沙漠砂制备混凝土研究进展

2022-01-17申艳军郝建帅白志鹏周子涵李玉根廖太昌张凯峰

硅酸盐通报 2021年12期

申艳军，郝建帅,白志鹏，周子涵，李玉根，廖太昌,张凯峰

(1.西安科技大学地质与环境学院，西安 710054；2.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院，西安 710054；3.西安科技大学陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，西安 710054；4.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；5.榆林学院建筑工程学院，榆林 719000；6.中铁二十局集团有限公司，西安 710046；7.中铁建科检测有限公司，西安 710016；8.中建西部建设北方有限公司，西安 710116)

0 引言

我国建筑用砂分布不均，储量十分有限，短时间内无法再生，已难以满足工程建设的大量需求，并且河砂的大量开采也带来了严重的环境问题[1-3]。随着生态文明建设被写入宪法，政府对天然砂石禁采或限采执行力度加大，并对相关落后及污染的砂石企业进行整顿和关闭[4]，砂石来源愈发紧张。相关数据显示，全球每年的砂子消耗约为400～500亿t，河砂实际用量与砂的实际可用量在2018年已达到平衡，2018年以后建筑用砂的需求量及价格持续走高(见图1)[5]，砂石资源短缺问题也逐年更加严重。现如今我国砂石产量大约每年200亿t，虽利用海砂、机制砂替代河砂制备的技术已取得一定成效，但仍面临一些问题[6-10]，并且产能不能满足建筑用砂的增长需求，砂石需求缺口还会长期存在。

图1 建筑用砂供需及价格关系图[5]Fig.1 Relationship between supply and demand and price of sand for construction[5]

如何找到一种既能替代天然河砂又能满足工程需求、价格便宜的材料，是工程界目前亟待解决的问题[11-14]。随着“西部大开发”和“一带一路”国家战略的实施，我国西部地区基础建设和投资力度不断加大，并正处于爆发式增长阶段，西北地区作为国家“一带一路”倡议的关键节点，混凝土材料及工程用砂量需求随之陡然增加。为缓解天然河砂资源短缺现状，将沙漠砂作为细骨料用于混凝土的拌制已经成为众多学者研究的焦点[15-17]。我国西北地区建筑用砂相对匮乏，但却蕴藏着巨大的沙漠砂资源，目前我国沙漠化地区约170 km2，占我国国土面积的18.12%[18-19]，其中西北地区是我国沙漠最集中的地区，占全国沙漠的80%左右[20-21]。可预见，合理地将沙漠砂用于制备混凝土材料并服务于该地区工程建设，具有显著的经济效益及社会价值。

目前，沙漠砂主要应用于地基路基填充、水渠护坡、混凝土材料制备等方面。但对沙漠砂制备混凝土的研究仍不够重视，运用归纳、总结的方法，对多年来沙漠砂混凝土相关研究成果进行了梳理。并以沙漠砂作为细集料制备的混凝土为主要研究对象，梳理并分析了沙漠砂物理化学性质特征及现有沙漠砂制备混凝土应用技术，探讨了沙漠砂替代细骨料用于混凝土生产中存在的问题及针对性的解决措施，最后展望了沙漠砂制备混凝土的未来研究方向。

1 沙漠砂基本特征

不同地区的沙漠砂化学成分和物理性质不同，导致不同地区沙漠砂混凝土的工作性、力学性能和耐久性存在差异。因此，为系统掌握沙漠砂代替河砂制备混凝土技术，仍需对不同地区沙漠砂的基本特征及性质进行进一步梳理与归纳。

1.1 沙漠砂基本物理性质

在制备混凝土过程中，砂的表观密度、堆积密度、含泥量、空隙率、吸水率对混凝土性能具有显著影响，沙漠砂与河砂两者之间理化性质存在一定差异，开展沙漠砂相关的物理性质研究对沙漠砂制备混凝土具有重要的参考作用，不同地区沙漠砂的物理性质如表1所示。

