國內(nèi)外沙漠砂混凝土研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*

潘昌遠，喬恒煊＊，崔壯，李向陽，李帥熊

（1 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團建筑科學技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 前言

在國家提出“一帶一路”戰(zhàn)略以來，我國經(jīng)濟得到快速的發(fā)展，城市和鄉(xiāng)村的建筑都發(fā)生了巨大的改變。在追求經(jīng)濟利益的同時我們卻忽略了對環(huán)境的保護和治理，以致引起一系列的環(huán)境問題，其中土地沙漠化尤為明顯[1]。在進行發(fā)展建設(shè)時候，我們越來越需要新型綠色建筑材料。根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計資料，在建設(shè)施工過程中，采用的建筑原料約為 0.3～0.4t/m2，且有一半以上是混凝土，而細集料占據(jù)混凝土總量的 25% 左右。研究表明沙漠砂的工程性質(zhì)和混凝土中的細集料有相似的特性。沙漠砂的替代不僅可以解決土地沙漠化和天然砂資源匱乏的問題，還可以減緩沙漠化造成的環(huán)境污染。至今我國對沙漠砂混凝土的研究還處于初始階段，系統(tǒng)和完整探究沙漠砂混凝土性能方面的文獻很欠缺。通過初步分析和研究，沙漠砂混凝土相比其它大多數(shù)建筑材料更經(jīng)濟、更環(huán)保。

要想用沙漠砂替換混凝土中機制砂，不僅要研究沙漠砂的特性，還要研究沙漠砂在沙漠砂混凝土中的物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)組成。沙漠砂混凝土的工作性能、力學特性和耐久性與沙漠砂顆粒級配、化學成分和粒徑大小等都有關(guān)。因沙漠砂和機制砂的工程特性有所差異，導(dǎo)致沙漠砂混凝土中骨架體系與普通砂混凝土不同。 研究顯示，大量沙漠砂摻入混凝土中會損傷混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土的力學性質(zhì)有所下降，但在其中加入適量的添加劑便可以改善沙漠砂混凝土性能。在提高工程生產(chǎn)技術(shù)水平的同時，沙漠砂混凝土也要滿足不同環(huán)境要求，將不同地區(qū)沙漠砂應(yīng)用到更多實際工程中去，是當今建筑領(lǐng)域的共同期待。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

至今，我國對沙漠砂工程特性已有一定研究，但對沙漠砂混凝土研究還處于初始階段。不同地域沙漠砂的化學組成、級配和粒徑各不相同，不僅導(dǎo)致沙漠砂工程特性的差異性，也導(dǎo)致沙漠砂混凝土性能有所差異。學者們起初探究發(fā)現(xiàn)了沙漠砂的工程特性，從而開展將沙漠砂替代混凝土中的機制砂的力學特性和耐久性研究，最后延伸到其構(gòu)件研究。目前，國家和地區(qū)科研機構(gòu)已經(jīng)開始關(guān)注沙漠砂應(yīng)用到混凝土中的研究，并進行試驗研究。

1.1.1 沙漠砂工程特性

對沙漠砂的研究起初是為了探尋沙漠的形成原因，從而為治理沙漠和解決沙漠砂提供思路和方法。隨著對沙漠砂物理性質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)了其工程特性，逐步將其應(yīng)用到實際建設(shè)中。錢亦兵[2]對新疆伊犁塔克爾穆庫爾沙漠中的水積砂和風積砂的粒徑分析和礦物成分進行了探究，揭示沙漠砂的來源和物理特征。陳發(fā)虎等人[3]通過電子顯微鏡觀察安寧砂表面結(jié)構(gòu)，解釋了沙漠砂物理性質(zhì)的形成原因。吳正[4]通過對沙漠砂與海岸石英顆粒進行對比研究，得出由于物理作用不同導(dǎo)致其表面結(jié)構(gòu)有所差異。張國學[5]對騰格里沙漠砂進行了化學組成和物理特征研究，應(yīng)用到工程砂漿中，為配制砂漿提供了應(yīng)用標準。崔東等人[6]對沙漠砂的濕陷性、壓實性、凍脹性進行探究，為在沙漠區(qū)進行工程建設(shè)提供可行性支撐。彭亮等人[7]研究了古爾班通古特沙漠砂物理力學特性，為在西北進行基礎(chǔ)建設(shè)提供可借鑒依據(jù)。于元峰等人[8]經(jīng)過塔克拉瑪干沙漠砂室內(nèi)原位模擬試驗和現(xiàn)場原位試驗，確定其具有特殊巖土工程特性。綜上，雖然不同地區(qū)的沙漠砂有著不同物理特性和化學成分，且工程特性有著很大的差異，但確定了沙漠砂的工程特性，為其應(yīng)用到混凝土中提供了工程依據(jù)。

