劉 超,林 鑫,朱 超,劉化威

(1.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院,陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

1 前 言

近年來,我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域大力發(fā)展,混凝土的消耗量與日俱增,對(duì)砂石等自然資源的需求不斷增加[1]。建筑業(yè)長(zhǎng)期粗放的開采方式不僅導(dǎo)致我國(guó)砂石等天然資源嚴(yán)重短缺,而且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。據(jù)中國(guó)砂石協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示,2018～2019年,我國(guó)從東南亞進(jìn)口河砂共2 512.58噸,僅廣東惠州、梅州、河源、清遠(yuǎn)等地的砂子缺口高達(dá)2 000萬方,全國(guó)每年河砂缺口更是高達(dá)上億噸。目前,機(jī)制砂廣泛應(yīng)用在砂石骨料市場(chǎng),成為河砂主要的替代資源。然而機(jī)制砂的生產(chǎn)成本較高、顆粒棱角尖銳、表面粗糙、級(jí)配較差,對(duì)混凝土和易性、強(qiáng)度及耐磨性等都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[2]。因此,河砂和機(jī)制砂無論從資源可持續(xù)發(fā)展還是保護(hù)環(huán)境的角度來看,都不能滿足當(dāng)前建設(shè)規(guī)模的需求,亟需尋找新的天然砂石骨料替代品。

我國(guó)北方部分地區(qū)沙漠化問題嚴(yán)重,沙漠面積8.089×105km2,約占國(guó)土總面積的8.4%[3],沙漠地區(qū)的風(fēng)沙被搬運(yùn)到?jīng)_積平原地區(qū)而逐漸形成風(fēng)積沙[4]。與機(jī)制砂相比較,風(fēng)積沙是一種天然固體廢棄物,具有儲(chǔ)備量大,價(jià)廉等優(yōu)勢(shì)。采用風(fēng)積沙部分地取代河砂制備混凝土,對(duì)于降低工程造價(jià)、保護(hù)環(huán)境和合理開發(fā)利用自然資源都具有重要意義。圖1統(tǒng)計(jì)了從1986年到2019年間中國(guó)知網(wǎng)以及2002年到2019年間Web of Science核心合集中有關(guān)風(fēng)積沙混凝土的學(xué)術(shù)論文數(shù)量,充分說明在過去的十年中,風(fēng)積沙混凝土的關(guān)注度越來越高。Zhang 等[5]、Padmakumar等[6]相繼開展研究,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙可以部分替代河砂生產(chǎn)性能更優(yōu)良的混凝土。

圖1 學(xué)術(shù)論文數(shù)量 (a)中國(guó)知網(wǎng)；(b)Web of Science核心合集Fig.1 Number of academic papers (a)CNKI；(b)Web of Science core collection

2 風(fēng)積沙的物理化學(xué)特征

2.1 風(fēng)積沙的物理性質(zhì)和化學(xué)成分

不同地區(qū)的風(fēng)積沙,其物化特征也不同。筆者整理了部分文獻(xiàn)中我國(guó)沙漠地區(qū)風(fēng)積沙的研究成果,其基本物理性質(zhì)如表1所示,化學(xué)成分如表2所示。

表1 風(fēng)積沙的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of aeolian sand

表2 風(fēng)積沙的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of aeolian sand

根據(jù)GB/T 14684ˉ2001《建筑用砂》[7]的規(guī)定,風(fēng)積沙的表觀密度、堆積密度、含泥量等物理性質(zhì)均滿足建筑工程用砂的要求。風(fēng)積沙是特細(xì)砂,部分地區(qū)的風(fēng)積沙的粒徑甚至更小。與河砂相比,風(fēng)積沙級(jí)配更差,級(jí)配曲線顯得更加狹長(zhǎng)陡峭[8],如圖2所示。由于沙漠地區(qū)降水量少,地下水位深,水分蒸發(fā)量大,風(fēng)積沙的含水量在0%～4%之間[9]。

圖2 粒徑分布曲線[8]Fig.2 Particle size distribution curves[8]

大部分地區(qū)的風(fēng)積沙中硫酸鹽和氯化物的含量較少[9],滿足JGJ 52ˉ2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]的要求。Seif等[11]測(cè)試出沙特阿拉伯西部的麥加和吉達(dá)地區(qū)風(fēng)積沙的礦物組成如圖3所示,主要物相包括石英(88%)、長(zhǎng)石(9%)和少量碳酸鹽(2.2%)。張德媛[12]發(fā)現(xiàn)我國(guó)毛烏素沙漠風(fēng)積沙主要由巖屑、長(zhǎng)石和石英三種顆粒組成,石英占73%,斜長(zhǎng)石占15%,正長(zhǎng)石占8%,粘土礦物多為伊利石,占2%,重礦物有角閃石,占1%,巖屑由火成巖、變質(zhì)巖等組成。風(fēng)積沙中活性二氧化硅顆粒含量較少,因此,發(fā)生堿-骨料反應(yīng)的可能性較低。Zheng等[13]發(fā)現(xiàn)中國(guó)北方地區(qū)的風(fēng)積沙p H 值在7.76～8.57之間。

圖3 風(fēng)積沙的XRD分析[11]Fig.3 X-ray diffraction pattern of aeolian sand[11]

