沙漠砂的物理化学性质及其对混凝土强度的影响

牛景行 王智 潘舟洋 王缘 姜林伯 陈海艳

摘要：为探究不同来源沙漠砂的性能差异及其对混凝土的影响，对典型沙漠地区沙漠砂的物理性质、颗粒级配特征、表观形貌、元素成分、矿物组成以及化学性质等进行了全面的测试，并分析研究了沙漠砂作为混凝土细骨料的应用关键技术。结果表明：沙漠砂颗粒细小、表面光滑、粒度分布范围较窄，细度模数大部分在0.5～1.0之间；沙漠砂的吸水率、含泥量和矿物组成等具有很强的地域性，但空隙率普遍较大，均超过了44%；沙漠砂的比表面积和颗粒粒径等因素会影响混凝土的强度形成过程；细颗粒多的沙漠砂中，硫化物和硫酸盐的存在会提高混凝土的强度；当混合砂细度模数相同时，沙漠砂的吸水率为混凝土强度的主要影响因素。

关键词：沙漠砂；物理化学性质；对比分析；混凝土；强度

中图分类号：TU521.1文献标志码：文献标识码A

Physicochemical properties of desert sand and their effects on concrete strength

NIU  Jinghang1，2，WANG  Zhi1*，PAN  Zhouyang2，WANG  Yuan1，JIANG  Linbo1，CHEN  Haiyan1

（1 College of Materials Science and Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China;

2 College of Water Conservancy and Architecture Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract： The physical properties，particle gradation characteristics，apparent morphology，elemental and mineral composition，and chemical properties of desert sand（DS） in typical desert areas were thoroughly tested，and the key application technologies of DS as concrete fine aggregate were analyzed and studied in order to explore the performance differences of DS from different sources and its influence on concrete.According to the findings，the surface of DS is smooth，the particle size distribution range is constrained，the particles are also fine，and the fineness modulus is primarily between 0.5 and 1.0.The water absorption，mud content and mineral composition of DS have strong regional characteristics，but the voidage ratio is generally larger，more than 44%.The specific surface area and particle size of desert sand will affect the formation process of concrete strength.The presence of sulfides and sulfates in fine DS will increase the strength of concrete.When the mixed sand fineness modulus is the same，the water absorption rate of DS is the main factor affecting the concrete strength.

Key words： desert sand;physicochemical properties;comparative analysis;concrete;strength

近年來，在基建领域大规模发展和环保要求逐渐严格的背景下，建设用砂供需矛盾日益突出［1］，因此，寻找有效的砂石替代材料成为建筑行业关注的焦点问题之一［2］。第5次《中国荒漠化和沙化状况公报》显示中国荒漠化土地面积为261.16万km2，其中西北五省和内蒙古是中国沙漠化最集中的地区，约占总量的80%。以沙漠中可用的沙漠砂（desert sand，DS）占比为20%计［3］，可知我国西北部地区蕴藏着巨大的沙漠砂资源，而将沙漠砂用于建材领域和服务于西北地区工程建设具有显著的经济价值及社会意义。

关于沙漠砂的工程应用，主要涉及地基处理和路基填筑、水渠护坡以及制备混凝土等方面。以沙漠砂混凝土（desert sand concrete，DSC）为例，众多学者的试验研究结果表明，沙漠砂地区性差异明显，不同地区的沙漠砂在物理性质、化学成分以及力学性能方面均有所不同［4-8］，导致来源不同的沙漠砂配制的混凝土在工作性能、力学性能和耐久性等各个方面均存在一定的差异［8］。目前，关于沙漠砂资源化的研究主要以单一来源的沙漠砂为主，对不同地区沙漠砂物化性质的对比分析研究鲜有文献，因此，本文研究选用宁夏、甘肃和新疆3个地区共计8个典型沙漠砂样品，通过全面的材性测试和对比分析沙漠砂的基本物化性能，并通过试配混凝土探究沙漠砂作为混凝土细骨料的关键技术指标，旨在为沙漠砂的研究和应用提供一定的借鉴。