表1 不同地区沙漠砂物理性质Table 1 Physical properties of desert sand in different areas

综合表1统计结果可归纳出：(1)沙漠砂的表观密度为2 570～2 732 kg/m3，可满足建筑用砂中表观密度>2 500 kg/m3的要求，堆积密度为1 400～1 595 kg/m3，与河砂堆积密度相接近，基本满足混凝土所需砂堆积密度要求；(2)沙漠砂含泥量较低，满足JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》要求所用砂含泥量小于3.0%(质量分数)的标准；(3)沙漠砂空隙率普遍高于河砂，基本分布在40%～48%，沙漠砂细度模数较小，基本小于1.74(对比河砂为2.60)；(4)沙漠砂吸水性较强，制备混凝土时需要大量的水，为保证拌合物的工作性需采用添加高效减水剂的方式以减少用水量。

1.2 沙漠砂粒形特征

沙漠砂的颗粒形态会显著影响混凝土的流动性，用扫描电镜可显示出其砂粒形态及表面纹理，如图2(a)～(d)所示，不同地区沙漠砂颗粒虽形态有所差异，但一般无棱角，磨圆度较好[29-30]。随着显微镜倍数的增加(图2(e))，表面碟形坑、麻坑等特征变得明显[31]。不同地区石英砂颗粒的微观形态表明：(1)沙漠砂整体上呈圆形或近圆形，颗粒表面光滑，磨圆度较好；(2)沙漠砂表面不规则形状特征使其吸水性增强，制备的混凝土具有更好的黏结力及稠度。

图2 不同地区石英砂颗粒的SEM照片Fig.2 SEM images of quartz sand particles in different areas

1.3 沙漠砂颗粒级配特征

砂石细度及颗粒级配对混凝土的工作性能、强度有明显的影响，合理的骨料级配可以使混凝土更加密实并减少单位体积混凝土混合物的用水量和水泥用量，也可使骨料的骨架和稳定作用达到良好状态[32-33]。因此，研究沙漠砂颗粒级配特征对研究沙漠砂混凝土强度机理具有一定的理论指导作用，不同地区沙漠砂颗粒级配分布统计如图3所示[27,34-42]。

图3 不同沙漠砂颗粒级配图[27,34-42]Fig.3 Grading pattern of sand particles of different deserts[27,34-42]

总体而言，沙漠砂颗粒级配呈现以下特征：(1)沙漠砂级配间断，颗粒分布不均且基本小于1 mm，沙漠砂“颗粒级配-累计筛余量”曲线呈斜“S”状分布，粒径集中分布在0.1～1 mm，处于特细砂范围；(2)不同地区沙漠砂粒径存在一定差异，国外沙漠砂(以国外部分沙漠砂为主要研究对象)粒径多集中于0.1～0.6 mm，而国内沙漠砂粒径则集中于0.1～1 mm。沙漠砂的这种不良级配，将会使水泥用量高，并导致了沙漠砂混凝土流动性差、强度低等缺陷的产生。

1.4 化学成分

混凝土细骨料对泥、云母、有机物、轻质物、硫化物和碱的含量有严格的要求。有害物质会影响混凝土的水化反应，削弱其与骨料的粘合力，导致混凝土因碱骨料反应而膨胀开裂。因此，有必要对沙漠砂的化学成分进行分析，评估沙漠砂作为混凝土细骨料的可行性。不同地区沙漠砂化学成分分析如表2所示。

表2 不同地区沙漠砂化学成分分析Table 2 Analysis of chemical composition of desert sand in different regions

综合上述统计内容，可归纳出以下结论：(1)沙漠砂化学成分与河砂基本相同，化学成分SiO2含量最高，基本在65%～80%(质量分数)；(2)沙漠砂中含有少量的K2O、Na2O等碱金属氧化物，导致沙漠砂含碱量相对高，有助于促进水泥的水化反应；(3)沙漠砂中Si、Al、Ca等活性元素活性含量占总体质量的80%以上，SiO2、Al2O3、CaO含量越多，含有的潜在水化活性越强，这些氧化物会在弱碱环境中发生水泥水解形成的二次水解反应，形成负离子基团，进而提升混合料中的胶体性能，使工作性得到改善。