2.2 風(fēng)積沙和河砂的形貌特征

風(fēng)積沙被風(fēng)沙流搬運(yùn)到?jīng)_積平原地區(qū)[4],其特殊的形貌特征與長(zhǎng)期的風(fēng)力搬運(yùn)密切相關(guān),沙粒通過躍移和蠕移的方式向前移動(dòng),這兩種移動(dòng)方式使得沙粒之間的碰撞摩擦力增大,其表面磨蝕程度提高,呈現(xiàn)出較為光滑的顆粒表面[18]。河砂形成于水中,由于水的搬運(yùn)、磨蝕、沉積等機(jī)械破壞作用,沙粒磨圓度較低,呈不規(guī)則形狀,其表面存在形狀各異的凹痕。圖4和圖5分別為風(fēng)積沙和河砂的掃描電鏡照片,從圖可見,風(fēng)積沙粒徑比河砂小,磨圓度更高,凸起的尖銳棱角相對(duì)較少[19-20]。這與李玉根等[21]的研究結(jié)論相似。放大倍數(shù)提高后,顯微照片顯示風(fēng)積沙顆粒為橢圓形的片狀,表面平坦,如圖6所示。在更高的放大倍率下,顆粒表面存在平整的解理面、上翻的解理面和貝狀斷口等常見的表面特征[9],晶粒表面的貝狀斷口會(huì)降低了顆粒的圓度[6]。

圖4 風(fēng)積沙的SEM 照片[19]Fig.4 SEM image of aeolian sand[19]

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

圖6 風(fēng)積沙表面形貌[9]Fig.6 Grain surface textures of aeolian sand at diverse scales[9]

3 風(fēng)積沙混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

3.1 概率方法

3.1.1 正交試驗(yàn) 由于風(fēng)積沙顆粒級(jí)配較差,粒徑分布不能滿足普通混凝土細(xì)骨料用砂標(biāo)準(zhǔn),因此不能直接使用《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[22]設(shè)計(jì)配合比,大部分試驗(yàn)研究通過正交試驗(yàn)確定風(fēng)積沙的最佳取代率,從而確定風(fēng)積沙混凝土的配合比。謝春磊等[23]設(shè)計(jì)了4因素3水平的正交試驗(yàn)確定C50高強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)配合比,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙取代率在0%～40%之間時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)積沙取代率增大而增大。此外,陳俊杰等[24]、韓冠生等[25]也通過正交試驗(yàn)確定了風(fēng)積沙混凝土的配合比,風(fēng)積沙最佳取代率也在0%～40%之間。

3.1.2 響應(yīng)面分析法 正交試驗(yàn)是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),雖然能找出最優(yōu)值,但難以直觀地判別優(yōu)化區(qū)域并給出的整個(gè)區(qū)域上因素和響應(yīng)值之間的一個(gè)明確的函數(shù)表達(dá)式,從而無法找到整個(gè)區(qū)域上因素的最佳組合和響應(yīng)值的最優(yōu)值,響應(yīng)面分析法在很大程度上滿足了這些要求。Hadjoudja 等[26]設(shè)計(jì)了基于中心組合設(shè)計(jì)(CCD)的統(tǒng)計(jì)模型,研究不同因素對(duì)風(fēng)積沙混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響,確定了不同因素對(duì)各響應(yīng)值的影響。所建立的模型可以平衡各因素之間的關(guān)系,從而制備性能更加優(yōu)良的風(fēng)積沙混凝土。Yan等[27]也采用類似的方法給出了水灰比等因素對(duì)工作性能和力學(xué)性能的影響,并提出了配合比的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn),以滿足風(fēng)積沙混凝土各方面性能要求。

3.2 最緊密堆積理論

風(fēng)積沙的填充效應(yīng)是其改善混凝土性能十分重要的一環(huán),研究粗骨料和細(xì)骨料、骨料和漿體之間的最密實(shí)度填充狀態(tài),有利于優(yōu)化風(fēng)積沙混凝土配合比設(shè)計(jì)。賀業(yè)邦等[28]利用Dinger-Funk緊密堆積理論優(yōu)化粗、細(xì)骨料比例和風(fēng)積沙、普通砂混合比例,發(fā)現(xiàn)混凝土密度得到有效提升,工作性能和力學(xué)性能得到優(yōu)化。Chu等[29]采用修正的Andreasen&Andersen顆粒堆積模型設(shè)計(jì)了風(fēng)積沙超高性能混凝土的配合比,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙可制備出滿足力學(xué)性能要求的超高性能混凝土。

綜上,目前風(fēng)積沙混凝土配合比設(shè)計(jì)理論方面的研究較少,基于概率統(tǒng)計(jì)方法的配合比設(shè)計(jì)導(dǎo)致物力人力浪費(fèi)較大,風(fēng)積沙的優(yōu)勢(shì)在于其超細(xì)的顆粒粒徑帶來的填充效應(yīng),應(yīng)充分發(fā)揮粒徑優(yōu)勢(shì),采用顆粒最緊密堆積理論來設(shè)計(jì)配合比,使混凝土干混料密實(shí)度更高,從而滿足混凝土基本性能要求。不僅可以節(jié)省人力物力,也為風(fēng)積沙混凝土配合比設(shè)計(jì)提供了新思路。

