牛景行，王智，趙紅艷，明嗣東，鄧軒，程建軍

(1 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2 重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045)

隨著大量新建工程項目的實施，建筑資源的消耗與日俱增，建筑用砂石骨料供需矛盾日益突出，據(jù)統(tǒng)計，我國基建行業(yè)每年生產(chǎn)混凝土消耗的天然骨料為50億～80億t，天然骨料資源趨于枯竭[1]，同時廢舊建筑物的拆除也產(chǎn)生了大量的建筑廢棄混凝土[2-3]，因此，如何緩解不可再生的砂石資源的過度消耗，以及減少建筑垃圾大量堆積帶來的生態(tài)環(huán)境破壞問題，對構(gòu)建人與自然和諧發(fā)展的社會環(huán)境具有重要的意義?；炷敛牧系陌l(fā)展趨勢之一是所謂的再生混凝土(RC)，既具有資源再利用的優(yōu)勢，又能在一定程度上解決部分環(huán)保問題[4]。沙漠砂混凝土[5]，也稱風(fēng)積沙混凝土[6]，是近年發(fā)展起來的一種以沙漠砂部分替代混凝土中天然細(xì)集料的新型混凝土材料。

有研究成果表明廢棄建筑拆除產(chǎn)生的混凝土可以生產(chǎn)再生粗骨料(RCA)，進(jìn)而制備再生混凝土[7]；對于廢棄混凝土的再利用，歐美和日本等發(fā)達(dá)國家的研究較早[8]。近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者針對再生混凝土力學(xué)性能的試驗研究結(jié)果表明，與相同配合比的普通混凝土相比，摻入再生粗骨料的再生混凝土的抗凍性能[3]、抗壓強度[9]、劈裂抗拉強度[10]、耐久性[11]等均有不同程度的降低，但基本能滿足工程應(yīng)用的要求。尋找可利用的建筑用細(xì)砂成為眾多學(xué)者關(guān)注的焦點問題之一。針對不同地區(qū)沙漠砂的工程性質(zhì)及沙漠砂混凝土力學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者的研究成果表明沙漠砂具備工程特征，可作為細(xì)骨料用于拌制混凝土[12-13]。

新疆地區(qū)沙漠砂(DS)資源豐富，利用沙漠砂生產(chǎn)再生混凝土用于基建領(lǐng)域，開發(fā)具有節(jié)能環(huán)保、資源利用的新型建筑材料，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。因此，本文利用古爾班通古特沙漠砂部分取代天然河砂，利用廢棄混凝土生產(chǎn)再生粗骨料部分取代天然骨料，配置沙漠砂再生混凝土(DSRC)，為沙漠砂和再生粗骨料的工程應(yīng)用提供了新的途徑，并通過力學(xué)性能試驗分析研究沙漠砂取代率和再生粗骨料取代率對沙漠砂再生混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，提出滿足工程使用要求的取代率參數(shù)，旨在為沙漠砂再生混凝土的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實驗研究

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，來自石河子天業(yè)水泥廠；拌和用水為石河子市自來水；減水劑為聚羧酸減水劑，來自石河子市長虹混凝土外加劑廠，減水率為15%。試驗用中砂為建材市場采購的瑪河水洗砂，細(xì)度模數(shù)為2.93，堆積密度為1 565 kg/m3；沙漠砂(古爾班通古特沙漠砂)為新疆石河子市150團(tuán)場表面風(fēng)積砂，如圖1-a所示，其平均粒徑為0.183 mm，細(xì)度模數(shù)為0.334。通過X射線熒光光譜(XRF)分析了沙漠砂的化合物組成，結(jié)果見表1。

表1 沙漠砂化學(xué)成分 單位：%

圖1 沙漠砂和再生粗骨料

天然粗骨料為天然碎石，最大粒徑為30 mm，連續(xù)級配；再生粗骨料來源于石河子新旺工程檢測中心廢棄混凝土試塊，經(jīng)錘式破碎機破碎篩分后所得，如圖1b、c所示。

再生粗骨料破碎分級后粒徑分為5～20 mm和20～30 mm兩種，質(zhì)量比為2∶8，再生粗骨料含泥量為3.03%，實測壓碎值為14.7%。依據(jù)GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》和GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》對試驗所用天然粗骨料和再生粗骨料的基本性能進(jìn)行測定，結(jié)果見表2。

