特細(xì)砂混凝土的研究進(jìn)展

張賀

摘要：砂是混凝土的重要組成成分。目前我國(guó)中砂和粗砂的產(chǎn)量已經(jīng)逐漸不能滿(mǎn)足建筑需求，而特細(xì)砂給建筑行業(yè)帶來(lái)了新的曙光，亟需將特細(xì)砂資源的潛在價(jià)值挖掘出來(lái)。對(duì)國(guó)內(nèi)外特細(xì)砂混凝土的研究情況進(jìn)行系統(tǒng)論述，并展望特細(xì)砂混凝土的發(fā)展前景，以期為新的建筑材料的開(kāi)發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土；特細(xì)砂；研究進(jìn)展；前景

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）04-0055-03

長(zhǎng)久以來(lái)，粒徑大小處于0.15～4.75 mm之間的建筑材料被業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)為砂。作為石材，砂是一種重要的施工材料，主要應(yīng)用于配制建筑用混凝土；根據(jù)《建筑用砂》的相關(guān)規(guī)定，滿(mǎn)足混凝土配置標(biāo)準(zhǔn)的砂的細(xì)度模數(shù)應(yīng)該大于1.6，其中以2.3～3.0的中砂為最佳，粒徑一般大于0.15 mm。隨著國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑用混凝土、砂漿的需求與日俱增，相應(yīng)地，建筑用砂開(kāi)采量與使用量也逐步增長(zhǎng)，導(dǎo)致可采的天然砂中粗砂消耗殆盡、中砂岌岌可危，而細(xì)砂、特細(xì)砂的比重逐漸增大。

就目前的情況來(lái)看，特細(xì)砂混凝土的強(qiáng)度等級(jí)主要集中在C15～C30。由于特細(xì)砂的產(chǎn)量較大，所以與中粗砂相比，特細(xì)砂在價(jià)格上有著很大的優(yōu)勢(shì)，而且特細(xì)砂混凝土在一些工程中可作為中砂的替代品。特細(xì)砂顆粒小、級(jí)配不良，想解決這些問(wèn)題就必須對(duì)特細(xì)砂進(jìn)行系統(tǒng)研究。本課題通過(guò)查閱特細(xì)砂的文獻(xiàn)，總結(jié)出國(guó)內(nèi)外特細(xì)砂混凝土的研究進(jìn)展情況。

1 國(guó)內(nèi)特細(xì)砂混凝土研究現(xiàn)狀

我國(guó)特細(xì)砂混凝土研究主要是根據(jù)工程實(shí)例，通過(guò)施工的具體要求來(lái)配制特細(xì)砂混凝土。從整體上看，缺乏一定的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，在利用特細(xì)砂時(shí)需要先進(jìn)行研究，這樣浪費(fèi)了大量的時(shí)間與精力，且相關(guān)參數(shù)不統(tǒng)一。

1.1 特細(xì)砂混凝土的配制原則

我國(guó)學(xué)者對(duì)特細(xì)砂混凝土的研究從20世紀(jì)60—70年代就已經(jīng)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)對(duì)特細(xì)砂混凝土缺陷的深入研究，提出了特細(xì)砂混凝土“三低一超”配制原則，即“低砂率、低坍落度、低水泥用量及粉煤灰的超量取代”。遵循這一原則，特細(xì)砂混凝土克服了收縮大、易開(kāi)裂等缺點(diǎn)，作為一般的建筑材料得到了推廣。

目前，“三低一超”法被國(guó)內(nèi)許多施工單位采用，成功應(yīng)用于各種工程實(shí)踐中。例如，桐子壕水電站工程、融江大埔電站部分閘壩和船閘工程、高鳳山水利樞紐工程、馬回水電站、東西關(guān)水電站等，都就地取材，根據(jù)該法配制出特細(xì)砂混凝土，在一定程度上滿(mǎn)足了施工要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。

1.2 特細(xì)砂混凝土的性能

混凝土的各摻合料性能是決定混凝土是否產(chǎn)生裂縫的因素。例如，如果水泥的安定性差，混凝土?xí)驗(yàn)轶w積的變化產(chǎn)生裂縫。對(duì)此，可以加入其他摻合料進(jìn)行改善。鋼纖維和聚合物纖維具有阻裂作用，并且可以控制試件的水分蒸發(fā)，使混凝土的抗裂性能進(jìn)一步提升。