4 風(fēng)積沙對(duì)混凝土工作性能的影響

風(fēng)積沙顆粒粒徑小,比表面積較大,吸水率較強(qiáng),采用風(fēng)積沙制備混凝土可提高混凝土的保水性,但需水量也隨之增大。大部分風(fēng)積沙顆粒磨圓度較高,針片狀顆粒含量較少,這種磨圓度較高、粒徑小的風(fēng)積沙顆粒能有效改善骨料級(jí)配,降低基體孔隙率,這正是其影響拌合物和易性的主要方面[11,21],風(fēng)積沙混凝土新拌漿體坍落度與風(fēng)積沙取代率之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 風(fēng)積沙摻量對(duì)坍落度的影響[30-32]Fig.7 Influences of aeolian sand content on slump[30-32]

Li等[30]、Al-Harthy 等[31]、Amel等[32]發(fā)現(xiàn)混凝土坍落度隨著風(fēng)積沙摻量增加先增加后降低。其中相對(duì)坍落度定義為摻風(fēng)積沙的混凝土(摻量為10%～100%)坍落度與未摻風(fēng)積沙的混凝土(摻量為0%)坍落度之比,對(duì)混凝土坍落度而言,風(fēng)積沙的最佳取代率在20%～60%之間。宏觀來看,坍落度的增加與風(fēng)積沙顆粒形貌特征有關(guān)。球狀顆粒比角狀或形狀不好的顆粒更容易移動(dòng),可發(fā)揮較好的“滾珠”效應(yīng),提高新拌漿體的工作性能；然而當(dāng)風(fēng)積沙摻量增加,細(xì)沙顆粒含量增加,細(xì)骨料的粒徑分布發(fā)生顯著變化,漿體的流動(dòng)性降低。細(xì)骨料粒徑越小,混凝土流動(dòng)性就越差[31]。微觀來看,風(fēng)積沙摻量較低時(shí),可發(fā)揮較好的填充效應(yīng),填充了細(xì)骨料中較大河砂顆粒帶來的孔隙,系統(tǒng)內(nèi)填充水向自由水逐步轉(zhuǎn)化,混凝土工作性能得到改善；但隨著風(fēng)積沙摻量不斷增加,風(fēng)積沙的填充效應(yīng)達(dá)到閾值,由于細(xì)沙摻量較大,細(xì)骨料比表面積增大,吸水率增強(qiáng),細(xì)沙顆粒在其表面吸水,吸附水含量隨著風(fēng)積沙摻量增加而增加。系統(tǒng)內(nèi)自由水向吸附水逐步轉(zhuǎn)化,混凝土工作性能逐步降低,坍落度減小[33]。

Bouziani等[34-35]研究表明,風(fēng)積沙摻量為10%時(shí),砂漿粘度最小,漏斗試驗(yàn)比摻量為0%的對(duì)照組砂漿用時(shí)少,風(fēng)積沙摻量較低時(shí),發(fā)揮了較好的填充效應(yīng),充分填充了河砂大顆粒的孔隙,使得填充這部分孔隙的漿體得到釋放,更多的漿體用于提升砂漿的流動(dòng)性。但Rmili等[36]得到了不同的結(jié)論,即風(fēng)積沙的摻入提高了混凝土粘度。

綜上,無論是采用坍落度試驗(yàn)還是漏斗試驗(yàn)來研究風(fēng)積沙摻量對(duì)混凝土工作性能的影響,均可得出如下結(jié)論:即混凝土流動(dòng)性能隨風(fēng)積沙摻量增加先提高后降低,而最佳摻量與風(fēng)積沙產(chǎn)地有關(guān)。如圖7所示,就混凝土坍落度而言,我國(guó)毛烏素沙漠地區(qū)的風(fēng)積沙最佳摻量為20%[30],阿曼和阿爾及利亞的風(fēng)積沙最佳摻量為30%～60%[31-32],這是因?yàn)槲覈?guó)毛烏素沙漠地區(qū)的風(fēng)積沙細(xì)度模數(shù)更低,其比表面積大于西亞和北非地區(qū)的風(fēng)積沙,吸水率更高,流動(dòng)性更差。這與Elipe等[9]得到的結(jié)論相似,即東亞地區(qū)風(fēng)積沙的比重更高,顆粒更細(xì)。因此,采用風(fēng)積沙制備混凝土?xí)r,要根據(jù)風(fēng)積沙的細(xì)度模數(shù)選擇合適的摻量,細(xì)度模數(shù)越低,摻量越小。如表1所示,我國(guó)各沙漠地區(qū)的風(fēng)積沙細(xì)度模數(shù)偏小,因此本文建議風(fēng)積沙摻量控制在20%以內(nèi),以確保混凝土具備良好的流動(dòng)性能。風(fēng)積沙提高混凝土工作性能的作用機(jī)理可以歸納為幾點(diǎn):①風(fēng)積沙的圓度更高,粒徑小,起“微滾珠”作用。②風(fēng)積沙填充孔隙后釋放了本用來填充這部分孔隙的水和漿體。

5 風(fēng)積沙對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

風(fēng)積沙的粒徑在0.08～0.80 mm 之間,級(jí)配均勻,適量取代河砂作為細(xì)骨料可以提高混凝土密實(shí)性,進(jìn)而提高其抗壓強(qiáng)度。已有學(xué)者研究了風(fēng)積沙取代率和抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系[15,31,37-40],筆者對(duì)他們的研究成果進(jìn)行了整理,取代率與相對(duì)抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖8所示,相對(duì)抗壓強(qiáng)度定義為風(fēng)積沙混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與對(duì)照組(不摻風(fēng)積沙)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度之比。