表2 粗骨料的基本性能

1.2 配合比設(shè)計

為探究沙漠砂和再生粗骨料對混凝土性能的影響，本研究以沙漠砂摻量和再生粗骨料摻量為試驗變量。定義沙漠砂取代率r1為混凝土中沙漠砂摻量與全部細(xì)集料質(zhì)量之比，共考慮4種沙漠砂取代率，即r1分別為0、20%、40%、60%；定義再生粗骨料取代率r2為混凝土中再生粗骨料摻量與全部粗骨料質(zhì)量之比[10]，共考慮4種再生粗骨料取代率，即r2分別為0、20%、40%、60%。當(dāng)r1=0、r2=0時為普通混凝土，并作為基準(zhǔn)混凝土。沙漠砂再生混凝土配合比見表3。DSRC表示沙漠砂再生混凝土，其后第1個數(shù)字表示沙漠砂取代率(%)，第2個數(shù)字表示再生粗骨料取代率(%)，DSRC-0-0表示普通混凝土。各試塊水膠比、灰砂比均分別為0.5、0.53，水泥、水、減水劑的材料用量均分別為350、175、1.75 kg/m3。

表3 混凝土試塊材料用量 單位：kg/m3

按照普通混凝土用細(xì)集料粗細(xì)和顆粒級配要求，以沙漠砂部分替代天然河砂，得到不同參配比例下細(xì)集料級配曲線，如圖2所示。由于沙漠砂粒徑極小，在級配組成中替代的是粒徑在0.3 mm以下的部分細(xì)集料。由圖2可以看出，隨著沙漠砂摻量的增大，細(xì)集料級配曲線往左上方偏移，說明砂偏細(xì)，在混凝土拌合過程中會增加水泥用量，可通過摻加減水劑來降低水泥用量。

試驗用天然粗骨料為連續(xù)級配，而再生粗骨料受限于目前的破碎工藝，達(dá)不到連續(xù)級配的要求，本試驗用再生粗骨料按粒徑分為5～20 mm和20～30 mm兩種，按質(zhì)量比7∶3替代天然粗骨料，得到不同再生粗骨料參配比例下粗骨料級配曲線(圖3)顯示：隨著再生粗骨料替代率的增大，粗骨料中粒徑20 mm以上和10 mm以下的顆粒占比均相應(yīng)減小，粒徑為10～20 mm的顆粒占比增大，并且滿足GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》中對普通混凝土用粗集料連續(xù)級配的粒徑要求。

圖2 細(xì)集料級配曲線

圖3 粗骨料級配曲線

1.3 試塊制備與試驗方法

試塊的制作在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院結(jié)構(gòu)大廳進(jìn)行。沙漠砂再生混凝土采用機械拌和，倒入150 mm×150 mm×150 mm的模具中，振搗成型，24 h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至一定的試驗齡期(7 d和28 d)，依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測定試塊立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度，主要設(shè)備為實驗室的長柱數(shù)控壓力機，量程為5 000 kN。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沙漠砂再生混凝土試塊破壞形態(tài)

在立方體抗壓強度試驗加載過程中，隨著荷載的增大，沙漠砂再生混凝土試塊內(nèi)部的應(yīng)力也不斷增大。當(dāng)荷載增加到一定的程度時試塊表層逐漸出現(xiàn)裂縫，起初裂縫分布在試塊側(cè)面表層上下端，為基本垂直方向裂縫；隨著荷載的增大，裂縫由上下端部向試塊的高度中央發(fā)展，且向中間靠攏(裂紋演變過程如圖4所示)，最后形成上、下2個倒正相連的“八”字型裂縫；隨著荷載的進(jìn)一步增大，裂縫逐漸貫通，并向試塊內(nèi)部發(fā)展，試塊表層混凝土逐漸剝落，最終形成倒正相連的四角錐形，如圖5所示(r1=20%，r2=40%)。

圖4 沙漠砂再生混凝土抗壓破壞裂紋演變過程

通過觀察抗壓破壞界面(圖6a)可以看出，沙漠砂再生混凝土試塊的破壞形式主要是壓剪破壞，以水泥凝膠體和粗骨料之間界面過渡區(qū)的界面粘結(jié)破壞為主，但也有少部分的粗骨料斷裂破壞現(xiàn)象(圖6a紅框所示)，這與肖建莊等[9]研究結(jié)果有所不同。其原因可能是，在利用小型錘式破碎機破碎廢棄混凝土塊生產(chǎn)再生粗骨料的過程中，高速撞擊導(dǎo)致再生粗骨料內(nèi)部含有損傷和微裂紋，導(dǎo)致再生粗骨料本身強度較低。