1.1.2 沙漠砂混凝土力學特性

沙漠砂混凝土的試驗正處于初步階段。朱騰明等人[9]研究沙漠砂配制砂漿和混凝土，通過摻一定比例減水劑，其抗壓強度能滿足普通工程實際要求。張國學等人[10]探究騰格里和毛烏素沙漠砂對水泥砂漿和混凝土性能影響，試驗表明沙漠砂可作為砂漿和混凝土的細集料。馮娜[11]進行了鋼纖維、橡膠粉和粉煤灰對沙漠砂混凝土收縮影響的研究，試驗得出鋼纖維、粉煤灰的加入改善了沙漠砂混凝土的收縮和耐久性。嚴建強[12]總結(jié)了水膠比、粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對高強沙漠砂混凝土力學特性的影響，分析得出高強沙漠砂混凝土最優(yōu)配合比。王彩波等人[13]對陜北毛烏素沙地特細砂混凝土的性能進行了研究，總結(jié)出能改善混凝土性能的配合比設(shè)計方法。劉海峰等人[14]探討了不同沙漠砂替代率對沙漠砂高強混凝土抗壓和抗劈裂強度的影響規(guī)律，試驗研究表明，混凝土抗壓和劈裂拉伸強度隨沙漠砂替代率呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。周澤培等人[15]通過摻加機制砂、粉煤灰、高性能減水劑制備大坍落度沙漠砂混凝土，研究了大坍落度沙漠砂混凝土的整體性能和配合比，試驗表明水膠比和粉煤灰摻量對抗壓強度的影響最顯著。通過以上的研究成果發(fā)現(xiàn)，沙漠砂本身的化學成分、級配和粒徑會對混凝土力學特性有影響，且沙漠砂混凝土特性又與水膠比、沙漠砂代替率、外加劑摻量和養(yǎng)護情況等條件有關(guān)。基于影響沙漠砂混凝土性質(zhì)因素的復(fù)雜性，導(dǎo)致試驗和研究的難度增加。 通?？梢岳谜辉囼灧椒p少試驗量，迅速找出影響沙漠砂混凝土性能的主要因素。

1.1.3 沙漠砂混凝土耐久性

考慮到不良環(huán)境對混凝土的影響，學者進行了沙漠砂混凝土耐久性的試驗探索。許海彬等人[16]通過沙漠砂混凝土抗腐蝕試驗得到，使用活性混合材料及改變水泥品種的措施可提升混凝土的抗腐蝕耐久性能。黃偉敏等人[17]探索加入聚丙烯纖維、鋰渣和沙漠砂的混凝土，在凍融循環(huán)試驗試得耐久性影響程度，得出沙漠砂影響程度最低。高卉等人[18]研究滌綸纖維沙漠砂混凝土抗凍性耐久性，試驗結(jié)果表明：滌綸纖維可以改良沙漠砂混凝土的耐久性能。馬荷嬌等人[19]探究了 C40 混凝土的抗碳化性能，得出在不同齡期混凝土的抗碳化性能影響因素各不相同。劉寧等人[20]研究了高溫下沙漠砂混凝土力學性能變化，試驗表明：當沙漠砂替代率取40% 時，沙漠砂混凝土高溫抗壓強度出現(xiàn)峰值。馬映昌等人[21]分析了不同溫度下沙漠砂混凝土與普通混凝土力學性能規(guī)律，實踐證明摻入沙漠砂可以提高混凝土的密實性，改善其力學性能。王迪等人[22]對沙漠砂蒸壓加氣混凝土含水率和耐久性能進行研究，試驗表明，其立方體抗壓強度隨著含水率的增加其強度不斷降低；隨著凍融次數(shù)的增多，其抗壓強度損失與質(zhì)量損失基本程呈雙線型增加。耐久性和混凝土的密實度有大的關(guān)系，通過加入外加劑改善材料接觸面，提高密實度，達到提高耐久性的要求。

