风积沙应用于混凝土的研究进展

刘 超,林 鑫,朱 超,刘化威

(1.西安建筑科技大学 理学院,陕西 西安 710055；2.西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安 710055)

1 前 言

近年来,我国基础建设领域大力发展,混凝土的消耗量与日俱增,对砂石等自然资源的需求不断增加[1]。建筑业长期粗放的开采方式不仅导致我国砂石等天然资源严重短缺,而且对生态环境造成了严重的破坏。据中国砂石协会的数据显示,2018～2019年,我国从东南亚进口河砂共2 512.58吨,仅广东惠州、梅州、河源、清远等地的砂子缺口高达2 000万方,全国每年河砂缺口更是高达上亿吨。目前,机制砂广泛应用在砂石骨料市场,成为河砂主要的替代资源。然而机制砂的生产成本较高、颗粒棱角尖锐、表面粗糙、级配较差,对混凝土和易性、强度及耐磨性等都会产生严重的影响[2]。因此,河砂和机制砂无论从资源可持续发展还是保护环境的角度来看,都不能满足当前建设规模的需求,亟需寻找新的天然砂石骨料替代品。

我国北方部分地区沙漠化问题严重,沙漠面积8.089×105km2,约占国土总面积的8.4%[3],沙漠地区的风沙被搬运到冲积平原地区而逐渐形成风积沙[4]。与机制砂相比较,风积沙是一种天然固体废弃物,具有储备量大,价廉等优势。采用风积沙部分地取代河砂制备混凝土,对于降低工程造价、保护环境和合理开发利用自然资源都具有重要意义。图1统计了从1986年到2019年间中国知网以及2002年到2019年间Web of Science核心合集中有关风积沙混凝土的学术论文数量,充分说明在过去的十年中,风积沙混凝土的关注度越来越高。Zhang 等[5]、Padmakumar等[6]相继开展研究,发现风积沙可以部分替代河砂生产性能更优良的混凝土。

图1 学术论文数量 (a)中国知网；(b)Web of Science核心合集Fig.1 Number of academic papers (a)CNKI；(b)Web of Science core collection

2 风积沙的物理化学特征

2.1 风积沙的物理性质和化学成分

不同地区的风积沙,其物化特征也不同。笔者整理了部分文献中我国沙漠地区风积沙的研究成果,其基本物理性质如表1所示,化学成分如表2所示。

表1 风积沙的物理性质Table 1 Physical properties of aeolian sand

表2 风积沙的化学成分Table 2 Chemical composition of aeolian sand

根据GB/T 14684ˉ2001《建筑用砂》[7]的规定,风积沙的表观密度、堆积密度、含泥量等物理性质均满足建筑工程用砂的要求。风积沙是特细砂,部分地区的风积沙的粒径甚至更小。与河砂相比,风积沙级配更差,级配曲线显得更加狭长陡峭[8],如图2所示。由于沙漠地区降水量少,地下水位深,水分蒸发量大,风积沙的含水量在0%～4%之间[9]。

图2 粒径分布曲线[8]Fig.2 Particle size distribution curves[8]

大部分地区的风积沙中硫酸盐和氯化物的含量较少[9],满足JGJ 52ˉ2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[10]的要求。Seif等[11]测试出沙特阿拉伯西部的麦加和吉达地区风积沙的矿物组成如图3所示,主要物相包括石英(88%)、长石(9%)和少量碳酸盐(2.2%)。张德媛[12]发现我国毛乌素沙漠风积沙主要由岩屑、长石和石英三种颗粒组成,石英占73%,斜长石占15%,正长石占8%,粘土矿物多为伊利石,占2%,重矿物有角闪石,占1%,岩屑由火成岩、变质岩等组成。风积沙中活性二氧化硅颗粒含量较少,因此,发生碱-骨料反应的可能性较低。Zheng等[13]发现中国北方地区的风积沙p H 值在7.76～8.57之间。

图3 风积沙的XRD分析[11]Fig.3 X-ray diffraction pattern of aeolian sand[11]