圖8 風(fēng)積沙取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響[15,31,37-40]Fig.8 Influences of aeolian sand content on compressive strength

研究結(jié)果表明,隨著風(fēng)積沙取代率增大,抗壓強(qiáng)度先增大后減小,風(fēng)積沙的最佳取代率為20%～60%,28 d抗壓強(qiáng)度提高了0.6%～8%；當(dāng)風(fēng)積沙取代率為100%時(shí),與對(duì)照組混凝土相比,28 d抗壓強(qiáng)度降低了10%～25%。宏觀而言,當(dāng)取代率較低時(shí),粗骨料、河砂、風(fēng)積沙和膠材形成了連續(xù)級(jí)配體系,風(fēng)積沙主要用來填充骨料孔隙,使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí),抗壓強(qiáng)度隨之提高；隨著取代率逐漸增加,風(fēng)積沙的填充效應(yīng)達(dá)到閾值,細(xì)骨料級(jí)配出現(xiàn)斷層,工作性能下降,孔隙率增加,從而降低抗壓強(qiáng)度。

Li等[15,30]對(duì)風(fēng)積沙混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了多尺度研究,從微觀層面分析了風(fēng)積沙對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響機(jī)理。研究表明,風(fēng)積沙提升混凝強(qiáng)度的原因與其自身粒徑小、吸水率較高等物化特征有關(guān)。摻量合適時(shí),其填充效應(yīng)和非均勻形核,降低了混凝土內(nèi)部孔隙率,增加了結(jié)構(gòu)的密實(shí)度；適量的風(fēng)積沙可縮短砂漿與粗骨料、漿體與砂之間的組合裂縫寬度,增強(qiáng)界面過渡區(qū)的顯微硬度；堿性環(huán)境下,風(fēng)積沙中活性SiO2和Al2O3的Si—O 鍵和Al—O 鍵解聚和斷裂,與系統(tǒng)中的OHˉ和Ca2+形成更多的C-S-H 和C-A-H,這些水化產(chǎn)物進(jìn)一步交織成網(wǎng)狀,甚至結(jié)晶成塊狀,填充水泥石內(nèi)部孔隙和漿體與骨料之間的組合裂縫,從而改善了混凝土內(nèi)部的孔徑分布和界面過度區(qū)結(jié)構(gòu),這些活性成分參與水化反應(yīng)的過程如圖9 所示。Luo等[34]研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙中粒徑小于175μm 的顆粒具有非均質(zhì)形核作用,這些顆粒為水化產(chǎn)物提供形核點(diǎn),縮短形核中心與水泥顆粒之間的距離,降低了形核能壘。這是風(fēng)積沙影響水泥水化的微觀物理過程；風(fēng)積沙的活性效應(yīng)主要取決于風(fēng)積沙的細(xì)度和其中可溶性非晶質(zhì)SiO2的含量。風(fēng)積沙摻量過高會(huì)弱化界面過渡區(qū),增加混凝土內(nèi)部有害孔隙數(shù)量,形成初始裂縫；降低膠凝材料與骨料之間的夾持力,最終導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。但Al-Harthy等[31]、Seif等[40]得到了不同的結(jié)論,即混凝土抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)積沙摻量增加呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)椴煌貐^(qū)風(fēng)積沙的物化特征存在差異。

圖9 水化反應(yīng)過程示意圖[30]Fig.9 Diagram of the hydration reaction process

綜上,填充效應(yīng)和活性SiO2的火山灰效應(yīng)是風(fēng)積沙提高混凝土強(qiáng)度的主要手段,填充效應(yīng)是主要方面,而對(duì)孔隙的填充效果與風(fēng)積沙顆粒的細(xì)度模數(shù)有著密切的關(guān)系。與沙特阿拉伯地區(qū)和阿曼地區(qū)的風(fēng)積沙[31,40]相比較,我國(guó)古爾班通古特沙漠以及毛烏素沙漠地區(qū)的風(fēng)積沙[15,37-39]細(xì)度模數(shù)更低,因此對(duì)孔隙的填充效果更好。如圖8所示,對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度而言,采用沙特和阿曼地區(qū)的風(fēng)積沙制備的混凝土抗壓強(qiáng)度相較對(duì)照組混凝土而言有所下降,最佳取代率為0%；而古爾班通古特以及毛烏素沙漠地區(qū)的風(fēng)積沙最佳取代率為20%。王堯鴻等[41]研究了不同摻量的庫(kù)布齊沙漠風(fēng)積沙對(duì)三類不同粒徑分布的河砂細(xì)骨料空隙率的影響,確定了庫(kù)布齊風(fēng)積沙對(duì)不同細(xì)度模數(shù)河砂的最佳取代率,對(duì)其他地區(qū)的風(fēng)積沙,該方法具有一定的參考價(jià)值。風(fēng)積沙中活性SiO2的火山灰效應(yīng)是次要方面,如表2所示,我國(guó)風(fēng)積沙中SiO2含量在80%左右,而澳大利亞中部沙漠地區(qū)的風(fēng)積沙中SiO2含量為94.8%[34],因此,我國(guó)風(fēng)積沙中可溶性非晶質(zhì)SiO2含量較少,火山灰效應(yīng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的提升效果較弱。目前,相關(guān)研究成果表明,適量風(fēng)積沙取代河砂可以在一定程度上提高混凝土力學(xué)性能,不同文獻(xiàn)中得到的風(fēng)積沙最佳取代率有所差異。本文對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)歸納,建議風(fēng)積沙摻量控制在30%以內(nèi),以確保其對(duì)混凝土力學(xué)性能有一定的改善效果。此外,對(duì)全取代率風(fēng)積沙混凝土試驗(yàn)研究較少,大量、深化的試驗(yàn)研究后,才能找到更好的改性方法,提高風(fēng)積沙的利用率,促進(jìn)風(fēng)積沙的應(yīng)用推廣。