1 试验概况

1.1 原材料

沙漠砂可部分代替河砂用于混凝土［5］。为了更直观的分析不同来源的沙漠砂对混凝土的影响，本文共收集了8个沙漠砂样品进行全面的材性测试，所有样品都取自当地沙漠边缘或半流动小沙丘，具体取样信息如表1所示。

在沙漠砂样品材性分析的基础上，配制混凝土进行强度试验，试验所用原材料如表2所示。

1.2 试验方法

依据GB/T 14684—2022《建设用砂》对砂样进行物理性质和有害物质含量测试；通过赛默飞世尔瑞士公司生产的ARL Perform′X型X射线荧光光谱仪（XRF）定量分析沙漠砂的化合物组成和元素含量；通过荷兰PANalytical B.V.公司生产PANalytical X′ Pert Powder型粉末X射线衍射仪（XRD）测试技术分析沙漠砂的矿物组成；利用BT-9300HT型激光粒度分布仪对沙漠砂进行粒径分布分析；通过国产ES1050型高清数码显微镜和赛默飞世尔美国公司生产的Quattro S型环境扫描电子显微镜（SEM）对沙漠砂进行形貌观测。此外，采用下面方法测定沙漠砂的pH值：取天然沙漠砂样品10g，加水50mL，通过HJ-6B双数显恒温磁力搅拌器搅拌3min，设定转速1 500 r/min，静置1h后，取（40±5）mL悬浊液，再次搅拌3min，用pH计测试悬浊液pH值。

1.3 配合比设计

以表1所列沙漠砂和选用湖北的特细砂为中砂替代物，复配形成混合砂拌制混凝土，替代率以细度模数占比为依据，以沙漠砂为例，即QDS=750×（MDS/M中砂），其中QDS为单位体积沙漠砂掺量，750为理论计算的细骨料用量，MDS和M中砂分别为沙漠砂和中砂的细度模数；复配后细骨料细度模数见表3。由表3可知：所有混合砂均属于中砂，符合生产实际中混凝土用细骨料的细度要求。

混凝土设计强度等级为C30。以理论配合比为基础，通过控制混合砂细度模数进行调整，以达到改善骨料级配、提高砂浆包裹性和确保新拌混凝土工作性的目的。在拌和过程中根据新拌混凝土工作性实际表现适时调整减水剂掺量，避免离析现象。新拌混凝土浆体包裹性较好，和易性良好，基本达到预拌混凝土施工要求，具体工作性如表4所示。

经过以上措施对拌和过程进行控制，形成的混凝土水胶比、灰砂比分别为0.51、0.42，单位体积水泥、水、粉煤灰用量分别为230、162、85kg/m3，大、小碎石用量分别为727、311kg/m3，其他材料用量如表5所示。DSC为掺配沙漠砂的混合砂混凝土；VFSC为掺配特细砂的混合砂混凝土。

1.4 试件制备及养护

本试验设计了8组沙漠砂混凝土和1组特细砂混凝土，根据表5所示配合比制备混凝土试件。成型24h后脱模，在标准条件下养护，依据GB/T 50081—2019分别测定7d、28d、60d抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 沙漠砂物理性质

根据GB/T 14684—2022《建设用砂》对砂样进行物理性质测試，结果如表6所示。

由表6可知：沙漠砂的表观密度在2 650～2 800kg/m3之间，满足GB/T 14684—2022《建设用砂》规定；堆积密度在1 300～1 500kg/m3之间，除了5号和8号外，其余均满足GB/T 14684—2022《建设用砂》相关规定；沙漠砂的平均粒径在0.2mm左右，细度模数最小为0.163，最大为1.090，都在1.6以下，属特细砂或粉砂；对比天然河砂34%的空隙率［6］，沙漠砂的空隙率明显偏高。沙漠砂的含泥量分散性较大，其中5号和7号砂样含泥量均超过了10%，这与其他研究［6，9-10］中沙漠砂含泥量普遍小于3%的结果有较大差异。此处含泥量指的是沙漠砂中粒径小于75μm的颗粒含量，结合沙漠砂的形成过程［2］及沙漠砂微细颗粒相关研究［4］可知，沙漠砂中小于75μm的颗粒主要成分是微硅粉，因此在对沙漠砂的含泥量进行分析时，应该区别于常规细集料含泥量对混凝土性能的影响。