2.2 风积沙和河砂的形貌特征

风积沙被风沙流搬运到冲积平原地区[4],其特殊的形貌特征与长期的风力搬运密切相关,沙粒通过跃移和蠕移的方式向前移动,这两种移动方式使得沙粒之间的碰撞摩擦力增大,其表面磨蚀程度提高,呈现出较为光滑的颗粒表面[18]。河砂形成于水中,由于水的搬运、磨蚀、沉积等机械破坏作用,沙粒磨圆度较低,呈不规则形状,其表面存在形状各异的凹痕。图4和图5分别为风积沙和河砂的扫描电镜照片,从图可见,风积沙粒径比河砂小,磨圆度更高,凸起的尖锐棱角相对较少[19-20]。这与李玉根等[21]的研究结论相似。放大倍数提高后,显微照片显示风积沙颗粒为椭圆形的片状,表面平坦,如图6所示。在更高的放大倍率下,颗粒表面存在平整的解理面、上翻的解理面和贝状断口等常见的表面特征[9],晶粒表面的贝状断口会降低了颗粒的圆度[6]。

图4 风积沙的SEM 照片[19]Fig.4 SEM image of aeolian sand[19]

图5 河砂的SEM 照片[20]Fig.5 SEM image of river sand[20]

图6 风积沙表面形貌[9]Fig.6 Grain surface textures of aeolian sand at diverse scales[9]

3 风积沙混凝土配合比设计方法

3.1 概率方法

3.1.1 正交试验 由于风积沙颗粒级配较差,粒径分布不能满足普通混凝土细骨料用砂标准,因此不能直接使用《普通混凝土配合比设计规程》[22]设计配合比,大部分试验研究通过正交试验确定风积沙的最佳取代率,从而确定风积沙混凝土的配合比。谢春磊等[23]设计了4因素3水平的正交试验确定C50高强混凝土的试验配合比,发现风积沙取代率在0%～40%之间时,混凝土抗压强度随风积沙取代率增大而增大。此外,陈俊杰等[24]、韩冠生等[25]也通过正交试验确定了风积沙混凝土的配合比,风积沙最佳取代率也在0%～40%之间。

3.1.2 响应面分析法 正交试验是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,虽然能找出最优值,但难以直观地判别优化区域并给出的整个区域上因素和响应值之间的一个明确的函数表达式,从而无法找到整个区域上因素的最佳组合和响应值的最优值,响应面分析法在很大程度上满足了这些要求。Hadjoudja 等[26]设计了基于中心组合设计(CCD)的统计模型,研究不同因素对风积沙混凝土工作性能和力学性能的影响,确定了不同因素对各响应值的影响。所建立的模型可以平衡各因素之间的关系,从而制备性能更加优良的风积沙混凝土。Yan等[27]也采用类似的方法给出了水灰比等因素对工作性能和力学性能的影响,并提出了配合比的优化标准,以满足风积沙混凝土各方面性能要求。

3.2 最紧密堆积理论

风积沙的填充效应是其改善混凝土性能十分重要的一环,研究粗骨料和细骨料、骨料和浆体之间的最密实度填充状态,有利于优化风积沙混凝土配合比设计。贺业邦等[28]利用Dinger-Funk紧密堆积理论优化粗、细骨料比例和风积沙、普通砂混合比例,发现混凝土密度得到有效提升,工作性能和力学性能得到优化。Chu等[29]采用修正的Andreasen&Andersen颗粒堆积模型设计了风积沙超高性能混凝土的配合比,发现风积沙可制备出满足力学性能要求的超高性能混凝土。

综上,目前风积沙混凝土配合比设计理论方面的研究较少,基于概率统计方法的配合比设计导致物力人力浪费较大,风积沙的优势在于其超细的颗粒粒径带来的填充效应,应充分发挥粒径优势,采用颗粒最紧密堆积理论来设计配合比,使混凝土干混料密实度更高,从而满足混凝土基本性能要求。不仅可以节省人力物力,也为风积沙混凝土配合比设计提供了新思路。