1.5 反应活性

沙漠砂与普通砂区别在于沙漠砂不仅是细骨料填料，而且是具有异相成核作用和火山灰效应的活性组分，能参与水化反应[47-48]。Luo等[26]发现粒径小于175 μm的沙漠砂具有异质成核(为水合物提供成核点)和火山灰效应，促进了水化反应，提高了材料强度。Chuah等[49]发现，沙漠砂会溶解Si4+参与水化反应，提高基体的抗压强度。因而，沙漠砂具备的特殊反应活性对于其制备混凝土具有一定的先天优势。

2 沙漠砂混凝土材料研究进展及分析

沙漠砂作为细骨料制备混凝土近年来取得了明显进展。研究表明，沙漠砂制备混凝土切实可行，就制备的沙漠砂混凝土工作性、强度、耐久性而言，可满足一般工程的要求，部分性能甚至优于普通混凝土[35,40,50-53]。目前，沙漠砂混凝土的研究多集中于工作性、力学性能、耐久性等方面。

2.1 工作性

沙漠砂混凝土拌合物的工作性是评价沙漠砂混凝土技术性质优劣的重要指标之一。Jin等[53]和Luo等[26]制备的沙漠砂混凝土可加工性能满足一般的工程要求，董伟等[54]研究表明，沙漠砂砂浆流动度的提高存在最佳沙漠砂替代率，当沙漠砂的置换率在10%～30%(质量分数，下同)时，砂浆的流动性会有不同程度的提高，当置换率为20%时，流动性达到最大值，比基础组高出13%。包建强等[55]以10%、30%和50%的沙漠砂替代河砂时，制备的沙漠砂混凝土的黏聚性和保水性良好，无分层和泌水现象，制备的混凝土坍落度均大于纯河砂混凝土(最大坍落度为88 mm)，能够满足施工要求。此外，董伟等[56]研究表明，沙漠砂吸水性大，会使试件相应地吸水增多，在用水量不变的情况下，相当于降低了水灰比，在一定程度上影响了混合料的胶结体系的性能，而且，随着水灰比的降低，试件的流动性下降，出现“干硬”现象，和易性变差[57]。因此，沙漠砂作为细骨料最关键的工作是确定沙漠砂的替代率，在适当的砂子替代率情况下，沙漠砂有助于提高混凝土及砂浆的工作性。这是因为沙漠砂粒径小、表面积大、粘聚力小，其在水泥与河砂之间能起到“滚珠”的作用，有助于减小内部摩擦力，提高砂浆工作性[56]，并且沙漠砂颗粒整体微观形状为圆形，针片状颗粒很少，这种浑圆状小颗粒能有效降低骨料间的孔隙率，改善骨料的级配。但是，过量的沙漠砂能使集料的比表面积和孔隙率增加，就需要更多的浆液包裹集料，使浆液的润滑效果降低，集料间的摩擦增加、工作性下降[58]。

2.2 力学性能

沙漠砂混凝土力学性能的高低是其能否满足工程质量要求的重要指标之一。李志强等[59]试验发现，沙漠砂置换率为50%～80%时，沙漠砂混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和轴向抗压强度均表现良好；杜勇刚等[60]研究表明，当粉煤灰掺量为10%时，抗压强度均达到最大值；鞠冠男等[61]对古尔班通古特沙漠砂混凝土的轴向压缩性能进行了实验研究，发现沙漠砂混凝土的棱柱的力学性能都低于普通混凝土，但其破坏过程、破坏形态、应力-应变曲线等性能都与普通混凝土十分相似。此外，Bosco等[62]从宏观和微观尺度上揭示了沙漠砂对混凝土力学性能的影响机理，如图4所示，不同粒径级配的沙漠砂对粗骨料有不同的“干涉”效果，进而对混凝土强度产生不同的影响。只有粗骨料时，混凝土内部空隙较大，强度很低(图4(a))。仅掺入适量河砂后，粗骨料的孔隙体积减小，密实度提高，强度增强(图4(b))。当掺入适量的沙漠砂时(图4(c))：一方面改善了混凝土内部颗粒级配，增加了水泥石的密实度，实现了不同粒径的相互填隙，并减弱了细骨料对粗骨料的“干涉”作用；另一方面沙漠砂与河砂相比，表面浑圆，粒径差异较小，降低混凝土成型时浆液与骨料间的摩擦力，减少用于润滑的水分量，增加浆体的流动性，使浆液更易进入孔隙内部从而使水泥石结构密实度提高。但当沙漠砂掺量过多时(图4(d))，其将变成混凝土内主要集料，从而导致抗压强度下降，原因包括：(1)骨料级配不良甚至缺失，造成了更多孔隙；(2)过量沙漠砂会加剧“边界”效应，使混凝土内形成更多临近的水泥松散堆积体及局部高水灰比区域，增加了孔隙率，降低了界面过渡区(ITZ)结构密实度。