2.2 沙漠砂化学性质

2.2.1 沙漠砂化学组成

通过XRF定量分析沙漠砂的化合物组成和元素含量，X射线光管的工作电压为20 kV，工作电流为5mA，结果见表7。

由表7可知：沙漠砂的化学成分与普通河砂［11］类似，以SiO2为主，含量在60%以上；沙漠砂中含有少量的碱金属氧化物Na2O和K2O等，表明沙漠砂具有一定的碱含量，这会影响混凝土的水泥水化反应。另外，沙漠砂中含有一定量的Si、Al、Ca等元素化合物，说明沙漠砂具有一定的活性潜力，但SiO2、Al2O3、CaO等对水泥水化作用的具体影响与其存在状态密切相关，尚需进一步研究。所取砂样中，位于新疆阿勒泰北屯市的沙丘砂（4号）SiO2含量最高，超过了82%，明显高于其他砂样（60%～75%左右）；SiO2含量最低的是来自和田的塔克拉玛干沙漠砂（7号），这一结果在秦拥军［9］的研究中也有体现。除此之外，沙漠砂样品中其他氧化物的相对含量不尽相同，大部分沙漠砂中Al2O3含量明显高于其他氧化物，但是来自新疆精河县的沙丘砂（6号）和来自喀什达瓦昆的沙漠砂（8号）中，CaO含量高于Al2O3含量；来自新疆北屯的4号沙漠砂中Fe2O3的含量明显低于其他来源的砂样（仅为1.19%）。

2.2.2 沙漠砂矿物成分分析

将沙漠砂手工研磨制成粉末，以通过400目筛的沙漠砂微粉制得样品，通过XRD测试技术分析其矿物组成，结果如图1所示。

由图1a可知：不同来源的沙漠砂在矿物组成上具有很强的相似性。沙漠砂的矿物成分以石英石为主，其峰形尖锐，说明天然沙漠砂中无定形二氧化硅的含量非常有限［12］。此外，沙漠砂中还含有一定量的长石以及少量的其他矿物，但不同来源的沙漠砂具体矿物组成存在一定的差异。

图1b为新疆北屯半流动沙丘砂的XRD谱图，可见其矿物种类较少，除了主要成分石英石之外，还有一定量的钠长石。图1c为塔克拉玛干沙漠砂的矿物组成图，除了石英石和钠长石、钙长石之外，还有一定量不知名的钠硅铁铝矿物以及少量的钼铁矿、钼酸锂和锰镁氧化物晶体，相比较而言，该砂样具有更为丰富的矿物组成，这一点在郑木莲等［8］的研究中也有体现。

以上关于沙漠砂矿物组成分析的结果证实了在文献［12-15］中得到的有关结果，即沙漠砂的主要矿物成分为石英石晶体和长石类矿物，且不同地区的沙漠砂在矿物组成上不尽相同。

2.2.3 沙漠砂酸碱性及有害物质含量

根据GB/T 14684—2022《建设用砂》测定沙漠砂中硫化物及硫酸盐含量和氯化物含量，并测试沙漠砂的酸碱性，结果如表8所示。

由表8可知：沙漠砂的pH值最小为7.825，其余大部分在9左右，呈碱性，原因可能是沙漠砂中含有少量的碱性化合物（如K2SiO3［15］等），部分溶于水后导致溶液呈碱性；大部分沙漠砂的pH值略高于天然河砂的pH值（8.16）［16］；砂样的氯化物含量基本可以忽略不计；砂样的硫化物及硫酸盐含量都比较高，超过了GB/T 14684—2022《建设用砂》中关于有害物质含量小于0.5%的规定。

