劉雨冰 王建琦 李 倩

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概述

隨著國家基礎(chǔ)工程建設(shè)的飛速發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的進(jìn)程不斷加快，人們對生活質(zhì)量的要求也不斷提高。為了滿足人們的需要，各類建筑工程如雨后春筍般在城市中星羅棋布?，F(xiàn)有的工程實踐中，無論是公用建筑、民用建筑或是工業(yè)建筑，混凝土作為建設(shè)施工中使用量最大的材料，其需求量也變得越來越大。

砂作為混凝土的骨料，是混凝土最重要的原材料之一，隨著混凝土需求量的增大，砂消耗量也有不斷增大的趨勢。而我國粗、中砂等非再生資源嚴(yán)重短缺，亂采亂挖的現(xiàn)象也造成了較為嚴(yán)重的生態(tài)問題，為了合理利用資源，并且保護(hù)生態(tài)環(huán)境，尋找其他可替代的砂源勢在必行。

在西部大開發(fā)建設(shè)背景下，沙漠砂資源開始日益引起專家學(xué)者和工程人員的關(guān)注。我國的沙漠幅員遼闊，尤其在新疆等地，沙漠砂資源豐富，若能將沙漠砂作為混凝土的細(xì)骨料應(yīng)用在工程建設(shè)中，不僅能夠解決砂源匱乏的情況，還能就地取材，節(jié)約運(yùn)輸成本，降低工程造價，也能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境，踐行“既要金山銀山，也要綠水青山”的理念。在“一帶一路”的合作倡議下，中國力量不斷輸出海外，尤其以基建工程為主，例如在沙特阿拉伯的住房開發(fā)計劃中，國內(nèi)工程企業(yè)順應(yīng)時代潮流，狠抓機(jī)遇，獲得了大筆的訂單，沙特更是一個粗、中砂資源緊缺而沙漠砂資源豐富的國家，因地制宜尤為重要，在向海外開發(fā)市場及合理利用當(dāng)?shù)刭Y源促進(jìn)建設(shè)工程發(fā)展的要求及條件下，研究沙漠砂的特性以及沙漠砂混凝土的特性也顯得十分有必要。

2 淺析沙漠砂混凝土研究現(xiàn)狀

在現(xiàn)有沙漠砂的科研成果中，可以總結(jié)出當(dāng)前沙漠砂的研究思路主要有4個方向：1)研究沙漠砂混凝土的配合比；2)研究沙漠砂混凝土的力學(xué)性能；3)研究沙漠砂混凝土的耐久性能；4)研究沙漠砂混凝土的動態(tài)力學(xué)性能。該研究思路的內(nèi)核邏輯很清晰：首先，沙漠砂作為新型建筑材料應(yīng)用在工程建設(shè)中，缺乏應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、使用依據(jù)和工程經(jīng)驗，通過沙漠砂混凝土配合比的試配與確定，能夠明確并劃分沙漠砂混凝土的應(yīng)用范圍，并能通過確定最佳配合比，使原材料能發(fā)揮最佳性價比；其次，我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計以極限狀態(tài)設(shè)計方法為基礎(chǔ)，即承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，因而沙漠砂混凝土的力學(xué)性能和耐久性能應(yīng)當(dāng)做試驗分析，為沙漠砂混凝土在工程設(shè)計及工程施工中提供依據(jù)；最后，當(dāng)探討清楚沙漠砂混凝土的一些基本性能后，可進(jìn)一步深入研究沙漠砂混凝土的動態(tài)力學(xué)性能。相較于前三類而言，沙漠砂混凝土動態(tài)力學(xué)性能非常復(fù)雜，其研究的展開也存在一定的難度，因而動態(tài)力學(xué)性能方面的科研成果相對較少。現(xiàn)將上述科研方向的代表觀點分別論述如下：

在沙漠砂混凝土配合比的研究中，陳俊杰等[1]利用正交試驗方法對沙漠砂代替河砂配制的混凝土立方體強(qiáng)度進(jìn)行了試驗研究，并根據(jù)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，當(dāng)配合比水膠比0.4，灰砂比1∶1，沙漠砂替代率40%，粉煤灰摻量為10%，減水劑0.5%，可配制出滿足混凝土強(qiáng)度要求的沙漠砂混凝土。

