改良特细沙漠砂在港口混凝土中的技术应用分析

唐凯

摘 要：通过毛里塔尼亚M201综合港口项目施工过程中改良特细沙漠砂混凝土的成功应用，克服了当地缺少河沙的问题，有效提高了施工效率、缩短了施工工期、节约了工程成本。

关键词：改良特细沙漠砂;港口混凝土;掺配比例

0 引言

据不完全统计，中国混凝土网数据显示2019年全国混凝土产量同比增长率7.51%[1]。我国基建投资虽然增速放缓，但仍将持续保持稳定增长态势，并拉动商品混凝土需求稳定增长，意味着我国混凝土市场依旧广阔。

2019年原材料水泥及砂石保持高位运行，价格上调频繁。随着混凝土需求量的增大，砂的使用量有不断上升的趋势，混凝土价格受制于原材料价格波动。作为混凝土细骨料中的首选资源——河砂资源用量有限，且受制于法规政策;海砂资源作为沿海地区城市基建的有效资源也被提出利用，但海砂相关问题的处理技术还有待改进，材料的技术问题阻碍了其发展的步调;机制砂及其石粉特性对混凝土性能的影响仍存在较多争议，导致机制砂质量标准较难执行，而且机制砂混凝土的配合比设计缺乏配套和系统的设计理念。我国中、粗砂等非再生资源严重短缺，随意开采的现象给环境造成了较为严重的生态问题，为了合理利用资源，维持长期、稳定的建筑材料市场，寻找可替代、符合友好型生态环境的砂源的重要性不言而喻。

沙漠砂作为一种可替代资源，被认为能够应用到工程建设当中，沙漠砂混凝土是一种较为新颖的复合型建筑材料。我国的沙漠资源分布广阔，在新疆、内蒙古、青海等地，资源就相当丰富。若将沙漠砂用于工程建设中，不仅可以解决砂源匮乏的窘况，也能就地取材，节约运输成本，降低工程造价，还能够保护生态环境。随着中国基建步伐逐渐向海外市场迈进。沙漠砂在海外开发市场的作用显得举足轻重。在倡导合理利用当地独特的资源和推进建设工程发展的背景下，研究沙漠砂混凝土就十分重要。

1 工程概况

1.1 基本情况

毛里塔尼亚位于非洲撒哈拉沙漠西部（14°～26°N，5°～17°W），西临大西洋，全国海岸线长约700 km，国土面积90%以上为沙漠。本文研究结合该国M201综合港口项目，主要建设内容为商用码头一座，军用码头一座，渔码头一座。修船厂建设船台5座，纵向下水滑道。陆域工程包括油库区、军用码头陆域区、辅助生产区、修船车间、弹药库区等，陆域总占地面积为29.1万㎡，约10万方混凝土需要采用改良后的沙漠砂。

1.2 技术应用优势

毛里塔尼亚M201项目所处海域为沙质海岸，面向大西洋，背靠撒哈拉沙漠。当地没有合适的河砂，而且石料距离项目有500公里，运距远，成本高，存在由于砂石料的供应不足影响工程进度的问题。有效利用沙漠砂将大幅提高施工效率，同时降低混凝土原材料成本，为项目提升经济效益。项目可根据项目所在地区沙漠砂特性，通过混凝土配合比设计，配置出适合该工程各种强度的混凝土，以解决河砂采购成本高的问题。由于砂子过细，比表面积大，对比中粗砂，单方混凝土需要更多的胶凝材料，更大的单方用水量，同等水泥用量下混凝土强度低，同标号混凝土生产成本要高;在施工过程中还会引起混凝土收缩率增大，易产生干缩裂纹等问题。因此需合理使用沙漠砂，控制沙漠砂用量成为项目混凝土质量控制的重中之重。

2 技术要点

2.1 项目施工工艺背景

项目斜坡式防波堤采用陆推法，即从接岸端由陆地向海上推进施工，先采用自卸车运料直接填筑堤心石，长臂反铲挖掘机理坡，当填筑至堤顶并压实后，可为后续施工提供陆运通道及施工平台。随后依次抛填垫层块石、吊装扭王字块体（预制场预制）。使用抽沙船施工，实现开挖、降水同步进行，在降水深度满足设计要求后，抽水以控制水位，同时采用挖掘及自卸车等设备进行陆挖疏浚作业。在码头沉桩过程中利用可调滚轮式限位导向架沉桩施工，导向架设置上下两层限位装置，在垂直桩身锁扣方向采用普通实心滚轮，限制水平方向位移及控制垂直度，在平行桩身锁扣方向采用钢质槽型滚轮，既可限制水平方向位移及控制垂直度，又可限制桩身转动，控制角位移。配合测量仪器的精准控制，可实现桩身垂直度、平面位置以及桩身旋转角度的实时调整，以提高施工质量。模袋混凝土护岸、码头胸墙及帽梁、下水滑道等结构通过抽沙船降水并维持护岸区域地下水位，创造干法施工的条件。其他陆域房建、道路、堆场等结构采用常规施工工艺。