图4 沙漠砂强度增强及减弱示意图[62]Fig.4 Schematic diagram of strength enhancement and weakening of desert sand[62]

2.3 耐久性

2.3.1 抗冻性

我国沙漠多集中于西北寒冷地区，混凝土的冻融破坏也一直是北方严寒地区基础工程面临的难题，研究沙漠砂混凝土的抗冻性对西北地区基础工程建设具有重要价值。部分学者[63-65]研究了沙漠砂置换率、粉煤灰掺量、水胶比、砂率对混凝土低温抗压强度的影响。如：Dong等[66]发现超声脉冲速度还可以反映轻质骨料混凝土内部结构的变化规律，加入沙漠砂可以促进并抑制混凝土的冻融损伤。杜勇刚等[60]研究表明，随着冻融循环次数的增加，沙漠砂混凝土的质量损失率和动弹模量损失率均增大，动弹模量随粉煤灰掺量的增加先增大后减小，沙漠砂抗冻效果比普通组略好。Li等[65]利用核磁共振、X射线衍射和扫描电子显微镜分析了冻融和干湿条件下风沙混凝土的劣化过程。孙雪等[67]研究表明，在-10～-40 ℃的条件下，温度对沙漠砂C25混凝土的抗压强度有极显著的影响，粉煤灰的含量和龄期对沙漠砂C25混凝土的低温抗压强度有显著影响，沙漠砂的替代率对沙漠砂C25混凝土的低温抗压强度没有显著影响。因此，沙漠砂的掺入对混凝土的抗冻性有一定的影响。沙漠砂颗粒本身细小，能够填充混凝土内部的孔隙，致使其孔隙率和渗透率降低，从而使进入混凝土内部的水分减少，减弱了内部水分冻胀过程对混凝土破坏。一般通过掺入沙漠砂和粉煤灰的方式提高其抗冻性，也可掺入适量的聚丙烯纤维、生态纤维、玄武岩纤维等提高其抗冻性[20,68-69]。

2.3.2 抗氯离子渗透性

氯离子渗透是造成混凝土中钢筋锈蚀的主要原因之一，提高其抗氯离子渗透性是改善混凝土耐久性的关键问题之一。杨浩等[64]、李志强等[70]通过对单掺粉煤灰、双掺粉煤灰和沙漠砂的试验，发现沙漠砂混凝土的抗氯离子渗透性能有所提高；马荷姣等[63]研究表明，沙漠砂混凝土抗氯离子呈现先增强后减弱趋势，沙漠沙替代率60%时沙漠砂混凝土抗氯离子性能最好。Xue等[71]通过(3D)显微镜观察混凝土表面，进而了解损伤过程。通过X射线衍射和核磁共振等手段分析，发现沙漠砂混凝土抗氯离子渗透性较好。这是因为沙漠砂中适当的高细黏土具有良好的微集料压实效果和保水性，可填充混凝土中的微孔，加强浆体与集料的界面结合程度，阻断水和氯离子的通道，增加混凝土的密实度，提高混凝土的抗氯离子渗透性[72]，此外，也可通过调整粉煤灰掺量、掺入低弹性模量纤维(如玄武岩纤维)等方式提高混凝土抗氯离子渗透性[73]。