4 风积沙对混凝土工作性能的影响

风积沙颗粒粒径小,比表面积较大,吸水率较强,采用风积沙制备混凝土可提高混凝土的保水性,但需水量也随之增大。大部分风积沙颗粒磨圆度较高,针片状颗粒含量较少,这种磨圆度较高、粒径小的风积沙颗粒能有效改善骨料级配,降低基体孔隙率,这正是其影响拌合物和易性的主要方面[11,21],风积沙混凝土新拌浆体坍落度与风积沙取代率之间的关系如图7所示。

图7 风积沙掺量对坍落度的影响[30-32]Fig.7 Influences of aeolian sand content on slump[30-32]

Li等[30]、Al-Harthy 等[31]、Amel等[32]发现混凝土坍落度随着风积沙掺量增加先增加后降低。其中相对坍落度定义为掺风积沙的混凝土(掺量为10%～100%)坍落度与未掺风积沙的混凝土(掺量为0%)坍落度之比,对混凝土坍落度而言,风积沙的最佳取代率在20%～60%之间。宏观来看,坍落度的增加与风积沙颗粒形貌特征有关。球状颗粒比角状或形状不好的颗粒更容易移动,可发挥较好的“滚珠”效应,提高新拌浆体的工作性能；然而当风积沙掺量增加,细沙颗粒含量增加,细骨料的粒径分布发生显著变化,浆体的流动性降低。细骨料粒径越小,混凝土流动性就越差[31]。微观来看,风积沙掺量较低时,可发挥较好的填充效应,填充了细骨料中较大河砂颗粒带来的孔隙,系统内填充水向自由水逐步转化,混凝土工作性能得到改善；但随着风积沙掺量不断增加,风积沙的填充效应达到阈值,由于细沙掺量较大,细骨料比表面积增大,吸水率增强,细沙颗粒在其表面吸水,吸附水含量随着风积沙掺量增加而增加。系统内自由水向吸附水逐步转化,混凝土工作性能逐步降低,坍落度减小[33]。

Bouziani等[34-35]研究表明,风积沙掺量为10%时,砂浆粘度最小,漏斗试验比掺量为0%的对照组砂浆用时少,风积沙掺量较低时,发挥了较好的填充效应,充分填充了河砂大颗粒的孔隙,使得填充这部分孔隙的浆体得到释放,更多的浆体用于提升砂浆的流动性。但Rmili等[36]得到了不同的结论,即风积沙的掺入提高了混凝土粘度。

综上,无论是采用坍落度试验还是漏斗试验来研究风积沙掺量对混凝土工作性能的影响,均可得出如下结论:即混凝土流动性能随风积沙掺量增加先提高后降低,而最佳掺量与风积沙产地有关。如图7所示,就混凝土坍落度而言,我国毛乌素沙漠地区的风积沙最佳掺量为20%[30],阿曼和阿尔及利亚的风积沙最佳掺量为30%～60%[31-32],这是因为我国毛乌素沙漠地区的风积沙细度模数更低,其比表面积大于西亚和北非地区的风积沙,吸水率更高,流动性更差。这与Elipe等[9]得到的结论相似,即东亚地区风积沙的比重更高,颗粒更细。因此,采用风积沙制备混凝土时,要根据风积沙的细度模数选择合适的掺量,细度模数越低,掺量越小。如表1所示,我国各沙漠地区的风积沙细度模数偏小,因此本文建议风积沙掺量控制在20%以内,以确保混凝土具备良好的流动性能。风积沙提高混凝土工作性能的作用机理可以归纳为几点:①风积沙的圆度更高,粒径小,起“微滚珠”作用。②风积沙填充孔隙后释放了本用来填充这部分孔隙的水和浆体。

5 风积沙对混凝土力学性能的影响

风积沙的粒径在0.08～0.80 mm 之间,级配均匀,适量取代河砂作为细骨料可以提高混凝土密实性,进而提高其抗压强度。已有学者研究了风积沙取代率和抗压强度之间的关系[15,31,37-40],笔者对他们的研究成果进行了整理,取代率与相对抗压强度之间的关系如图8所示,相对抗压强度定义为风积沙混凝土28 d抗压强度与对照组(不掺风积沙)混凝土28 d抗压强度之比。

图8 风积沙取代率对抗压强度的影响[15,31,37-40]Fig.8 Influences of aeolian sand content on compressive strength