3 研究设计

研究目的：在当地河砂资源匮乏的情况下，合理利用沙漠砂和当地现有资源，经过大量试验对比，调整出最佳方案，以达到以下效果：1）科学利用沙漠砂，保证混凝土质量;2）解决无河砂供应的窘况，保证施工进度;3）充分利用当地既有材料，节约工程成本，确保经济上可行。

研究问题及界定：本文先对沙漠砂混凝土应用现状、特性研究进行代表性总结，然后提出新的沙漠砂改良方法及对沙漠砂混凝土的强度特性分析和技术应用分析，论证提出改良方法的可行性。并对沙漠砂混凝土的应用给予展望。

根据沙漠砂的工程特性提出改良方案，拟定四种方案进行可行性比对，通过技术分析，最后选择最优方案。

3.1 对沙漠砂指标检测

制定合理的试验技术方案，先对當地沙漠砂筛分、氯化物、表观密度等相应指标进行检测分析，确认沙漠砂除细度模数外的大部分指标能够满足规范要求。

3.2 沙漠砂改性

经分析，当地沙漠砂不能直接使用在混凝土当中。结合沙漠砂混凝土的研究成果，本文采用沙漠砂替代率作为研究参数，基于此，根据既有材料和现有资源，提出采购当地的2 mm～10 mm级配小碎石（以下统称“小碎石”）进行合理掺配。

沙漠砂与小碎石合成初拟分析，用四个不同掺配比例作为初拟方案。

以砂、小碎石比例55：45为例，计算各掺配方案的合成级配，绘制筛分曲线图。

由表3知，特细沙漠砂的粒径主要分布于0.15 mm～0.6 mm之间，细度模数为1.5，规格为2 mm～10 mm的小碎石细度模数是4.8，级配颗粒较集中于1.18 mm～4.75 mm之间。小碎石4.75 mm以下部分可视为中粗砂，按合理比例掺入沙漠砂后，混合材料达到较为理想的细度模数2.4（11区砂）。

4个方案细度模数均满足规范2.3～3.0的范围，选取四种不同比例的沙漠砂与2 mm～10 mm小碎石的合成级配，参照国内中砂标准进行混凝土试配，作后续研究。

3.3 混凝土配合比初拟

此次试验研究是基于特细沙漠砂与2 mm～10 mm级配小碎石的掺配比例来改良细集料的细度模数，从而配置出理想的混凝土。为寻求优化的掺配比例，本研究试验在进行混凝土试配中，需采用控制变量法进行初拟配合比，所以仅以掺配比例作为唯一变量。

将选定的4种掺配比例方案实际用于C40强度配合比设计中，并确保水灰比，外加剂含量，砂率一致，以便对照试验的顺利进行。混凝土各组分的技术指标见表4～5。

混凝土试配主要考虑的因素：

（1）水灰比。水灰比是影响混凝土强度的主要因素。特细沙漠砂的缺点是比表面积较大，和中粗砂相比，同等和易性混凝土需水量相对较高，导致水灰比增加混凝土强度降低，所以需严格控制用量，权衡质量和效益。本研究通过多次试配，最终确定水灰比为0.37。

（2）外加剂。适当增加外加剂的用量来控制用水量，既要保持混凝土和易性又要满足强度要求，本次试验采用奈系FDN-440缓凝高效减水剂。并经过试验确定外加剂掺量为2.2%时，混凝土和易性最佳，且可以得到满意的混凝土强度结果。

（3）砂率。沙漠砂细度模数较小，属于特细砂，若采用普通中砂的砂率，将导致拌合物粘度增加，流动性变差，且收缩性变大，易开裂。故配置中的最佳砂率應比普通中砂的砂率要低7%～13%。

（4）级配。由于沙漠砂粒径小，直接与当地广泛使用的5～25卵石调配混凝土，由于集料的连续级配不连续，混凝土易离析，增加当地2 mm～10 mm碎石后问题得到解决。