在沙漠砂混凝土力學(xué)性能的研究中，劉海峰等[2]通過正交試驗分析了沙漠砂替代率及粉煤灰摻量對于沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的影響，試驗研究表明：隨著沙漠砂替代率增加，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，沙漠砂替代率為20%時，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度均達(dá)到最大值；隨著粉煤灰摻量增加，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度先增大后減小，粉煤灰摻量為10%時，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。表明著在沙漠砂作為骨料能夠為混凝土的強(qiáng)度提供作用，粉煤灰能夠改善沙漠砂混凝土的強(qiáng)度。

在沙漠砂混凝土耐久性能的研究中，馬荷姣等[3]通過設(shè)計水膠比、粉煤灰摻量、砂率和沙漠砂替代率四因素三水平正交試驗進(jìn)行沙漠砂混凝土抗碳化性能試驗，研究確定了不同碳化齡期下各因素對于沙漠砂碳化性能的影響順序，并綜合各因素對沙漠砂混凝土抗碳化性能影響，確定其最佳配合比為水膠比0.39，粉煤灰摻量10%，砂率30%，沙漠砂替代率30%。杜勇剛[4]通過設(shè)計四因素三水平正交試驗，進(jìn)行水膠比、粉煤灰摻量、砂率和沙漠砂替代率不同沙漠砂混凝土凍融試驗，確定了沙漠砂混凝土抗凍性能的最優(yōu)配合比，即水膠比0.34，粉煤灰摻量10%，砂率30%，沙漠砂替代率30%，并確定了沙漠砂混凝土抗凍性能中粉煤灰最佳摻量和沙漠砂最佳替代率分別為10%和20%。

在沙漠砂混凝土動態(tài)力學(xué)性能的研究中，劉海峰等[5]利用SHPB進(jìn)行沙漠砂混凝土動態(tài)沖擊壓縮試驗，分析速度對沙漠砂混凝土動態(tài)性能影響規(guī)律，并使用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析，數(shù)值模擬表明：沙漠砂混凝土具有明顯尺寸效應(yīng)；隨著粗骨料顆粒最小粒徑增大，沙漠砂混凝土峰值應(yīng)力逐漸減小；隨著粗骨料顆粒最大粒徑增大，沙漠砂混凝土峰值應(yīng)力呈先增大后減小趨勢；隨著粗骨料體積含量增大，沙漠砂混凝土峰值應(yīng)力呈先增大后減小趨勢。

分析各專家學(xué)者對于沙漠砂混凝土的研究試驗思路，結(jié)合上述代表的科研成果，可以發(fā)現(xiàn)：1)沙漠砂替代率是研究沙漠砂混凝土的一個重要參數(shù)；2)正交試驗設(shè)計的方法廣泛應(yīng)用于沙漠砂混凝土的研究中。

3 沙漠砂混凝土技術(shù)路線探討

產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型，工藝工法的升級，都離不開材料的創(chuàng)新和發(fā)展。沙漠砂作為近年來逐步浮現(xiàn)在人們視野中的工程材料，如何將沙漠砂高效利用，使得其能夠在工程實踐中發(fā)揮良好的工作性能，仍需繼續(xù)研究。

從沙漠砂的材料特性來看，有2個主要特點：1)沙漠砂本身由松散母巖風(fēng)化而成，其自身強(qiáng)度小于機(jī)制中砂；2)沙漠砂細(xì)度模數(shù)通常小于1.5，更有細(xì)者的模數(shù)小于0.7，為特細(xì)砂，單一使用沙漠砂配置的混凝土將會大量使用水泥，既不利于經(jīng)濟(jì)效益，也不利于環(huán)境保護(hù)。眾所周知，級配良好的砂，具有較小的孔隙率，用來配置的混凝土，不僅所需水泥漿較少，而且還可以提高混凝土的流動性、密實度和強(qiáng)度，因而在實踐中，混凝土用砂優(yōu)先選用級配良好的中砂(細(xì)度模數(shù)3.0～2.3)。結(jié)合沙漠砂的材料特性，可將沙漠砂與機(jī)制粗砂混合，使得混合砂的細(xì)度達(dá)到普通混凝土用砂的細(xì)度模數(shù)范圍內(nèi)，實現(xiàn)改善砂子顆粒級配并適當(dāng)調(diào)整混合砂的顆粒級配的目的，而當(dāng)沙漠砂替代率不斷增加，沙漠砂混凝土的強(qiáng)度在達(dá)到一個峰值后將會逐漸降低，因而研究出可以普遍適用在各類沙漠砂混凝土的最佳沙漠砂替代率具有顯著的工程價值和經(jīng)濟(jì)效益。此外，砂中的氯離子、含泥量是造成后期混凝土開裂的重要原因，在研究沙漠砂混凝土的科研試驗中，相關(guān)的檢測試驗也應(yīng)同步展開。