特細(xì)砂混凝土拌合物比較容易分層，這種現(xiàn)象的發(fā)生將直接影響混凝土的強(qiáng)度。劉長(zhǎng)坤、吳起鳳等人對(duì)這種情況進(jìn)行了深入分析，以混凝土骨料的顆粒形狀及表面狀態(tài)作為研究的重點(diǎn)，得出了分層現(xiàn)象是由固體粒子相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不同而導(dǎo)致的結(jié)論，并根據(jù)流體力學(xué)原理推導(dǎo)出了粒子運(yùn)動(dòng)速度與粒子半徑平方成正比的關(guān)系，較為直觀地解釋了特細(xì)砂混凝土分層現(xiàn)象。此外，在研究混凝土各摻量對(duì)其抗?jié)B性能的影響方面，韓建宏、婁宗科發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量影響著混凝土的抗?jié)B性，在其達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，性能達(dá)到定點(diǎn)。

1.3 特性特細(xì)砂混凝土的研究成果

1.3.1 特細(xì)砂高強(qiáng)混凝土 在20世紀(jì)90年代末，任世漫、陳靜就提出了配制特細(xì)砂高強(qiáng)混凝土的兩種技術(shù)路線。渠河特細(xì)砂，其細(xì)度模數(shù)在0.94～1.08之間，利用其作為混凝土的細(xì)骨料進(jìn)行研究，配制出C50和C60特細(xì)砂高強(qiáng)混凝土。蒲心誠(chéng)、嚴(yán)吳南通過(guò)一系列的技術(shù)手段，配制出28 d抗壓強(qiáng)度高達(dá)126.8 MPa的高強(qiáng)度混凝土，該特細(xì)砂的坍落度更是高達(dá)255 mm，其技術(shù)路線為“水泥+活性礦物摻料+高效減水劑”，配比理論遵循低砂率原則。

1.3.2 水工特細(xì)砂混凝土 李光偉對(duì)特細(xì)砂混凝土的性能進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，選取強(qiáng)度、干縮變形、彈性模量、凍融破壞、抗拉伸極限、抗?jié)B、自生體積變形及抗碳化能力等指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，在獲得各種參數(shù)后進(jìn)行歸類(lèi)分析，利用“三低一超”原則配制的水工特細(xì)砂混凝土在一些情況下較普通中砂混凝土有先天優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為收縮變形小、絕熱升溫低、抗?jié)B抗沖磨能力強(qiáng)，但同時(shí)也存在著早期強(qiáng)度低、混凝土彈性強(qiáng)度較高、極限拉伸值低及抗碳化能力低的不足。

1.3.3 泵送特細(xì)砂混凝土 和郁發(fā)現(xiàn)配合比參數(shù)與壓力泌水率的變化呈正相關(guān)。沈曉鈞則指出壓力泌水率與細(xì)度模數(shù)同時(shí)增大；粉煤灰摻量與泌水率呈反比，在骨料級(jí)配良好時(shí)可節(jié)約水泥的用量，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，張媛媛、張項(xiàng)斌、婁宗科發(fā)現(xiàn)粉煤灰、聚丙烯纖維或膨脹劑可以作為混凝土的外加劑，能改善泵送混凝土的收縮。根據(jù)對(duì)特細(xì)砂泵送混凝土特點(diǎn)的研究，研究人員總結(jié)出了配制泵送特細(xì)砂混凝土的基本原則，即“水膠比較普通泵送混凝土低、砂率低、骨料采用連續(xù)級(jí)配、粉煤灰和減水劑控制在合理范圍內(nèi)”，遵循這一原則進(jìn)行混凝土配合比的設(shè)計(jì)，可以保證混凝土的強(qiáng)度、耐久性及可泵性要求。

1.3.4 其他特性特細(xì)砂混凝土 李莉等人對(duì)滑膜施工特細(xì)砂水泥路面混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)滑膜攤鋪水泥混凝土對(duì)混凝土的坍落度要求極為嚴(yán)格，因此在用特細(xì)砂配制該種混凝土?xí)r宜摻混適當(dāng)比例的機(jī)制砂，而且需摻入適量具有緩凝性能的外加劑，以保證混凝土坍落度損失最小。