研究结果表明,随着风积沙取代率增大,抗压强度先增大后减小,风积沙的最佳取代率为20%～60%,28 d抗压强度提高了0.6%～8%；当风积沙取代率为100%时,与对照组混凝土相比,28 d抗压强度降低了10%～25%。宏观而言,当取代率较低时,粗骨料、河砂、风积沙和胶材形成了连续级配体系,风积沙主要用来填充骨料孔隙,使混凝土内部结构更加密实,抗压强度随之提高；随着取代率逐渐增加,风积沙的填充效应达到阈值,细骨料级配出现断层,工作性能下降,孔隙率增加,从而降低抗压强度。

Li等[15,30]对风积沙混凝土的力学性能进行了多尺度研究,从微观层面分析了风积沙对混凝土强度的影响机理。研究表明,风积沙提升混凝强度的原因与其自身粒径小、吸水率较高等物化特征有关。掺量合适时,其填充效应和非均匀形核,降低了混凝土内部孔隙率,增加了结构的密实度；适量的风积沙可缩短砂浆与粗骨料、浆体与砂之间的组合裂缝宽度,增强界面过渡区的显微硬度；碱性环境下,风积沙中活性SiO2和Al2O3的Si—O 键和Al—O 键解聚和断裂,与系统中的OHˉ和Ca2+形成更多的C-S-H 和C-A-H,这些水化产物进一步交织成网状,甚至结晶成块状,填充水泥石内部孔隙和浆体与骨料之间的组合裂缝,从而改善了混凝土内部的孔径分布和界面过度区结构,这些活性成分参与水化反应的过程如图9 所示。Luo等[34]研究发现风积沙中粒径小于175μm 的颗粒具有非均质形核作用,这些颗粒为水化产物提供形核点,缩短形核中心与水泥颗粒之间的距离,降低了形核能垒。这是风积沙影响水泥水化的微观物理过程；风积沙的活性效应主要取决于风积沙的细度和其中可溶性非晶质SiO2的含量。风积沙掺量过高会弱化界面过渡区,增加混凝土内部有害孔隙数量,形成初始裂缝；降低胶凝材料与骨料之间的夹持力,最终导致混凝土强度下降。但Al-Harthy等[31]、Seif等[40]得到了不同的结论,即混凝土抗压强度随风积沙掺量增加呈下降趋势。这是因为不同地区风积沙的物化特征存在差异。

图9 水化反应过程示意图[30]Fig.9 Diagram of the hydration reaction process

综上,填充效应和活性SiO2的火山灰效应是风积沙提高混凝土强度的主要手段,填充效应是主要方面,而对孔隙的填充效果与风积沙颗粒的细度模数有着密切的关系。与沙特阿拉伯地区和阿曼地区的风积沙[31,40]相比较,我国古尔班通古特沙漠以及毛乌素沙漠地区的风积沙[15,37-39]细度模数更低,因此对孔隙的填充效果更好。如图8所示,对混凝土抗压强度而言,采用沙特和阿曼地区的风积沙制备的混凝土抗压强度相较对照组混凝土而言有所下降,最佳取代率为0%；而古尔班通古特以及毛乌素沙漠地区的风积沙最佳取代率为20%。王尧鸿等[41]研究了不同掺量的库布齐沙漠风积沙对三类不同粒径分布的河砂细骨料空隙率的影响,确定了库布齐风积沙对不同细度模数河砂的最佳取代率,对其他地区的风积沙,该方法具有一定的参考价值。风积沙中活性SiO2的火山灰效应是次要方面,如表2所示,我国风积沙中SiO2含量在80%左右,而澳大利亚中部沙漠地区的风积沙中SiO2含量为94.8%[34],因此,我国风积沙中可溶性非晶质SiO2含量较少,火山灰效应对混凝土强度的提升效果较弱。目前,相关研究成果表明,适量风积沙取代河砂可以在一定程度上提高混凝土力学性能,不同文献中得到的风积沙最佳取代率有所差异。本文对现有文献进行总结归纳,建议风积沙掺量控制在30%以内,以确保其对混凝土力学性能有一定的改善效果。此外,对全取代率风积沙混凝土试验研究较少,大量、深化的试验研究后,才能找到更好的改性方法,提高风积沙的利用率,促进风积沙的应用推广。