2.3 沙漠砂颗粒级配及形貌特征

骨料在混凝土中起着至关重要的作用，从物理力学观点出发，混凝土中的骨料颗粒应该达到紧密排列的状态，在骨料颗粒位置安定且位能最小的情况下，混凝土的受力性能最好［17］。从骨料的原始状态来看，决定颗粒能否紧密排列的因素，一是颗粒级配分布情况，二是表观形貌及其特征。

2.3.1 沙漠砂颗粒级配组成

沙漠砂是天然砂的四大来源之一［18］，相较其他来源的砂石材料，沙漠砂具有颗粒松散、级配不良等缺点，限制了天然沙漠砂在混凝土材料中的应用。从力学角度来看，作为混凝土细集料时，沙漠砂的粒度分布对混凝土和易性及力学性能都有显著影响。

利用BT-9300HT型激光粒度分布仪，对沙漠砂进行粒径分布分析，结果如图2所示。

由图2可知：沙漠砂样品中位径D50分布于110～230μm之间，最大颗粒粒径均不超过716μm，其中石河子古尔班通古特沙漠砂粒径最小，最大颗粒不足450μm；新疆吐鲁番库木塔格沙漠砂粒径分布最为集中，其最小粒径小于36μm；所有沙漠砂样品均具有间断级配，颗粒粒径集中分布于100～600μm之间。总体而言，沙漠砂的细度模数较小，属于特细砂甚至粉砂的范畴，作为混凝土材料的细骨料，沙漠砂是一种典型的级配不良材料。综上可知：在实际生产中，对沙漠砂混凝土的配制有必要通过添加级配良好的细骨料来改善混合砂的级配和结构特性，以形成可接受的级配水平。

2.3.2 沙漠砂形貌特征

通过数码显微镜对沙漠砂进行形貌观测，其中部分照片（图3）显示：沙漠砂颗粒圆润，表面光滑；不同地区的沙漠砂色差明显，代表了沙漠砂不同的矿物组成；位于新疆北屯市附近的沙丘砂颜色单一，反应出其较为简单的矿物组成，这一结果在对砂样的XRD分析谱图中也得到了证明（图1b）。张诚［19］对沙漠砂的矿物組成进行了分析，认为腾格里沙漠砂的矿物组成主要有不透明矿物、角闪石（黑色）、辉石（绿黑色）以及石榴石（红色）等，而乌兰布和沙漠砂中含有较多的磁铁矿（铁黑色）、赤铁矿（红色）、石榴石（红色）和角闪石（黑色）等，这在图3中也有一定的体现。

古尔班通古特沙漠砂和塔克拉玛干沙漠砂的SEM照片（图4）显示：相比较而言，塔克拉玛干沙漠砂具有更明显的层片状纹理结构，同时，高放大倍数下的沙漠砂都表现出了表面附着微细晶粒的特征。

2.4 沙漠砂对混凝土强度的影响

2.4.1 沙漠砂混凝土抗压强度及增长规律

不同养护龄期沙漠砂混凝土强度变化规律（图5）显示：以DSC1组为例，图中62%表示该组混凝土7d龄期的强度可达到28d强度的62%，11%表示当龄期为60d时，混凝土试件的强度在28d强度的基础上增长了11%。

所有混合砂混凝土均能达到预期的设计强度，且沙漠砂混凝土强度普遍高于特细砂混凝土强度，说明按照本试验配合比设计流程制备沙漠砂混凝土具有实际可行性。在标准养护条件下，试件强度随龄期的增加而增长，且强度增长率随龄期的增大逐渐变缓，这和普通混凝土的强度增长规律一致。