6 風(fēng)積沙對(duì)混凝土耐久性能的影響

6.1 抗凍性能

6.1.1 水凍 孔隙特征與混凝土抗凍性能密切相關(guān),風(fēng)積沙的填充效應(yīng)、活性效應(yīng)能夠改善混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu),從而提高其抗凍性能。薛慧君等[42]研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)積沙取代率為40%時(shí),混凝土氣泡間距系數(shù)為310μm,硬化混凝土含氣量為最小值2.15%,混凝土的抗凍性能達(dá)最佳。董偉等[43-44]研究了風(fēng)積沙對(duì)浮石輕骨料混凝土抗凍性能的影響,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙摻入后對(duì)輕骨料混凝土的凍融破壞具有雙重影響。摻量大于30%時(shí),風(fēng)積沙加劇混凝土的凍融破壞；摻量小于30%時(shí),內(nèi)部損傷被抑制。因此,最佳取代率為20%～30%。吳俊臣等[45]研究了不同摻量的風(fēng)積沙對(duì)混凝土抗凍性能的影響,當(dāng)摻量為60%～100%時(shí),基體內(nèi)部封閉孔隙增加,風(fēng)積沙對(duì)混凝土內(nèi)部損傷的發(fā)展起到抑制與釋放作用,其抗凍性能顯著優(yōu)于不摻風(fēng)積沙或摻量少的混凝土。但薛慧君等[46]發(fā)現(xiàn),風(fēng)積沙摻量為40%時(shí),經(jīng)歷200 次凍融循環(huán)后混凝土的孔隙率最低,小尺寸孔隙量增多,凍融損傷破壞進(jìn)程延緩,說明其微觀孔徑演變與宏觀抗凍性優(yōu)劣存在關(guān)聯(lián)。

6.1.2 鹽凍 何靜等[47]研究了氯鹽凍融作用下風(fēng)積沙水泥砂漿的抗凍性能,發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻入15%風(fēng)積沙時(shí),砂漿的氣泡間距系數(shù)降至196μm,含氣量降為3.14%,水泥砂漿的抗凍性能最佳。蘇英[48]發(fā)現(xiàn),氯鹽凍融作用下100%摻量的風(fēng)積沙混凝土內(nèi)部只有少量獨(dú)立的孔洞貫穿,平均氣泡間距最小,內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)完善,氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低,抗凍性能最佳。鄒欲曉等[49]研究了MgSO4-凍融作用下風(fēng)積沙混凝土的抗凍性能,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙的加入改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),且摻量越高,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實(shí),孔隙和微裂紋越小,其對(duì)混凝土抗凍性能有明顯提升作用。

6.2 抗氯離子、碳化性能

混凝土中自由氯離子含量是評(píng)價(jià)混凝土耐氯離子侵蝕的重要指標(biāo)。董偉等[50]研究了鹽凍作用下風(fēng)積沙摻量對(duì)混凝土氯離子滲透性的影響,發(fā)現(xiàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨風(fēng)積沙摻量增加先減小后增大,風(fēng)積沙摻量25%時(shí)達(dá)到最低值,適量的風(fēng)積沙摻入能夠抵擋氯離子入侵。摻入風(fēng)積沙提高混凝土抗氯鹽侵蝕能力的原因主要體現(xiàn)在兩方面[51]。首先,F鹽等晶體產(chǎn)物可發(fā)揮填充效應(yīng)填充膠凝孔,增加了水泥石的結(jié)構(gòu)密實(shí)度；其次,風(fēng)積沙摻量較低時(shí),可充分發(fā)揮填充效應(yīng),基體孔隙率降低,部分氯離子侵蝕通道被阻斷。因此,風(fēng)積沙混凝土呈現(xiàn)出較好的抗氯離子滲透性能。

吳俊臣等[52]研究了風(fēng)積沙摻量對(duì)混凝土碳化性能的影響,發(fā)現(xiàn)摻量小于60%時(shí),CO2擴(kuò)散系數(shù)隨著摻量的增加而降低,當(dāng)摻量大于60% 時(shí),CO2擴(kuò)散系數(shù)隨摻量的增加而增加。整體來看風(fēng)積沙混凝土的抗碳化性能明顯優(yōu)于普通混凝土。Zou[53]、Li等[54]同樣指出,風(fēng)積沙摻入后可以提高混凝土抗碳化性能。

6.3 收縮、開裂性能

風(fēng)積沙的填充效應(yīng)以及較強(qiáng)的吸水率降低了混凝土內(nèi)部孔隙率,提升保水性,開裂敏感性降低,收縮率降低[55]。李根峰等[56]研究了風(fēng)積沙摻量對(duì)混凝土收縮變形性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著摻量的增加,收縮變形的變化規(guī)律為開始時(shí)持續(xù)上升到最后趨于穩(wěn)定,收縮率的穩(wěn)定值逐漸增大；收縮變形持續(xù)時(shí)間逐漸變長(zhǎng),澆筑后3 d內(nèi)收縮變形較明顯,3 d后基本不再收縮。