1.4 沙漠砂混凝土的研究

楊紅霞等人針對(duì)陜北沙漠砂開(kāi)展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其砂率對(duì)強(qiáng)度的影響較大、要強(qiáng)于中砂，坍落度與砂率呈正相關(guān)。沙漠混凝土也可以使用“三低兩摻”法。張財(cái)、吳愛(ài)芹對(duì)撒哈拉沙漠的特細(xì)砂配制混凝土的可行性進(jìn)行研究，提出“低用水量、低砂率、低流動(dòng)性、增加攪拌時(shí)間、加強(qiáng)振搗”的技術(shù)路線，利用此方案可以配制出符合施工要求的混凝土，經(jīng)濟(jì)效益明顯。王彩波、宋建夏等人對(duì)毛烏素沙地特細(xì)砂進(jìn)行全方位分析，并按要求設(shè)計(jì)混凝土配合比，進(jìn)而對(duì)其性能進(jìn)行分析，得出水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最大，而砂率次之；減水劑與水灰比對(duì)坍落度的影響非常明顯，而砂率的影響稍小。試驗(yàn)結(jié)果證明，引入毛烏素沙地砂作為細(xì)骨料配制混凝土是可行的，并推導(dǎo)出特細(xì)砂混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式fcu=0.6fce（c/w-0.33），此公式適用于毛烏素沙地砂源，這對(duì)今后的工程應(yīng)用有很大的參考價(jià)值。

2 國(guó)外特細(xì)砂混凝土研究現(xiàn)狀

A.S.Al-Harthy等人選取Sharkiya金沙區(qū)域的沙丘砂作為細(xì)骨料配制混凝土，在此基礎(chǔ)上對(duì)其相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行分析。從沙丘砂的物理性質(zhì)檢測(cè)可知其細(xì)度模數(shù)在0.45～0.88之間，屬于特細(xì)砂；通過(guò)砂的取代對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此種砂混凝土的級(jí)配不良，其影響并不顯著，和易性跟沙丘砂的取代比重相關(guān)，沙丘砂如果持續(xù)增加，混凝土的相關(guān)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，如強(qiáng)度降低、吸水率上升，而其他影響并未發(fā)現(xiàn)。Madani Bederina，Michele Queneudec等人按照阿爾及利亞的工程情形，將當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的河砂和沙漠砂混合起來(lái)作為細(xì)骨料，并對(duì)不同外加填料的摻入對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行深入研究。研究中取用具有相對(duì)平均細(xì)度的河沙（細(xì)度模數(shù)為2.45）和密實(shí)且細(xì)度最細(xì)（細(xì)度模數(shù)為1.18）的沙丘砂，二者混合后的混合砂達(dá)到了最好的密實(shí)性（細(xì)度模數(shù)為2.28），應(yīng)用混合砂配制混凝土能夠達(dá)到最好的性能。為了進(jìn)一步改善混凝土的性能，研究人員對(duì)摻入木質(zhì)填料和石灰石填料對(duì)混凝土性能的影響分別進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)石灰石可以有效提高混凝土的密實(shí)性，其對(duì)和易性和強(qiáng)度的影響也十分顯著。將木質(zhì)的填料加入混凝土拌合物，在硬化后會(huì)產(chǎn)生特殊的性能，如熱性能、隔音性能；另外，木質(zhì)的填料還可以使吸水率降低，避免混凝土收縮嚴(yán)重。L. Evangelista，J. de Brito提出將可再生混凝土作為細(xì)骨料循環(huán)配制混凝土，并針對(duì)可再生混凝土配制的混凝土的流變性能進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究，對(duì)其力學(xué)性能也進(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析。辛格提出用廢鑄造砂取代細(xì)骨料砂配制混凝土，開(kāi)辟了細(xì)骨料替代材料研究的新領(lǐng)域，并測(cè)定此種混凝土的工作能力，對(duì)其強(qiáng)度、超聲脈沖速度和滲透性進(jìn)行分析。

3 特細(xì)砂研究前景展望

目前，研究人員對(duì)特細(xì)砂在建筑材料的原材料階段的認(rèn)識(shí)還不夠完善和系統(tǒng)，因此，需要研究其對(duì)實(shí)際工程的實(shí)用價(jià)值，利用各種手段改良特細(xì)砂混凝土、砂漿的性能，以最大限度地抑制其劣勢(shì)，充分發(fā)揮其工程性能優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的雙贏。此外，無(wú)論是特細(xì)砂混凝土工程還是特細(xì)砂砂漿工程，在實(shí)際施工中都缺少一套統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，需要更為深入系統(tǒng)的研究及更為大量全面的試驗(yàn)，以取得特細(xì)砂混凝土及砂漿配比應(yīng)用的一般規(guī)律，從而制定出普遍適用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。需要指出的是，對(duì)特細(xì)砂的研究需要跳出建筑原材料的框框，將其引入其他應(yīng)用領(lǐng)域，以尋求特細(xì)砂研究的多元化發(fā)展與利用。

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