圖5 沙漠砂再生混凝土典型抗壓破壞形態(tài)

在劈裂抗拉強度試驗加載過程中，加載初期試塊表面沒有明顯的變化，且未發(fā)現(xiàn)裂縫；隨著荷載的增大，試塊內(nèi)部的應(yīng)力不斷增加，試塊表面中央開始出現(xiàn)豎向裂縫;當(dāng)荷載繼續(xù)增加時，試塊中部的裂縫寬度逐漸增大，并逐漸向上下加載面墊條附近發(fā)展，最終試塊沿破裂線全截面處“突然拉裂”成兩段(圖7)，發(fā)生脆性破壞。

圖6 抗壓試驗破壞界面

圖7 劈裂抗拉試驗破壞結(jié)果

劈裂抗拉試驗破裂面(圖8)顯示：沙漠砂再生混凝土劈裂面(圖8a)的破壞與普通的再生混凝土劈裂破壞(圖8b)不同，以水泥凝膠體與粗骨料之間的界面粘結(jié)破壞為主，基本未觀察到粗骨料本身的斷裂破壞，而普通再生混凝土試塊的斷裂面有較多的再生粗骨料被劈裂(圖8b)。原因可能是由于沙漠砂的摻入，降低了水泥凝膠體與粗骨料之間的界面粘結(jié)強度。沙漠砂再生混凝土劈裂面破壞與普通混凝土劈裂破壞類似，裂縫繞過了粗骨料表面，粗骨料很少發(fā)生斷裂破壞。

圖8 劈裂抗拉試驗破壞界面

2.2 試驗結(jié)果

試驗中每個配合比均制作3個試塊，最終測試結(jié)果取3個測試值的平均值。按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得沙漠砂再生混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度等性能指標(biāo)，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 力學(xué)性能試驗結(jié)果

由表4可見：各個取代率下沙漠砂再生混凝土劈裂抗拉強度ft和立方體抗壓強度fcu的比值在0.06～0.09之間，即ft約為fcu的1/16～1/11，與普通混凝土同齡期下抗壓強度和劈裂抗拉強度之間的關(guān)系相近；ft/fcu值和混凝土齡期基本呈正相關(guān)，表明沙漠砂再生混凝土與普通混凝土類似，隨著齡期的增長，抗拉強度的增加略快于抗壓強度的。

2.3 混凝土抗壓強度

混凝土試塊抗壓強度隨集料取代率變化曲線(圖9)顯示：

(1)沙漠砂取代率對混凝土的抗壓強度有較大的影響；總體而言，與基準(zhǔn)混凝土(普通混凝土)相比，適量(40%以內(nèi))沙漠砂的摻入能提高混凝土的抗壓強度，這與李志強等[5]利用正交試驗進(jìn)行沙漠砂混凝土配合設(shè)計的研究結(jié)果一致。其原因可能是因為沙漠砂較強的吸水性使得膠凝材料的水膠比有所降低，同時微細(xì)顆粒的沙漠砂能更好填充集料中的空隙，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。隨著沙漠砂取代率的進(jìn)一步增大(超過40%)，混凝土抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢。其原因可能是隨著沙漠砂摻量的增大，中砂在細(xì)集料中所占比例過小，致使混凝土級配變差，試塊強度降低，除此之外，沙漠砂本身風(fēng)化程度高，堅固性差，其摻量過高會降低砂漿的強度，進(jìn)而引起砂漿與石子之間的粘結(jié)力下降，導(dǎo)致混凝土強度降低[14]。

