毛乌素沙漠砂制备混凝土配合比试验研究

刘伟　邓富玲　穆驰

摘要 随着中国在沙漠地区工程建设的快速发展和传统砂石资源日益短缺，沙漠砂资源化研究和工程应用备受关注。为有效缓解毛乌素沙漠地区天然筑路材料短缺，剔除普通混凝土中的粗集料的同时，混凝土中的细集料全部由沙漠砂代替，通过掺入活性胶凝材料提高沙漠砂混凝土刚度，掺入钢纤维提高沙漠砂混凝土抗变形能力。经配合比设计试验，制备出了具备不同力学性能的沙漠砂混凝土，力学性能最优的沙漠砂混凝土试样抗压强度达到了高强混凝土强度等级。不同配比的沙漠砂混凝土可满足不同道路等级、不同结构层次的需求。

关键词 沙漠砂;混凝土;配合比;资源化利用

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2020）06–0–03

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.06.070

沙漠化是人类共同面临的一个重大环境问题，它严重威胁着人类生存和发展，中国是沙漠化最为严重的国家之一。毛乌素沙漠位于陕西省榆林地区和内蒙古自治区鄂尔多斯市之间，面积达4.22万km2，对其周边地区的社会经济生活产生了诸多危害，影响深远。沙漠中风积砂分布广泛，既是一种危害，又是一种资源，科学合理利用可使其变害为宝。

随着中国在沙漠地区工程建设的快速发展和传统砂石资源日益短缺，沙漠砂资源化研究和工程应用也越来越多。王萍等[1]利用沙漠沙为原料，配以适量助熔剂、粘结剂等，经过高温烧结制成了性能良好的透水砖，但因烧结过程中石英体积变化，产业化受影响。徐向舟等[2]以烘干的沙漠砂为主要骨料、高标号水泥为粘结剂，采用静压成型工艺，制备出各项物理性能达建筑材料行业透水砖标准要求的多孔混凝土砂基透水路面砖。孔玉坤[3]采用水泥、粉煤灰等胶凝材料加固风积砂做路基填料，研究了固化剂对稳定风积砂力学性能的影响。张平等[4]根据固化剂成分和特性，结合该地区风积砂的组成及性质，按不同剂量进行不同固化剂、不同土质固化试验。何媛[5]用水泥、石灰、石灰粉煤灰三种无机类材料加固风积砂，通过重型击实试验分别研究各类材料掺量和不同含水量对密實度的影响及变化规律。李志强等[6]利用正交试验方法对古尔班通古特沙漠砂混凝土工程特性进行试验确定了沙漠砂混凝土的最优配合比。王彩波等[7]利用毛乌素沙地特细砂制备出了工作性能较好、强度达到C45的沙地特细砂混凝土。沙漠砂在制砖、筑路、建筑工程等领域被试验可行且得到了一定应用。

为缓解毛乌素沙漠腹地及边缘地区筑路粗细集料缺乏，减少流沙对当地环境破坏，拟对毛乌素沙漠地区沙漠砂混凝土配合比进行试验研究，就地取材，制备出不同强度等级的沙漠砂混凝土，提高沙漠砂利用度，将沙漠砂变害为宝，以期对沙漠砂混凝土在毛乌素沙漠地区路面工程应用提供可行性试验数据，降低地区筑路成本，减少因基建而引发的建筑材料过采问题，加快当地公路事业发展，走资源化可持续发展路子。

1 试验

1.1 试验原材料

集料：取至毛乌素沙漠的沙漠砂，粒径累积分布曲线（图1）;水泥：冀东牌P.O42.5普通硅酸盐水泥;硅灰：平均粒径0.2 μm，比表面积为28 000 cm2/g;粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，比表面积为6 000 cm2/g;减水剂：高效减水剂，减水率≥35%;钢纤维：直径0.2 mm，长度13 mm，抗拉强度大于2 860 MPa。

1.2 配合比设计

在设计过程中把握以下几点：（1）保持沙漠砂和胶凝材料总量不变;（2）胶凝材料（水泥、粉煤灰和硅灰）掺量比为3∶2∶1;（3）减水剂掺量为胶凝材料的2%;（4）钢纤维掺量为0、30、60、90kg/m3;（5）根据拌和状态确定水胶比。一共设计了38组试验配比，研究不同集胶比，不同纤维掺量对沙漠砂高性能混凝土力学性能的影响（表1）。

1.3 成型与养护

采用胶砂搅拌机成型试样，确保拌合物具有良好工作性能（图2）。试样尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，每组3个平行样。试样成型好后用塑料薄膜覆盖养生，静置1 d后脱模，并标准养生至7 d龄期。

1.4 力学性能测试

试样到达7 d龄期后，按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）方法进行三点弯曲小梁抗折强度测试及无侧限抗压强度测试（图3）。

2 试验结果及分析

沙漠砂高性能砂浆配合比设计试验结果（表2）。

见沙漠砂混凝土地在不同集胶比时的抗压强度及抗折强度变化曲线，由抗压强度与集胶比变化关系曲线可知，当集胶比为0.5，钢纤维掺量为0时，沙漠砂混凝土最大7 d抗压强度可达60 MPa，可称之为高强混凝土。随着集胶比增大，沙漠砂混凝土7 d抗压强度逐渐减小，且减小速度逐渐变缓。最大拐点处于集胶比为3～5之间时。不同钢纤维掺量的沙漠砂混凝土抗压强度变化不明显。由抗折强度与集胶比变化关系曲线可知，当集胶比为1.4，钢纤维掺量为60 kg/m3，沙漠砂混凝土7 d抗压强度最大可达16 MPa左右。随着集胶比增大，沙漠砂混凝土7 d抗折强度逐渐减小，且减小速度逐渐变缓。最大拐点处于集胶比为4～5之间时。不同钢纤维掺量的沙漠砂混凝土抗折强度变化明显（图4）。