2.3.3 耐高温性能

若需对建筑物、隧道在火灾(高温)后的结构承载力和安全性进行专项评估，就需要研究遭受火灾(高温)后沙漠混凝土的性能变化规律。相关学者[74-75]研究表明,随温度升高，沙漠砂混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度先升高后降低，当沙漠砂置换率为40%时，沙漠砂混凝土的劈裂抗拉强度和抗压强度达到最大值。另有学者[76-77]采用自然冷却和水冷却的方法研究了沙漠砂混凝土高温后的抗压强度，确定了沙漠砂混凝土的最佳混合比例：水胶比0.39、粉煤灰10%、砂率0.4、沙漠砂替代率10%。此外，部分学者[77-78]采用X射线衍射仪和扫描电镜对沙漠砂混凝土在高温作用下的强度劣化机理进行了探讨研究。目前，沙漠砂混凝土耐高温性能多关注水胶比、粉煤灰掺量、砂率和沙漠砂替代率等因素对其抗拉、抗折、劈裂抗压强度的影响，适当调整沙漠砂掺入量可提高其抗高温性能。此外，高温后沙漠砂微观特征及损伤机理研究尚浅，仍有待深入研究。

2.3.4 抗收缩性能及早期开裂性能

沙漠砂混凝土收缩性能及早期开裂性能也是其耐久性所关注的主要内容。叶建雄等[79]研究发现沙漠砂混凝土抵抗早期开裂的能力低于天然砂配制的混凝土。刘海峰等[80]试验结果表明：当沙漠砂对普通中砂取代率小于40%时，混凝土早期的抗裂性能随着取代率的增加而减弱；当沙漠砂对普通中砂取代率大于40%时，混凝土早期的抗裂性能随着取代率的增加而提高。李根峰等[81]研究表明，水胶比对沙漠砂混凝土早期自收缩变形的影响最大，其次是砂率，最后是粉煤灰。孙江云[82]发现粉煤灰和矿渣能很好地抑制混凝土的早期开裂程度，而硅灰则会加剧混凝土的早期开裂程度，并随着掺量的增加开裂程度变得更为明显。上述研究表明，沙漠砂掺量对混凝土的早期开裂性及抗收缩性影响较小，在满足混凝土早期开裂性及收缩性的前提下尽可能提高沙漠砂替代率；加入外加剂改善材料接触面，提高密实度，可达到提高其抗收缩性能；此外，掺入粉煤灰、矿渣等掺合料及纤维也能有效改善沙漠砂混凝土抗收缩性能及抗早期开裂性能[83-84]。

3 研究展望

沙漠砂混凝土是未来绿色建材的研究方向之一，本文通过整理与总结前人研究成果，进一步展望沙漠砂混凝土未来研究方向与思路，以期为其在实际工程中的应用发展提供借鉴。

(1)沙漠砂混凝土拌合物性能方面：①针对沙漠砂作为混凝土细骨料时沙漠砂的分选、表观性能处理及其混凝土改性等方面还有待开展系统研究，通过采用人工级配细骨料对沙漠砂进行科学处理，可提高沙漠砂在混凝土中的利用率并改善沙漠砂混凝土拌合物的基本性能；②加入其他活性外加剂，如硅粉、粉煤灰等，观察活性外加剂对沙漠砂混凝土拌合物性能的影响；③采用多颗粒物制备混凝土，即沙漠砂只充当颗粒增强水泥石角色，而不作为级配区细集料的填充作用。

(2)沙漠砂制备混凝土的主要指标之一是力学性能，在此方面虽取得了丰硕的研究成果，但仍有待加强：①沙漠砂混凝土构成机理不同和接触面复杂等因素，使得其力学性能特征有别于普通混凝土，其损伤机理和结构组成有待进一步研究；②沙漠砂高强混凝土的研究是未来研究的方向之一，通过掺入外加剂，改良沙漠砂混凝土构造组成，可达到高强度要求；③对沙漠砂混凝土宏观特性的研究很多，但对微观特性和机理的研究还不够。因此，仍有必要研究沙漠砂混凝土界面区的黏结性能和损伤机理，分析沙漠砂混凝土强度差异的根本原因。

(3)沙漠砂制备混凝土的另一个重要指标是耐久性，沙漠砂混凝土的耐久性也仍需全面探索：①由于北方和西北地区会受到盐冻和冻融两大病害的影响，有必要对盐冻环境下的混凝土强度提出更高的要求；②沙漠砂混凝土的耐久性，如抗渗水、耐腐蚀等，应进一步研究；③利用外加剂提高沙漠砂混凝土耐久性需从单方面向多方面耦合，进行综合化研究。