風(fēng)積沙顆粒圓度更高,與棱角狀的河砂顆粒相比較,骨料之間的約束力更小,且隨風(fēng)積沙摻量增加而減小,導(dǎo)致混凝土抗裂性能降低[57]。Tebbal等[58]也得到了相似的結(jié)論,即風(fēng)積沙能有效削弱混凝土的干燥收縮。

綜上,對(duì)于抗凍性能而言,不能僅根據(jù)相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率的變化來判斷風(fēng)積沙混凝土抗凍性能。通過氣泡結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[42,47]、核磁共振技術(shù)[43-46],并配合X 射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)的多尺度研究方法分析風(fēng)積沙對(duì)混凝土抗凍性能的影響,其試驗(yàn)結(jié)果更具說服力。同時(shí),風(fēng)積沙的填充效應(yīng)是其提升混凝土耐久性能的主要手段,低摻量時(shí),結(jié)構(gòu)密實(shí)度提升,從而混凝土抵御不利環(huán)境和有害物質(zhì)侵害的能力變強(qiáng)。此外,風(fēng)積沙中活性SiO2既然能在堿性環(huán)境下發(fā)生火山灰反應(yīng),則同時(shí)也需考慮發(fā)生堿骨料反應(yīng)帶來結(jié)構(gòu)膨脹、開裂等危害。目前,相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明,適量的風(fēng)積沙可以提高混凝土耐久性能,這主要?dú)w因于風(fēng)積沙的填充效應(yīng),結(jié)構(gòu)密實(shí)度提高,混凝土耐久性隨之提高。

7 風(fēng)積沙混凝土性能的改善途徑

7.1 纖維強(qiáng)化增韌

7.1.1 金屬纖維 Kachouh等[59]研究了鋼纖維摻量對(duì)風(fēng)積沙再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度隨摻量增大而增大。當(dāng)鋼纖維摻量為3%時(shí),混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度提高10%以上。王勇升[60]研究了鋼纖維摻量對(duì)風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響,發(fā)現(xiàn)纖維摻量為1.5%時(shí),混凝土力學(xué)性能的提升幅度最大。與此同時(shí),摻入鋼纖維也能夠提高風(fēng)積沙混凝土的抗凍性能。Belferrag等[61]將廢輪胎中的金屬纖維摻入風(fēng)積沙混凝土中,發(fā)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度與纖維的材料屬性、取向分布、摻量、纖維與基體之間的粘結(jié)力有很大關(guān)系。B.Boulekbache等[62]也證實(shí)了纖維取向分布是影響風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度的重要因素。

7.1.2 玄武巖纖維 董偉等[63]研究了玄武巖纖維摻量對(duì)風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維摻量小于1.5 kg/m3時(shí),隨著纖維摻量增加,混凝土力學(xué)性能提高,當(dāng)摻量超過1.5 kg/m3時(shí),力學(xué)性能開始下降。蔣喆等[64]研究表明,玄武巖纖維摻量為0.1%時(shí),風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能的提升幅度最大。纖維對(duì)混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔產(chǎn)生一種擠壓力,在這種擠壓力的作用下,毛細(xì)孔截面減小或者坍塌,有可能會(huì)被整體堵塞。在這樣一種纖維分布體系下,纖維對(duì)混凝土內(nèi)部起到的約束作用整體增強(qiáng),混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更為緊密,各類孔隙之間聯(lián)系減少,數(shù)量降低,有利于提高風(fēng)積沙混凝土的抗?jié)B透性能和抗凍性能。

7.1.3 其他纖維 Chen等[65-66]研究了聚乙烯醇纖維摻量對(duì)風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)纖維摻量在0.4%～0.8%之間時(shí),28 d抗壓強(qiáng)度提高9%以上。包建強(qiáng)等[67]研究表明,聚丙烯纖維摻入后,抗壓強(qiáng)度并沒有提高,甚至當(dāng)風(fēng)積沙取代率為90%,纖維摻量為1.5 kg/m3時(shí),抗壓強(qiáng)度達(dá)到最小值30.06 MPa,與對(duì)照組混凝土相比,抗壓強(qiáng)度降低了14.63%。造成抗壓強(qiáng)度下降的主要原因是纖維的結(jié)團(tuán)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)孔隙增加,密實(shí)度下降。楊正宏等[68]研究表明,聚丙烯纖維能夠縮短風(fēng)積沙砂漿裂縫長(zhǎng)度,減少裂縫總數(shù)和長(zhǎng)裂縫數(shù)量,摻量為1.3 kg/m3時(shí),砂漿相對(duì)開裂指數(shù)降至22,裂縫總數(shù)比對(duì)照組混凝土減少78%,對(duì)混凝土的改善效果最佳。Bederina等[69]采用四種處理方式處理大麥秸稈纖維,研究不同處理方式的纖維摻入后對(duì)風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過油漆處理后的纖維摻入后對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度提升效果最好,與未經(jīng)處理的對(duì)照組混凝土相比較,抗壓強(qiáng)度提升了66.2%,經(jīng)過其他三種處理方式處理后的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度均有所提高。劉洋等[70]研究了不同種類的纖維對(duì)全風(fēng)積沙超高性能混凝土收縮性能的影響,發(fā)現(xiàn)纖維的摻入可以有效抑制全風(fēng)積沙超高性能混凝土的早期自收縮,在一定范圍內(nèi),隨著纖維摻量的增加,抑制效果提升,其中聚乙烯醇纖維的抑制效果最好。