6 风积沙对混凝土耐久性能的影响

6.1 抗冻性能

6.1.1 水冻 孔隙特征与混凝土抗冻性能密切相关,风积沙的填充效应、活性效应能够改善混凝土的微观孔隙结构,从而提高其抗冻性能。薛慧君等[42]研究发现,风积沙取代率为40%时,混凝土气泡间距系数为310μm,硬化混凝土含气量为最小值2.15%,混凝土的抗冻性能达最佳。董伟等[43-44]研究了风积沙对浮石轻骨料混凝土抗冻性能的影响,发现风积沙掺入后对轻骨料混凝土的冻融破坏具有双重影响。掺量大于30%时,风积沙加剧混凝土的冻融破坏；掺量小于30%时,内部损伤被抑制。因此,最佳取代率为20%～30%。吴俊臣等[45]研究了不同掺量的风积沙对混凝土抗冻性能的影响,当掺量为60%～100%时,基体内部封闭孔隙增加,风积沙对混凝土内部损伤的发展起到抑制与释放作用,其抗冻性能显著优于不掺风积沙或掺量少的混凝土。但薛慧君等[46]发现,风积沙掺量为40%时,经历200 次冻融循环后混凝土的孔隙率最低,小尺寸孔隙量增多,冻融损伤破坏进程延缓,说明其微观孔径演变与宏观抗冻性优劣存在关联。

6.1.2 盐冻 何静等[47]研究了氯盐冻融作用下风积沙水泥砂浆的抗冻性能,发现当掺入15%风积沙时,砂浆的气泡间距系数降至196μm,含气量降为3.14%,水泥砂浆的抗冻性能最佳。苏英[48]发现,氯盐冻融作用下100%掺量的风积沙混凝土内部只有少量独立的孔洞贯穿,平均气泡间距最小,内部结构相对完善,氯离子扩散系数降低,抗冻性能最佳。邹欲晓等[49]研究了MgSO4-冻融作用下风积沙混凝土的抗冻性能,发现风积沙的加入改善了混凝土内部结构,且掺量越高,混凝土内部结构越密实,孔隙和微裂纹越小,其对混凝土抗冻性能有明显提升作用。

6.2 抗氯离子、碳化性能

混凝土中自由氯离子含量是评价混凝土耐氯离子侵蚀的重要指标。董伟等[50]研究了盐冻作用下风积沙掺量对混凝土氯离子渗透性的影响,发现氯离子扩散系数随风积沙掺量增加先减小后增大,风积沙掺量25%时达到最低值,适量的风积沙掺入能够抵挡氯离子入侵。掺入风积沙提高混凝土抗氯盐侵蚀能力的原因主要体现在两方面[51]。首先,F盐等晶体产物可发挥填充效应填充胶凝孔,增加了水泥石的结构密实度；其次,风积沙掺量较低时,可充分发挥填充效应,基体孔隙率降低,部分氯离子侵蚀通道被阻断。因此,风积沙混凝土呈现出较好的抗氯离子渗透性能。

吴俊臣等[52]研究了风积沙掺量对混凝土碳化性能的影响,发现掺量小于60%时,CO2扩散系数随着掺量的增加而降低,当掺量大于60% 时,CO2扩散系数随掺量的增加而增加。整体来看风积沙混凝土的抗碳化性能明显优于普通混凝土。Zou[53]、Li等[54]同样指出,风积沙掺入后可以提高混凝土抗碳化性能。

6.3 收缩、开裂性能

风积沙的填充效应以及较强的吸水率降低了混凝土内部孔隙率,提升保水性,开裂敏感性降低,收缩率降低[55]。李根峰等[56]研究了风积沙掺量对混凝土收缩变形性能的影响,发现随着掺量的增加,收缩变形的变化规律为开始时持续上升到最后趋于稳定,收缩率的稳定值逐渐增大；收缩变形持续时间逐渐变长,浇筑后3 d内收缩变形较明显,3 d后基本不再收缩。

