质节能的保温屋面及保温墙体。现提出沙漠砂混凝土作为轻质结构的2个应用方案：1)与泡沫混凝土共同使用。泡沫混凝土是一种轻质、保温、隔热耐火、隔音抗冻的混凝土材料，近年来广泛应用于屋面板工程中，泡沫混凝土配合比的设计有采用轻骨料和不采用骨料两种方式，将沙漠砂混凝土与泡沫混凝土相结合，制备以沙漠砂为细骨料的泡沫混凝土，可以在成本变动不大的基础上改善混凝土的力学性能，提高结构整体工作性；2)与陶粒混凝土共同使用。陶粒混凝土集轻质、高强、保温、抗震等优点于一身，将沙漠砂混凝土与陶粒混凝土结合，利用沙漠砂生产陶粒混凝土，不仅可提高房屋的抗震、保温性能，还能合理利用资源。在一些对保温有要求的低层的装配式建筑中，可将上述方案应用在装配式构件中，实现节能环保的需要。

4 结语

在当前工程建设的环境背景下，沙漠砂混凝土具有广阔的应用前景，研发使用沙漠砂混凝土对于发挥地区优势、发展当地经济实现可持续发展具有深远的现实意义，国内外学者也因此保有极大热情。当前，沙漠砂混凝土的研究应用仍在探索和试验阶段，通过分析与总结专家学者对于沙漠砂混凝土性能的认识，结合沙漠砂的材料特性及沙漠砂混凝土的各项性能，从试验方法、组成成分、应用范围等方面展望了沙漠砂混凝土研究的想法与方向，为沙漠砂混凝土进一步的学习与深入提供了思路，为其在实际工程中的应用提供指导和借鉴。