1.1.4 沙漠砂混凝土構(gòu)件性能研究

探究沙漠砂混凝土的力學性質(zhì)，就是為了能更好地應(yīng)用到工程實際中，一些研究人員做了關(guān)于沙漠砂混凝土和鋼筋組成的構(gòu)件性能。王國慶等人[23]對沙漠砂混凝土框架柱低周反復(fù)荷載抗震性能試驗研究，結(jié)果為揭示沙漠砂混凝土柱的抗震機理提供試驗支持。伊力亞爾阿不都熱西提[24]通過沙漠砂鋼筋混凝土簡支梁構(gòu)件正截面破壞試驗，為構(gòu)件沙漠砂代替機制砂混凝土提供了技術(shù)支持。沙吾列提拜開依等人[25]對天然沙漠砂混凝土梁的受彎性能進行試驗探究，試驗表明普通砂混凝土梁理論、正截面承載力理論等可用于天然沙漠砂混凝土梁。通過試驗沙漠砂混凝土和鋼筋共同工作，使得沙漠砂混凝土應(yīng)用到建筑實踐中，為沙漠砂混凝土標準化提供借鑒和依據(jù)。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

全球越來越注重環(huán)境保護和治理，并開始致力于可持續(xù)發(fā)展。土地荒漠化不光是中國的環(huán)境問題，也成為其他國家主要治理的環(huán)境問題。沙漠分布在全球各地，由于每個地方的沙漠成因不同，配制的沙漠砂混凝土的工作特性和物理特性有很大的差異性。因此，需要對當?shù)氐纳衬斑M行研究試驗，才能更安全可靠地應(yīng)用于工程實踐。各國的研究人員注重研究本地區(qū)的沙漠形成原因和應(yīng)用，并配制出高強度的混凝土。在建筑工程實踐中也進行了相應(yīng)的應(yīng)用，使得沙漠砂有效化和資源化。

El-Sayed Sedek Abu Seif[26]研究了埃及西部沙漠砂的比重、沙漠砂的圓度、沙漠的堿—集料反應(yīng)等物理特性，確定沙漠砂的工程特性，提出沙漠砂可以替代部分細骨料。Al-Harthy AS 等人[27]提出了混凝土混合物的工作性能以及和易性與沙漠砂代替百分比關(guān)系，發(fā)現(xiàn)細集料被部分取代時，其工作性能提高，但其強度隨替代率的增大而減少。Khay SEE 等人[28]探究使用沙漠砂混凝土性能，為應(yīng)用于路面的實用性提供了可行性。R.Zaitri, M. 等人[29]通過精細研磨沙丘砂和篩分骨料粉碎廢料獲得礦物添加劑，結(jié)果表明，在水泥中（通過置換）引入硅質(zhì)填料和石灰石填料導(dǎo)致中長期機械強度的顯著改善，能夠配制高性能混凝土。Fu JiaLuo 等人[30]探究澳大利亞沙漠砂混凝土（DSC）特性，試驗表明：在低 S/C 比下，DSC 的強度高于河砂混凝土（RSC），在高的 S/C 比下，DSC 的工作性低。A. Dimmig-Osburg等人[31]研究了沙漠砂在混凝土中的應(yīng)用，為沙漠砂混凝土的應(yīng)用提供借鑒。國外對沙漠的研究早于國內(nèi)，并從沙漠砂的特性到沙漠砂混凝土的性質(zhì)進行系統(tǒng)研究。

2 沙漠砂混凝土的研究趨勢

沙漠砂混凝土是當今研究熱點綠色環(huán)保工程材料。在物理特性上，沙漠砂非常細，對水的吸收高于普通砂，強度較低，工程性能與沙漠砂粒徑大小、級配、細度模數(shù)有關(guān)。沙漠砂混凝土構(gòu)成機理不同和接觸面復(fù)雜等因素使得沙漠砂代替普通砂的混凝土強度降低，其損傷機理和結(jié)構(gòu)組成有待進一步研究。到目前為止的研究文獻表明，對沙漠砂的物理性質(zhì)和化學成分研究較多，為將沙漠砂代替普通砂提供了基本的工程依據(jù)。在力學特性方面，對沙漠砂混凝土主要進行了抗壓和抗劈裂試驗。部分機制砂用沙漠砂替代，導(dǎo)致混凝土力學特性有所下降，通過加入輔助性添加劑，力學特性得到改善。想要將沙漠砂資源化和沙漠砂混凝土應(yīng)用到工程中，需要在已有的研究下，進一步進行試驗。