同VFSC组试件一样，DSC3组和DSC7组在整个试验龄期内都表现出较大的强度增长速率，对试件原材料进行分析发现，3号和7号砂样具有明显较小的比表面积和较大的颗粒粒径（表6），表现出了较好的颗粒级配，并且其粒度分布范围较大，微细颗粒含量较高，而微细颗粒引起的非均相成核作用和火山灰效应以及混凝土内部孔隙结构的变化等都会影响水泥水化的过程和不同龄期混凝土的强度［4］。

除此之外，沙漠砂中的硫化物和硫酸盐含量也会对混凝土的性能造成一定的影响。结合表8和图5发现，试验龄期内强度增长速率较快的DSC3、DSC7和DSC8三组试件所对应的沙漠砂普遍具有较高的硫化物含量（分别为6.4%、3.9%和4.1%），综合沙漠砂微粉活性激发的相关研究结果［8，20］可知，造成这一现象的原因可能是天然沙漠砂中含有的硫酸盐类物质在水泥水化过程中能起到激发剂的作用，使得沙漠砂中的微细颗粒活性提升，从而提高了混凝土的抗压强度［20］。

通过以上分析可知，沙漠砂的掺入会引起混凝土强度发展速率的变化，且不同来源的沙漠砂对混凝土强度发展的影响表现不同。

2.4.2 相同细度模数下沙漠砂混凝土抗压强度

集料的细度对混凝土的力学性能有明显的影响。本试验配合比设计是在考虑细集料细度模数的基础上以新拌混凝土工作性能作为控制指标，因此造成了混合砂细度模数的差异。为了更好的分析沙漠砂物化性能对混凝土强度的影响，结合表3选择混合砂细度模数均为2.0的2、3、4、6号复配沙漠砂以及9号特细砂配制的混凝土进行分析，以最大限度排除复配细集料细度模数对混凝土强度的影响。

相同细度模数下不同沙漠砂混凝土抗压强度如图6所示。由图6可知：在细度模数相同的情况下，沙漠砂混凝土各龄期抗压强度均大于对照组VFSC，其中抗压强度最大的是DSC4组混凝土，结合沙漠砂物理性质测试结果（表6）可知，4号沙漠砂具有较大的堆积密度、较小的空隙率和较大的饱和面干吸水率。在混合砂细度模数相同的情况下，吸水率成为影响混凝土强度的主要因素，综合表5可知，满足新拌混凝土工作性的情况下，DSC4组所用减水剂掺量最多为1.90%，相当于在同样用水量时降低了拌和物的有效水灰比，在一定程度上有助于提高混凝土的抗压强度。

3 结论

（1）沙漠砂颗粒大小较为均匀，平均粒径为（0.2±0.06）mm，最大粒径不超过0.716mm；不同来源的沙漠砂细度模数差异较大，但均属于特细砂或粉砂的范畴。沙漠砂的含泥量（0.84%～14.02%）和吸水率（0.60%～6.75%）具有较大的分散性。沙漠砂的堆积密度在1 300～1 500kg/m3之间，表观密度在2 650～2 800kg/m3之间。

（2）天然沙漠砂的pH值在9左右，呈弱碱性；沙漠砂中的氯化物含量基本为0，有机质含量符合GB/T 14684—2022《建设用砂》相关规定，硫化物和硫酸盐含量较高，不符合GB/T 14684—2022《建设用砂》规定。

（3）沙漠砂中含量最多的3种氧化物分别是SiO2、Al2O3和CaO，其中SiO2占比在60%以上，表明沙漠砂是一种典型的硅质材料。沙漠砂的主要矿物组成是石英石（SiO2晶体）和长石类矿物，此外还有少量的堇青石、钼铁矿等。

（4）不同沙漠砂与机制砂复配拌制的混凝土强度形成过程不同，这和沙漠砂比表面积及颗粒粒径有关；沙漠砂中微细颗粒及硫化物含量对混凝土的强度发展规律有明显的影响。当混合砂细度模数相同时，天然沙漠砂的吸水率成为影响混凝土强度的主要因素。

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（责任编辑：编辑张忠）