风积沙颗粒圆度更高,与棱角状的河砂颗粒相比较,骨料之间的约束力更小,且随风积沙掺量增加而减小,导致混凝土抗裂性能降低[57]。Tebbal等[58]也得到了相似的结论,即风积沙能有效削弱混凝土的干燥收缩。

综上,对于抗冻性能而言,不能仅根据相对动弹模量和质量损失率的变化来判断风积沙混凝土抗冻性能。通过气泡结构试验[42,47]、核磁共振技术[43-46],并配合X 射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子计算机断层扫描(CT)的多尺度研究方法分析风积沙对混凝土抗冻性能的影响,其试验结果更具说服力。同时,风积沙的填充效应是其提升混凝土耐久性能的主要手段,低掺量时,结构密实度提升,从而混凝土抵御不利环境和有害物质侵害的能力变强。此外,风积沙中活性SiO2既然能在碱性环境下发生火山灰反应,则同时也需考虑发生碱骨料反应带来结构膨胀、开裂等危害。目前,相关试验结果表明,适量的风积沙可以提高混凝土耐久性能,这主要归因于风积沙的填充效应,结构密实度提高,混凝土耐久性随之提高。

7 风积沙混凝土性能的改善途径

7.1 纤维强化增韧

7.1.1 金属纤维 Kachouh等[59]研究了钢纤维掺量对风积沙再生混凝土抗压强度的影响,发现混凝土28 d抗压强度随掺量增大而增大。当钢纤维掺量为3%时,混凝土28 d 抗压强度提高10%以上。王勇升[60]研究了钢纤维掺量对风积沙混凝土力学性能及耐久性能的影响,发现纤维掺量为1.5%时,混凝土力学性能的提升幅度最大。与此同时,掺入钢纤维也能够提高风积沙混凝土的抗冻性能。Belferrag等[61]将废轮胎中的金属纤维掺入风积沙混凝土中,发现抗压强度与纤维的材料属性、取向分布、掺量、纤维与基体之间的粘结力有很大关系。B.Boulekbache等[62]也证实了纤维取向分布是影响风积沙混凝土抗压强度的重要因素。

7.1.2 玄武岩纤维 董伟等[63]研究了玄武岩纤维掺量对风积沙混凝土力学性能的影响,发现当纤维掺量小于1.5 kg/m3时,随着纤维掺量增加,混凝土力学性能提高,当掺量超过1.5 kg/m3时,力学性能开始下降。蒋喆等[64]研究表明,玄武岩纤维掺量为0.1%时,风积沙混凝土力学性能的提升幅度最大。纤维对混凝土内部的毛细孔产生一种挤压力,在这种挤压力的作用下,毛细孔截面减小或者坍塌,有可能会被整体堵塞。在这样一种纤维分布体系下,纤维对混凝土内部起到的约束作用整体增强,混凝土内部结构变得更为紧密,各类孔隙之间联系减少,数量降低,有利于提高风积沙混凝土的抗渗透性能和抗冻性能。

7.1.3 其他纤维 Chen等[65-66]研究了聚乙烯醇纤维掺量对风积沙混凝土抗压强度的影响,发现纤维掺量在0.4%～0.8%之间时,28 d抗压强度提高9%以上。包建强等[67]研究表明,聚丙烯纤维掺入后,抗压强度并没有提高,甚至当风积沙取代率为90%,纤维掺量为1.5 kg/m3时,抗压强度达到最小值30.06 MPa,与对照组混凝土相比,抗压强度降低了14.63%。造成抗压强度下降的主要原因是纤维的结团导致其结构孔隙增加,密实度下降。杨正宏等[68]研究表明,聚丙烯纤维能够缩短风积沙砂浆裂缝长度,减少裂缝总数和长裂缝数量,掺量为1.3 kg/m3时,砂浆相对开裂指数降至22,裂缝总数比对照组混凝土减少78%,对混凝土的改善效果最佳。Bederina等[69]采用四种处理方式处理大麦秸秆纤维,研究不同处理方式的纤维掺入后对风积沙混凝土抗压强度的影响,试验结果表明经过油漆处理后的纤维掺入后对28 d抗压强度提升效果最好,与未经处理的对照组混凝土相比较,抗压强度提升了66.2%,经过其他三种处理方式处理后的纤维混凝土抗压强度均有所提高。刘洋等[70]研究了不同种类的纤维对全风积沙超高性能混凝土收缩性能的影响,发现纤维的掺入可以有效抑制全风积沙超高性能混凝土的早期自收缩,在一定范围内,随着纤维掺量的增加,抑制效果提升,其中聚乙烯醇纤维的抑制效果最好。