2.1 沙漠砂混凝土力學特性研究趨勢

通過沙漠砂的工程特性，試驗分析沙漠砂混凝土的和易性和強度。采用已有混凝土的配合比設(shè)計方法來研究沙漠砂混凝土，使其滿足基本力學特性；通過摻入外加劑，改良沙漠砂混凝土構(gòu)造組成，能夠達到高強度；通過加入高性能減水劑和粉煤灰制備大坍落度沙漠砂混凝土，既能滿足力學要求，又能滿足工作性能的高性能混凝土。國內(nèi)外許多學者都是通過制作混凝土標準立方體試塊來研究沙漠砂混凝土的性能，分析各因素對其力學特性的影響程度；探究沙漠砂混凝土力學特性和和易性，分析水膠比，沙漠砂替代率和礦物摻合料等因素對其性能的影響；經(jīng)過不同沙漠砂混凝土配合比的探究試驗，總結(jié)出滿足要求最優(yōu)配合比的設(shè)計方法，進一步探索沙漠砂混凝土其他特性影響因素。

2.2 沙漠砂混凝土耐久性研究趨勢

在耐久性方面，國內(nèi)外已經(jīng)進行了大量的工作，取得了一些成果，主要是抗腐蝕、抗凍、抗碳和抗高溫的耐久性研究。但是這些只是通過研究沙漠砂混凝土單方面作用下的耐久性，及使用外加劑來增強混凝土單方面抗性，對實際環(huán)境沙漠砂混凝土耐久性能研究較少?？紤]到沙漠主要分布在北方和西北方，還有運輸問題和沙漠砂有效資源化，主要在離沙漠比較近的城市建設(shè)使用沙漠砂。由于北方和西北方會受到鹽漬和凍融兩大病害，需要對混凝土強度在鹽凍環(huán)境下混凝土的耐久性提出更高的要求。在未來研究領(lǐng)域，主要研究密實性高的沙漠砂混凝土的不同配合比；在多方面環(huán)境下，沙漠砂混凝土的強度損失和質(zhì)量損失，同時還需對沙漠砂進行抗水滲透性、抗腐蝕性等耐久性的進一步研究；加入外加劑后，對沙漠砂混凝土單方面到多方面耦合耐久性的改善研究。

2.3 沙漠砂混凝土構(gòu)件研究趨勢

目前對沙漠砂混凝土構(gòu)件研究僅僅處在起步研究。沙漠砂混凝土構(gòu)件的承受荷載變形性能與鋼筋的強度、混凝土的強度和配筋率等因素有關(guān)，構(gòu)件的耐久性與混凝土的耐久性和保護層厚度有關(guān)。將沙漠砂混凝土應(yīng)用到工程實踐，不僅僅需要注重構(gòu)件的強度和變形還要考慮構(gòu)件的耐久性。未來需要探究各種沙漠砂混凝土和鋼筋的結(jié)合特點，比如化學粘結(jié)力和機械咬合力；沙漠砂鋼筋混凝土梁柱的受力特點和保護厚度標準；為了能更好的結(jié)合工程實際狀況，需要更深入地去研究其沙漠砂混凝土配合比對構(gòu)件性能的影響，分析在不同變化參數(shù)下，構(gòu)件的變形性能和耗能能力。

3 結(jié)論

國內(nèi)對沙漠砂特性探究起步比較早，確定了沙漠砂的工程特性，繼而開始對沙漠砂混凝土的配合比、力學性能以及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成進行了研究。需進一步研究沙漠砂混凝土的高強度和高性能、沙漠砂混凝土的耐久性和沙漠砂混凝土桿件梁板柱受力開裂特點，逐步實現(xiàn)沙漠砂混凝土的規(guī)范使用。

全面和系統(tǒng)研究沙漠砂的工程特性和沙漠砂混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理性能，優(yōu)化沙漠砂混凝土配合參數(shù)，使得沙漠砂資源化和沙漠砂混凝土的實用化和工程化，有效減緩?fù)恋鼗哪痛龠M新型建筑材料的開發(fā)和利用。既保護了環(huán)境，也實現(xiàn)了自然資源有效利用，更實現(xiàn)了國家“青山綠水”科學環(huán)保發(fā)展。沙漠砂混凝土具有良好的經(jīng)濟社會效益，將來有望成為綠色環(huán)保工程材料。