綜上,各類纖維對(duì)風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能及耐久性能的改善效果有所不同,主要提高風(fēng)積沙混凝土的抗裂、抗拉及延性性能,其作用機(jī)理與普通混凝土類似,但強(qiáng)度和抗裂性能受纖維摻量影響的變化規(guī)律,仍需深化研究。此外,纖維長(zhǎng)徑比、形狀等重要參數(shù)的影響亟待深化研究。目前,以單一種類纖維摻入的改性方式為主,多種纖維復(fù)合摻入時(shí),對(duì)風(fēng)積沙混凝土性能的改善效果研究鮮有報(bào)道。纖維強(qiáng)化增韌的混凝土性能改善方法是值得肯定的,對(duì)風(fēng)積沙混凝土的推廣應(yīng)用有很大幫助。

7.2 摻入礦物摻合料

7.2.1 粉煤灰 粉煤灰、硅灰、礦渣等摻合料目前的市場(chǎng)應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,Fattah 等[71],Al-Homidy等[72]已經(jīng)證實(shí)了這些摻合料可以改善風(fēng)積沙混凝土性能。付杰等[73-74]研究了粉煤灰摻量對(duì)風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量為10%～15%時(shí),對(duì)風(fēng)積沙混凝土力學(xué)性能的改善效果最好,抗壓強(qiáng)度提高5%以上,如圖10 所示。即使是全風(fēng)積沙混凝土,10%摻量的粉煤灰也可提高其強(qiáng)度。粉煤灰摻量較少時(shí),主要發(fā)揮填充孔隙的作用,提升了結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,從而提高了抗壓強(qiáng)度。Hilal El-Hassan,Ismail N等[75-76]采用風(fēng)積沙和粉煤灰制備輕質(zhì)地聚合物混凝土以及堿激活礦渣混凝土,結(jié)果表明,粉煤灰摻量為25%時(shí),混凝土后期抗壓強(qiáng)度有所提升。董偉等[77]也證實(shí)了粉煤灰在風(fēng)積沙混凝土水化后期可發(fā)生火山灰反應(yīng),生成水化硅酸鈣膠凝體,提高了混凝土強(qiáng)度。

圖10 粉煤灰對(duì)風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[73]Fig.10 Influences of fly ash on compressive strength of aeolian sand concrete[73]

7.2.2 礦渣 礦渣粒徑較小,可以優(yōu)化混凝土干混料的粒徑分布,發(fā)揮填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。Jiang等[78]用礦渣部分取代水泥制備風(fēng)積沙水工混凝土,結(jié)果表明摻入礦渣可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度,摻量為170 kg/m3時(shí),強(qiáng)度提高5%～15%。與此同時(shí)礦渣改善了風(fēng)積沙混凝土的耐久性能,提高其抗沖磨性能,降低收縮率。

綜上,礦物摻合料可以改善風(fēng)積沙混凝土的性能,主要?dú)w因于摻合料的填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng),在風(fēng)積沙摻量較大的情況下,適量的礦物摻合料對(duì)混凝土性能的改善效果明顯,為風(fēng)積沙混凝土的應(yīng)用推廣提供了參考。

7.3 水中養(yǎng)護(hù)、蒸壓養(yǎng)護(hù)

不同養(yǎng)護(hù)條件下濕度和溫度變化是影響風(fēng)積沙混凝土強(qiáng)度的主要因素。Douara等[79]研究了三種養(yǎng)護(hù)條件(自然養(yǎng)護(hù),水中養(yǎng)護(hù),塑料包裹養(yǎng)護(hù))對(duì)風(fēng)積沙自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙摻量為20%、水中養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度明顯提高。風(fēng)積沙吸水率較高,影響了水泥水化的需水量,水中養(yǎng)護(hù)則解決了這一問題,因此自然養(yǎng)護(hù)和塑料包裹養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度低于水中養(yǎng)護(hù)。

風(fēng)積沙含有一定量的活性成分,其中部分粒徑極小的超細(xì)顆粒具備火山灰效應(yīng)[4,33],Guettala等[80]研究發(fā)現(xiàn),盡管磨細(xì)的風(fēng)積沙粉呈現(xiàn)出晶體結(jié)構(gòu),但仍有部分具備火山灰效應(yīng)。蒸壓養(yǎng)護(hù)可以促進(jìn)水化反應(yīng),充分發(fā)揮風(fēng)積沙粉的火山灰效應(yīng),改善混凝土各方面性能。Alawad等[81-83]將風(fēng)積沙磨細(xì)成90%～95%粒徑小于45μm 的砂粉,部分取代水泥制備混凝土,發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,抗壓強(qiáng)度隨砂粉摻量的增加而降低；而在蒸壓養(yǎng)護(hù)的條件下,抗壓強(qiáng)度隨摻量的增加而增加。蒸壓養(yǎng)護(hù)后,風(fēng)積沙粉發(fā)生火山灰反應(yīng),與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng),生成了更多的C-S-H,摻風(fēng)積沙粉的水泥石中水化產(chǎn)物分布均勻,對(duì)水泥石孔隙填充效果更佳,結(jié)構(gòu)密實(shí)度增加,改善了混凝土的耐久性能和力學(xué)性能。溫度升高加速了火山灰反應(yīng),提高了混凝土抗壓強(qiáng)度。Alhozaimy等[84-85]也證實(shí)了風(fēng)積沙粉在蒸壓養(yǎng)護(hù)下可與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng),從而提高混凝土的力學(xué)性能。此外,風(fēng)積沙粉的粒徑分布同樣影響混凝土的力學(xué)性能,粒徑越小,強(qiáng)度更高[80]。但在實(shí)際運(yùn)用中,應(yīng)綜合考慮生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益問題,過細(xì)的粒徑需經(jīng)過多次研磨,增加了成本,不利于風(fēng)積沙的應(yīng)用推廣,因此將風(fēng)積沙磨至低于水泥平均粒徑最為合適。