综上,各类纤维对风积沙混凝土力学性能及耐久性能的改善效果有所不同,主要提高风积沙混凝土的抗裂、抗拉及延性性能,其作用机理与普通混凝土类似,但强度和抗裂性能受纤维掺量影响的变化规律,仍需深化研究。此外,纤维长径比、形状等重要参数的影响亟待深化研究。目前,以单一种类纤维掺入的改性方式为主,多种纤维复合掺入时,对风积沙混凝土性能的改善效果研究鲜有报道。纤维强化增韧的混凝土性能改善方法是值得肯定的,对风积沙混凝土的推广应用有很大帮助。

7.2 掺入矿物掺合料

7.2.1 粉煤灰 粉煤灰、硅灰、矿渣等掺合料目前的市场应用已经非常成熟,Fattah 等[71],Al-Homidy等[72]已经证实了这些掺合料可以改善风积沙混凝土性能。付杰等[73-74]研究了粉煤灰掺量对风积沙混凝土力学性能的影响,发现粉煤灰掺量为10%～15%时,对风积沙混凝土力学性能的改善效果最好,抗压强度提高5%以上,如图10 所示。即使是全风积沙混凝土,10%掺量的粉煤灰也可提高其强度。粉煤灰掺量较少时,主要发挥填充孔隙的作用,提升了结构的密实度,从而提高了抗压强度。Hilal El-Hassan,Ismail N等[75-76]采用风积沙和粉煤灰制备轻质地聚合物混凝土以及碱激活矿渣混凝土,结果表明,粉煤灰掺量为25%时,混凝土后期抗压强度有所提升。董伟等[77]也证实了粉煤灰在风积沙混凝土水化后期可发生火山灰反应,生成水化硅酸钙胶凝体,提高了混凝土强度。

图10 粉煤灰对风积沙混凝土抗压强度的影响[73]Fig.10 Influences of fly ash on compressive strength of aeolian sand concrete[73]

7.2.2 矿渣 矿渣粒径较小,可以优化混凝土干混料的粒径分布,发挥填充效应和火山灰效应。Jiang等[78]用矿渣部分取代水泥制备风积沙水工混凝土,结果表明掺入矿渣可提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度,掺量为170 kg/m3时,强度提高5%～15%。与此同时矿渣改善了风积沙混凝土的耐久性能,提高其抗冲磨性能,降低收缩率。

综上,矿物掺合料可以改善风积沙混凝土的性能,主要归因于掺合料的填充效应和火山灰效应,在风积沙掺量较大的情况下,适量的矿物掺合料对混凝土性能的改善效果明显,为风积沙混凝土的应用推广提供了参考。

7.3 水中养护、蒸压养护

不同养护条件下湿度和温度变化是影响风积沙混凝土强度的主要因素。Douara等[79]研究了三种养护条件(自然养护,水中养护,塑料包裹养护)对风积沙自密实混凝土抗压强度的影响,发现风积沙掺量为20%、水中养护的混凝土抗压强度明显提高。风积沙吸水率较高,影响了水泥水化的需水量,水中养护则解决了这一问题,因此自然养护和塑料包裹养护的混凝土强度低于水中养护。