從沙漠砂混凝土的試驗方法來看，由于混凝土的組成成分較多，通常在試驗過程中還需考慮其他因素對混凝土性能的影響，多因素設(shè)計要求的試驗，其產(chǎn)生的難點是試驗數(shù)量龐大、試驗周期漫長，因而當(dāng)前科研人員一般采用正交試驗方法。正交試驗從全面試驗中挑選出部分代表性的點進(jìn)行試驗，是一種高效快速而經(jīng)濟(jì)的試驗方法。在沙漠砂混凝土的研究中采用正交試驗法有2個缺點：1)缺乏普遍性。正交試驗方法產(chǎn)生的試驗結(jié)論限定在該設(shè)計好的試驗方案中，試驗方案外的結(jié)論與規(guī)律尚不明確；2)存在主觀因素。試驗方案的確定依托于試驗人員文獻(xiàn)翻閱及個人經(jīng)驗，較缺乏試驗方案確定的依據(jù)?，F(xiàn)有沙漠砂混凝土尚未有全面試驗法的研究，采用全面試驗法將是更為系統(tǒng)的探索，對于各參數(shù)對沙漠砂混凝土的影響會達(dá)到更深刻的認(rèn)知。

從沙漠砂混凝土的組成成分來看，已有研究表明，少量粉煤灰能夠有效提高沙漠砂混凝土的強(qiáng)度、改善沙漠砂混凝土的性能，因而向沙漠砂混凝土加入適量的外加劑是有必要的。結(jié)合沙漠砂混凝土的研究現(xiàn)狀，有3點建議：1)摻入其他活性摻合料，如硅粉等，觀察活性摻合料對沙漠砂混凝土性能的影響；2)摻入其他摻合料，科研人員已有嘗試向沙漠砂混凝土中摻入滌綸纖維、碳纖維[6，7]等外加材料，均改善并提高了沙漠砂混凝土的性能，因而嘗試?yán)貌煌膿胶狭咸匦允沟蒙衬盎炷恋男阅艿玫礁纳频乃悸分档锰接懀?)使用復(fù)摻法，觀察多因素水平下復(fù)合摻料對沙漠砂混凝土性能的影響。

從沙漠砂混凝土的應(yīng)用范圍來看，在建設(shè)工程中大面積使用沙漠砂混凝土尚不成熟，因此可重點考慮將其應(yīng)用在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中，如輕質(zhì)節(jié)能的保溫屋面及保溫墻體?，F(xiàn)提出沙漠砂混凝土作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的2個應(yīng)用方案：1)與泡沫混凝土共同使用。泡沫混凝土是一種輕質(zhì)、保溫、隔熱耐火、隔音抗凍的混凝土材料，近年來廣泛應(yīng)用于屋面板工程中，泡沫混凝土配合比的設(shè)計有采用輕骨料和不采用骨料兩種方式，將沙漠砂混凝土與泡沫混凝土相結(jié)合，制備以沙漠砂為細(xì)骨料的泡沫混凝土，可以在成本變動不大的基礎(chǔ)上改善混凝土的力學(xué)性能，提高結(jié)構(gòu)整體工作性；2)與陶?；炷凉餐褂?。陶?；炷良p質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、抗震等優(yōu)點于一身，將沙漠砂混凝土與陶?；炷两Y(jié)合，利用沙漠砂生產(chǎn)陶?；炷?，不僅可提高房屋的抗震、保溫性能，還能合理利用資源。在一些對保溫有要求的低層的裝配式建筑中，可將上述方案應(yīng)用在裝配式構(gòu)件中，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的需要。

4 結(jié)語

在當(dāng)前工程建設(shè)的環(huán)境背景下，沙漠砂混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景，研發(fā)使用沙漠砂混凝土對于發(fā)揮地區(qū)優(yōu)勢、發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義，國內(nèi)外學(xué)者也因此保有極大熱情。當(dāng)前，沙漠砂混凝土的研究應(yīng)用仍在探索和試驗階段，通過分析與總結(jié)專家學(xué)者對于沙漠砂混凝土性能的認(rèn)識，結(jié)合沙漠砂的材料特性及沙漠砂混凝土的各項性能，從試驗方法、組成成分、應(yīng)用范圍等方面展望了沙漠砂混凝土研究的想法與方向，為沙漠砂混凝土進(jìn)一步的學(xué)習(xí)與深入提供了思路，為其在實際工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。