綜上,蒸壓養(yǎng)護(hù)后,風(fēng)積沙粉可以部分取代水泥制備混凝土,有利于混凝土性能的提高,但蒸壓養(yǎng)護(hù)的經(jīng)濟(jì)成本較高,實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)綜合考慮各類因素。

8 結(jié) 論

風(fēng)積沙的綜合利用能夠節(jié)能降耗,符合綠色混凝土的理念,環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益雙贏,具有良好的發(fā)展前景。整理風(fēng)積沙混凝土的相關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn),宏觀上,適量的風(fēng)積沙與河砂形成連續(xù)級(jí)配,填充混凝土內(nèi)部尺寸較大的有害孔隙。微觀上,風(fēng)積沙較強(qiáng)的吸水率可以改善孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部和界面過渡區(qū)性能；風(fēng)積沙中活性成分發(fā)生火山灰反應(yīng),生成水化硅酸鈣膠凝體填充更小的有害孔隙,改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高密實(shí)度,進(jìn)而改善混凝土的工作性能、力學(xué)性能與耐久性能。然而,風(fēng)積沙可部分取代河砂,大規(guī)模投入到實(shí)際工程應(yīng)用中,筆者認(rèn)為還存在以下幾個(gè)方面的問題需要解決:

1.中國(guó)的風(fēng)積沙儲(chǔ)量豐富,但其產(chǎn)地較為集中,產(chǎn)業(yè)體系不夠完善,部分地區(qū)的風(fēng)積沙,長(zhǎng)期屬于無人管理狀態(tài),其開采、運(yùn)輸成本比自身價(jià)值高很多,這方面需要政策引導(dǎo)與企業(yè)合作形成產(chǎn)業(yè)鏈,才能有效解決問題。

2.由于自然環(huán)境差異,不同地區(qū)風(fēng)積沙物化特征不同,因此,得到的關(guān)于風(fēng)積沙混凝土工作性能、力學(xué)性能和耐久性能性能方面的研究成果存在差異,甚至相同地區(qū)的相關(guān)研究也存在差異,不成體系,難以形成統(tǒng)一的認(rèn)知。因此,研究成果系統(tǒng)化、研究地區(qū)擴(kuò)大化成為未來研究的必然趨勢(shì)。

3.風(fēng)積沙最主要的缺陷是其粒徑太小,級(jí)配不良。摻量過大會(huì)導(dǎo)致混凝土孔隙率增加,微裂縫增多,強(qiáng)度下降。此外,孔隙和微裂縫為有害物質(zhì)提供傳輸通道,加之風(fēng)積沙p H 值為弱堿性,其堿性成分對(duì)鋼筋有一定的腐蝕性,這些侵害會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)受損,很大程度上降低結(jié)構(gòu)的承載能力。其次,風(fēng)積沙吸水率較強(qiáng),摻量過大會(huì)導(dǎo)致混凝土工作性能下降,不利于運(yùn)輸、泵送和澆筑。因此在工程應(yīng)用中要注意避免或降低以上問題帶來的負(fù)面影響。要做到提高利用率的同時(shí)確?；炷粮黜?xiàng)性能穩(wěn)定,就必須在配合比設(shè)計(jì)、改善方式等方面進(jìn)行更深入的研究,才能使風(fēng)積沙獲得更高的使用價(jià)值,對(duì)其應(yīng)用推廣作鋪墊。

4.風(fēng)積沙的研究形式單一,主要集中風(fēng)積沙作為細(xì)骨料取代河砂后對(duì)混凝土宏觀性能的影響,為了拓展其應(yīng)用渠道,風(fēng)積沙粉作為一種礦物摻合料,也具備研究?jī)r(jià)值,目前這方面的研究較少,主要集中在砂粉取代水泥后對(duì)混凝土宏觀性能的影響。未來對(duì)于風(fēng)積沙和風(fēng)積沙粉的活性需要進(jìn)行進(jìn)一步研究,主要針對(duì)溫度和濕度對(duì)活性效應(yīng)的影響、微觀試驗(yàn)研究中涉及的化學(xué)反應(yīng)原理、水化熱等領(lǐng)域。

5.風(fēng)積沙混凝土相關(guān)試驗(yàn)研究主要針對(duì)其材料性能,聚焦風(fēng)積沙摻入后對(duì)混凝土力學(xué)性能、耐久性能、工作性能的影響,結(jié)構(gòu)層面上研究較少,風(fēng)積沙混凝土基本構(gòu)件的受力性能試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道,應(yīng)該充分利用材料層面相關(guān)研究成果,開展相對(duì)應(yīng)的有限元理論建模和數(shù)值模擬分析。