风积沙含有一定量的活性成分,其中部分粒径极小的超细颗粒具备火山灰效应[4,33],Guettala等[80]研究发现,尽管磨细的风积沙粉呈现出晶体结构,但仍有部分具备火山灰效应。蒸压养护可以促进水化反应,充分发挥风积沙粉的火山灰效应,改善混凝土各方面性能。Alawad等[81-83]将风积沙磨细成90%～95%粒径小于45μm 的砂粉,部分取代水泥制备混凝土,发现在标准养护条件下,抗压强度随砂粉掺量的增加而降低；而在蒸压养护的条件下,抗压强度随掺量的增加而增加。蒸压养护后,风积沙粉发生火山灰反应,与Ca(OH)2发生二次水化反应,生成了更多的C-S-H,掺风积沙粉的水泥石中水化产物分布均匀,对水泥石孔隙填充效果更佳,结构密实度增加,改善了混凝土的耐久性能和力学性能。温度升高加速了火山灰反应,提高了混凝土抗压强度。Alhozaimy等[84-85]也证实了风积沙粉在蒸压养护下可与Ca(OH)2发生二次水化反应,从而提高混凝土的力学性能。此外,风积沙粉的粒径分布同样影响混凝土的力学性能,粒径越小,强度更高[80]。但在实际运用中,应综合考虑生产经济效益问题,过细的粒径需经过多次研磨,增加了成本,不利于风积沙的应用推广,因此将风积沙磨至低于水泥平均粒径最为合适。

综上,蒸压养护后,风积沙粉可以部分取代水泥制备混凝土,有利于混凝土性能的提高,但蒸压养护的经济成本较高,实际生产应综合考虑各类因素。

8 结 论

风积沙的综合利用能够节能降耗,符合绿色混凝土的理念,环保和经济效益双赢,具有良好的发展前景。整理风积沙混凝土的相关研究成果发现,宏观上,适量的风积沙与河砂形成连续级配,填充混凝土内部尺寸较大的有害孔隙。微观上,风积沙较强的吸水率可以改善孔隙结构内部和界面过渡区性能；风积沙中活性成分发生火山灰反应,生成水化硅酸钙胶凝体填充更小的有害孔隙,改善混凝土的内部结构,提高密实度,进而改善混凝土的工作性能、力学性能与耐久性能。然而,风积沙可部分取代河砂,大规模投入到实际工程应用中,笔者认为还存在以下几个方面的问题需要解决:

1.中国的风积沙储量丰富,但其产地较为集中,产业体系不够完善,部分地区的风积沙,长期属于无人管理状态,其开采、运输成本比自身价值高很多,这方面需要政策引导与企业合作形成产业链,才能有效解决问题。

2.由于自然环境差异,不同地区风积沙物化特征不同,因此,得到的关于风积沙混凝土工作性能、力学性能和耐久性能性能方面的研究成果存在差异,甚至相同地区的相关研究也存在差异,不成体系,难以形成统一的认知。因此,研究成果系统化、研究地区扩大化成为未来研究的必然趋势。

3.风积沙最主要的缺陷是其粒径太小,级配不良。掺量过大会导致混凝土孔隙率增加,微裂缝增多,强度下降。此外,孔隙和微裂缝为有害物质提供传输通道,加之风积沙p H 值为弱碱性,其碱性成分对钢筋有一定的腐蚀性,这些侵害会导致建筑结构受损,很大程度上降低结构的承载能力。其次,风积沙吸水率较强,掺量过大会导致混凝土工作性能下降,不利于运输、泵送和浇筑。因此在工程应用中要注意避免或降低以上问题带来的负面影响。要做到提高利用率的同时确保混凝土各项性能稳定,就必须在配合比设计、改善方式等方面进行更深入的研究,才能使风积沙获得更高的使用价值,对其应用推广作铺垫。

4.风积沙的研究形式单一,主要集中风积沙作为细骨料取代河砂后对混凝土宏观性能的影响,为了拓展其应用渠道,风积沙粉作为一种矿物掺合料,也具备研究价值,目前这方面的研究较少,主要集中在砂粉取代水泥后对混凝土宏观性能的影响。未来对于风积沙和风积沙粉的活性需要进行进一步研究,主要针对温度和湿度对活性效应的影响、微观试验研究中涉及的化学反应原理、水化热等领域。

5.风积沙混凝土相关试验研究主要针对其材料性能,聚焦风积沙掺入后对混凝土力学性能、耐久性能、工作性能的影响,结构层面上研究较少,风积沙混凝土基本构件的受力性能试验研究鲜有报道,应该充分利用材料层面相关研究成果,开展相对应的有限元理论建模和数值模拟分析。