为进一步了解不同钢纤维掺量对沙漠砂混凝土力学性能的影响关系，见沙漠砂混凝土地在不同钢纤维掺量抗压强度及抗折强度变化曲线。由抗压强度与钢纤维出掺量变化关系曲线可知，随着钢纤维掺量增加，沙漠砂混凝土抗压强度略微有所上升，拐点出现在钢纤维掺量为30 kg/m3时。说明钢纤维对沙漠砂混凝土的抗压强度增长贡献不大。由抗折强度与钢纤维出掺量的变化关系曲线可知，随着钢纤维掺量增加，沙漠砂混凝土抗折强度上升明显，拐点出现在钢纤维掺量为30 kg/m3时。说明钢纤维对沙漠砂混凝土增韧效果明显。大大提高了沙漠砂混凝土抗弯拉性能（图5）。

根據沙漠砂混凝土试样破坏形式可知。一方面，抗压强度测试试样受压破坏后未完全分离，试样的裂开部分依然被钢纤维连接。由此可见，钢纤维掺入，改善沙漠砂混凝土的脆性破坏，有效增强了沙漠砂混凝土的韧性。另一方面，由沙漠砂混凝土抗折试样的破坏形式可知，此时沙漠砂混凝土抗折试样扰度为2.4 mm，裂缝高度为33.7 mm。沙漠砂混凝土受弯拉破坏后，形变较大，裂缝未贯通于试样。试样底部纤维处于受拉状态，整体试样依然具有良好的力学性能。钢纤维的掺入大大增强了沙漠砂混凝土抵抗变形破坏能力，试样的抗弯拉性能得到了显著改善（图6）。

3 结论与展望

（1）经配合比设计试验，制备出了具备不同力学性能的沙漠砂混凝土，力学性能最优的沙漠砂混凝土试样抗压强度达到了高强混凝土强度等级。

（2）综合集胶比和纤维掺量对沙漠砂混凝土力学性能的影响，集胶比小于3～5，钢纤维大于30 kg/m3时，沙漠砂混凝土力学性能较佳。

（3）不同配比的沙漠砂混凝土可满足不同道路等级、不同结构层次需求。为沙漠地区的流沙治理应用和筑路材料的选择开辟了一条新道路。

中国在沙漠腹地或边缘即将实施或规划一系列工程项目，沙漠砂应用于工程在技术上是可行的，工程项目如何就地取材、适度资源化沙漠砂，既减少流沙对当地环境的影响，又不过度干预沙漠环境是工作开展中的重要一环。目前，中国还缺乏对沙漠砂适度利用的相关指南，以项目开展反哺沙漠恢复治理还需进一步充实，探索沙漠多元化治理模式还有很长的路。

参考文献

[1] 王萍，李国昌.沙漠沙透水砖的制备及性能研究[J].非金属矿，2010，33（5）：61–63，66.

[2] 徐向舟，朱晓斌，刘璐，等.混凝土砂基透水路面砖制备及物理性能测试[J].大连理工大学学报，2014，54（3）：315–322.

[3] 孔玉坤.水泥粉煤灰稳定风积砂路用性能的研究[J].北方交通，2007（5）：84–86.

[4] 张平，丁毅，吴昊.沈阳地区风积砂固化技术的研究[J].沈阳大学学报（自然科学版），2012，24（3）：82–86.

[5] 何媛.寒区公路涵洞加固填充材料试验研究[D].西安：长安大学，2014.

[6] 李志强，杨森，王国庆，等.古尔班通古特沙漠砂混凝土配合比试验研究[J].混凝土，2016（9）：92–96，99.

[7] 王彩波，宋建夏，周殿宇，等.毛乌素沙地特细砂混凝土的正交试验研究[J].宁夏工程技术，2010，9（4）：337–339.

责任编辑：黄艳飞

Experimental Study on the Mixture Ratio of Concrete Prepared with Mu Us Desert Sand

LIU Wei et al （Shaanxi Province Land Engineering Construction Group of Ming Development and Environmental Governance Co.， LTD， Xian， Shaanxi 710075）

Abstract With the rapid development of engineering construction in desert areas， and the increasing shortage of traditional sand and gravel resources， the research and engineering application of desert sand resources have attracted much attention. In order to effectively alleviate the shortage of natural road construction materials in the Mu Us Desert， the coarse aggregate in ordinary concrete is removed， and the fine aggregate in concrete is replaced by desert sand. The stiffness of desert sand concrete is improved by adding active cementitious materials， and the deformation resistance of desert sand concrete is improved by adding steel fiber. Desert sand concrete with different mechanical properties was prepared through the mix radio design test. The compressive strength of desert sand concrete with the best mechanical properties reached the strength grade of high strength concrete. Desert sand concrete with different proportions can meet the requirements of different road grades and different structural levels.

Key words Desert sand; Concrete; Mixture ratio; Resource utilization

作者简介 刘伟（1983–），男，内蒙古商都人，工程师，主要从事地质灾害治理和污损土壤修复工作研究。

收稿日期 2020–06–12