圖9 抗壓強度與集料取代率的關(guān)系

(2)不同齡期的混凝土強度隨著沙漠砂摻量的增加呈現(xiàn)相近的變化規(guī)律，并且沙漠砂的摻加對不同齡期混凝土強度的貢獻(xiàn)是不同的。當(dāng)沙漠砂摻量為20%和40%時，混凝土早期強度(7 d)分別提高32%和31%，當(dāng)沙漠砂摻量提高至60%，混凝土早期強度仍提高了8%，可見對于早期強度(7 d)而言，沙漠砂的摻加使混凝土的強度明顯提高；對于后期強度(28 d)來說，沙漠砂摻量為20%時混凝土強度提升幅度較大(9%)，摻量為40%時有所提升(2%)，而摻量為60%時，與普通混凝土相比，沙漠砂混凝土的強度下降了7%。上述結(jié)果表明在同樣的沙漠砂參配比例(60%)下不同齡期的混凝土強度變化是完全不同的，其原因分析如下：一方面對于早期強度而言，更多取決于沙漠砂在混凝土集料中所發(fā)揮的填充作用，使得混凝土的結(jié)構(gòu)更加密實，因此混凝土的強度提高了；而對于后期強度而言，在28 d齡期下，普通混凝土或少摻量的沙漠砂混凝土的水化產(chǎn)物充分填充了混凝土孔隙，但60%沙漠砂摻量的混凝土由于沙漠砂摻量過大，會因為沙漠砂本身較大的比表面積，影響了水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物的生成。另一方面由于沙漠砂和中砂的細(xì)度模數(shù)差距較大，沙漠砂的摻入使得混凝土具有一定的復(fù)合材料的性質(zhì)，高摻量的沙漠砂導(dǎo)致混凝土界面過渡區(qū)數(shù)量增大，而界面過渡區(qū)數(shù)量的增加對復(fù)合材料抗壓強度的降低有很大的影響[15]。

(3)對于沙漠砂混凝土早期強度(7 d)而言，20%摻量和40%摻量相差無幾，而對于后期強度(28 d)來說，20%摻量沙漠砂混凝土的強度明顯高于40%摻量的。其原因分析如下：7 d齡期時，2種沙漠砂摻量的混凝土的密實效果是相近的，而28 d齡期時，摻量為20%的沙漠砂既能更好填充孔隙，又不影響水泥水化反應(yīng)，因此強度提升幅度較大。摻量為40%的沙漠砂混凝土的強度更接近普通混凝土，說明沙漠砂帶來的填充效應(yīng)近似的替代了水泥水化產(chǎn)物對強度的貢獻(xiàn)，或者說過高的沙漠砂摻量影響了水泥水化反應(yīng)對強度的貢獻(xiàn)。

(4)再生粗骨料取代率對再生混凝土的抗壓強度有很大的影響?？傮w而言，再生混凝土抗壓強度隨著再生粗骨料的增加而降低。當(dāng)再生粗骨料取代率為20%、40%和60%時，再生混凝土早期(7 d)抗壓強度分別降低7%、13.5%和25.7%，后期(28 d)抗壓強度分別降低8.2%、11.7%和31%，表明再生粗骨料的加入會使混凝土的抗壓強度降低，且再生粗骨料取代率越大，抗壓強度降低的程度也越大。再生混凝土抗壓強度下降的原因可能是由于再生粗骨料表面附著有舊砂漿，導(dǎo)致其與新砂漿之間的粘結(jié)作用較為薄弱，也有可能是再生粗骨料的高孔隙率導(dǎo)致試塊在承受軸向壓力時容易形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致試塊提前破壞。

2.4 混凝土劈裂抗拉強度

圖10 劈裂拉伸試驗示意圖

圖11 劈裂抗拉強度與集料取代率的關(guān)系

本試驗混凝土試塊劈裂抗拉強度隨集料取代率規(guī)律變化曲線(圖11)顯示：沙漠砂的摻入對混凝土劈裂抗拉強度有一定的影響，表現(xiàn)為隨著沙漠砂摻量的增大，混凝土劈裂抗拉強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這一結(jié)果在李志強等[16]的試驗研究中也得到了驗證，但就影響程度來說，本試驗中沙漠砂取代率對混凝土劈裂抗拉強度的影響更為明顯。與基準(zhǔn)混凝土相比，當(dāng)沙漠砂取代率為20%和40%時，混凝土早期(7d)劈裂抗拉強度分別增長41.2%和35.3%，后期(28d)分別提高13.8%和6.9%，表明在一定的替代率范圍內(nèi)，沙漠砂對混凝土劈裂抗拉強度的提高作用隨著替代率的增大而降低，并且沙漠砂對混凝土早期劈裂抗拉強度的影響比后期的大。當(dāng)沙漠砂取代率為60%時，混凝土早期劈裂抗拉強度(7d)略有提高(5.9%)，后期強度(28d)降低17.2%，這一變化規(guī)律和混凝土抗壓強度的變化規(guī)律相同。