3.4 混凝土工作性能

由表7可知，水泥混凝土塌落度会随掺配比例中的特细沙漠砂的含量增高而降低。方案2和方案3的塌落度测试结果均满足C40混凝土塌落度的规范设计要求，而特细沙漠砂的掺配比例为45%时，混凝土的塌落度明显大于规范推荐范围，而当特细沙漠砂的掺配比例达到60%时，试配的混凝土塌落度明显小于规范推荐值，表明随特细沙漠砂比例增大，混凝土的流动性变差，从混凝土工作性能的综合层面出发，特细沙漠砂掺配比例50%和55%是合理的。

3.5 力学性能

3.5.1 抗压强度

对上述四种配合比下的C40水泥混凝土抗压试件，按标准养生条件分别养生7天和28天，并分别测试上述四种配合比下混凝土的7天和28天抗压强度，抗折强度。测试结果如图2。

3.5.2 抗折强度

将上述四种掺配比例试配出F4.5路面混凝土，制作混凝土抗折试件。在标准养生条件下分别养生7天和28天，并分别测试上述四种比例下混凝土的7天和28天抗折强度，测试结果如图3所示。

特细砂混凝土28d强度随沙漠砂掺配比例增大而呈现先增大后减小的趋势，沙漠砂和2 mm～10 mm小碎石比例为55：45附近时，砼强度最高。这是由于“中砂”（2 mm～

10 mm小碎石）粒径较大，而沙漠砂粒径较小，可使混凝土集料填充均匀，处于密实状态，增加了混凝土强度。但由于沙漠砂本身是松散母岩风化而成，自身强度小于中砂，因而当沙漠砂比例较大时，随沙漠砂的比例增加，而混凝土抗压强度逐渐降低。

3.6 经济效益

对初拟方案及未使用沙漠砂时进行单方混凝土造价对比。

从经济效果上看，方案4最佳，方案3次之。通过混凝土工作性能，强度指标、经济效益综合分析得出，方案3为优选方案。

3.7 高强混凝土试配与应用

本项目混凝土强度等级最高为C50。对于高强混凝土，由于其强度较高，采用强度较小的沙漠砂配置时难度较大。故配置C50水泥混凝土过程中，在基于混凝土最优性能的掺配比例（特细沙漠砂掺配比例为55%），通过调整水泥的绝对用量进行优化配合比，测试结果如图4所示。

由图4可知，在满足龄期强度要求下（28d达到设计值的120%左右），选择456 kg的水泥剂量可配置出C50高强水泥混凝土。

4 结果

（1）试验数据显示，在满足中砂细度模数要求下，C40混凝土强度随沙漠砂占比呈现出先增大后减小的趋势。沙漠砂与小碎石比例为55：45时，强度最高，且混凝土工作性能符合生产要求，经济效益好。

（2）制备出的C40混凝土初凝时间在3小时30分钟左右，终凝时间在7小时左右，能够适应施工强度。相应于指定龄期下的砼试块强度值达到设计标准。经过3个月现场回弹仪实测数据显示，码头胸墙强度较28天抗压强度值增长了3.6%。经过抗渗试验结果，该试验配比能够满足抗渗等级P8要求，结构物早期无明显开裂现象，混凝土表观质量满足规范要求。在高强度混凝土应用中，C50混凝土能够满足强度指标及耐久性要求。

（3）在混凝土实际生产中，根据沙漠砂改良方案配置出的各强度等级下的混凝土均满足相关特性指标，经济合理、节能环保。从从而形成一套完整的特细沙漠砂改良方案应用于各强度混凝土。

5 结论与展望

（1）本文总结了沙漠砂混凝土应用现状的典型论述，肯定了改良沙漠砂混凝土的适用性。在西非毛里塔尼亚这种独特的自然条件下，应用特沙漠砂在混凝土工程建造当中是有必要的。（2）此次研究论证了改良沙漠砂适用于港口混凝土建设的可行性，提出了一种通过掺配2 mm～10 mm小碎石的途径，改良沙漠砂，制定出了一种新颖的混凝土配合比设计方案。通过技术、经济指标论证了改良方案的可行，在该区域具有实际指导意义。（3）此次研究未对改良沙漠砂混凝土动力学性能作进一步的跟踪研究，需要同步开展相关的检测试验。对沙漠砂混凝土相关性能的持续研究是不可忽视的。（4）结合西非毛里塔尼亚工程实例与当地建材市场的窘况，研发改良用于港口工程建设的沙漠砂混凝土具有显著的现实意义。毛里塔尼亚M201项目对特细沙漠砂的成功改良，为本项目带来了良好的效益。同时，这种创新改良的成功运用，有利于推广到类似环境的各沙漠地区国家，具有重要的经济价值与社会效益。

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