再生混凝土不同齡期下劈裂抗拉強度與再生粗骨料取代率的關(guān)系(圖11)顯示：總體而言，再生混凝土劈裂抗拉強度隨著再生粗骨料的增加而降低。對于早期(7d)劈裂抗拉強度，當(dāng)再生粗骨料取代率為20%、40%和60%時，較之基準(zhǔn)混凝土分別降低23.5%、29.4%和35.3%，表明再生粗骨料取代率越大，再生混凝土劈裂抗拉強度降低越多；對于后期(28d)劈裂抗拉強度，當(dāng)再生粗骨料取代率為20%、40%和60%時，較之基準(zhǔn)混凝土分別降低20.7%、24.1%和41.4%，表明隨著再生粗骨料摻量的增加，再生混凝土劈裂抗拉強度越來越低。

綜合以上分析可知：無論是抗壓強度還是劈裂抗拉強度，當(dāng)沙漠砂替代率為20%時都能得到較好的結(jié)果。因此，基于抗壓強度和劈裂抗拉強度的沙漠砂最佳參配比例是20%。劉海峰等[17]也得出了相同的結(jié)論，而與杜勇剛等[18]、李帥雄等[19]、陳俊杰等[20]的研究成果相比，該摻配比例略微偏低。

2.5 沙漠砂再生混凝土力學(xué)性能分析

由本文2.3和2.4中結(jié)果及分析可得基于立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的最佳沙漠砂取代率為20%，在此基礎(chǔ)上對DSRC-20系列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到沙漠砂再生混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度隨再生粗骨料取代率的變化規(guī)律(圖12)顯示：沙漠砂再生混凝土和普通再生混凝土強度的變化規(guī)律一致，隨著再生粗骨料取代率的增大，其強度呈下降趨勢，當(dāng)再生粗骨料取代率從20%增大到40%時，以28d齡期為例，其立方體抗壓強度降低3%，劈裂抗拉強度降低11%，相對而言，抗拉強度降低更多，但無論是抗壓強度還是抗拉強度，均能滿足設(shè)計強度要求。因此，在滿足材料強度要求和考慮資源充分利用兩個因素的情況下，推薦沙漠砂取代率為20%，再生粗骨料取代率為40%。在此配合比下，沙漠砂再生混凝土28d立方體抗壓強度為32.9MPa，是普通混凝土立方體抗壓強度(34.2MPa)的96.2%；沙漠砂再生混凝土28d劈裂抗拉強度為2.5MPa，是普通混凝土劈裂抗拉強度(2.9MPa)的86.2%。

圖12 沙漠砂再生混凝土強度與粗骨料取代率的關(guān)系

3 結(jié)論

本研究在水灰比、減水劑等相同的情況下，考慮了4種沙漠砂摻量和再生粗骨料摻量，進(jìn)行了立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗，對試驗數(shù)據(jù)分析得到如下結(jié)論：

(1)與普通混凝土相比，沙漠砂的摻入基本上能提高混凝土的抗壓強度，當(dāng)沙漠砂取代率為20%時，其對混凝土抗壓強度的提升作用最為明顯，隨著沙漠砂摻量的進(jìn)一步增大，沙漠砂對混凝土抗壓強度的提升作用逐漸降低。對于混凝土試塊的劈裂抗拉強度而言，隨著沙漠砂取代率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)沙漠砂取代率為20%時，劈裂抗拉強度達(dá)到最大值。表明基于沙漠砂再生混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的最佳沙漠砂取代率為20%。

(2)關(guān)于沙漠砂再生混凝土強度和再生粗骨料取代率的關(guān)系，無論是立方體抗壓強度還是劈裂抗拉強度，都隨著再生粗骨料取代率的增大呈下降趨勢，且強度的降低程度基本和再生粗骨料取代率成正相關(guān)。

(3)在滿足材料強度要求和考慮資源充分利用兩個因素的情況下，推薦的沙漠砂取代率為20%，再生粗骨料取代率為40%。在此配合比下，沙漠砂再生混凝土28d立方體抗壓強度為32.9MPa，為普通混凝土(34.2MPa)的96.2%；沙漠砂再生混凝土28d劈裂抗拉強度為2.5MPa，為普通混凝土(2.9MPa)的86.2%。

(4)在合理的粗細(xì)骨料摻配比例下，沙漠砂再生混凝土的力學(xué)性能可以滿足工程使用要求。