改良特細(xì)沙漠砂在港口混凝土中的應(yīng)用研究

呂世明 郭 丹 唐 凱

保利長(zhǎng)大海外工程有限公司

1 引言

隨著全球基礎(chǔ)設(shè)施的大范圍開展，尤其是大型水泥混凝土工程的建設(shè)，使得混凝土砂石原材料日益緊缺[1-3]。中砂是制備混凝土的原材料中必不可少的組成部分，但天然中砂資源逐年減少，已不能滿足工程建設(shè)需要，尋找合適的水泥混凝土砂石原材料替代品成了研究者和工程師關(guān)注的重點(diǎn)問題[4-6]。特細(xì)沙漠砂在全球廣泛分布，尤其是非洲撒哈拉沙漠地區(qū)、中國(guó)內(nèi)蒙古、新疆等大面積沙漠地區(qū)[7-8]。特細(xì)沙漠砂比表面積較大、細(xì)度模數(shù)較小，直接將其添加于水泥混凝土中極易導(dǎo)致水泥用量增大、強(qiáng)度降低，收縮率增大，從而造成生產(chǎn)成本提高，水泥混凝土的性能降低。因此，將特細(xì)沙漠砂進(jìn)行合理的改良，使其能夠作為水泥混凝土的原材料，是本文研究的目的[9-12]。

本文以毛里塔尼亞M201港口建設(shè)項(xiàng)目為工程背景，開展改良特細(xì)沙漠砂在港口混凝土中的應(yīng)用研究。該港口緊鄰大西洋，背靠撒哈拉沙漠。由于當(dāng)?shù)睾恿飨∩?，河砂資源緊缺，砂石料的供應(yīng)嚴(yán)重不足。尋找合適的河砂原材料替代品是本項(xiàng)目面臨的重大工程技術(shù)難題。本研究因地制宜，以項(xiàng)目所在地廣泛分布的特細(xì)沙漠砂作為原材料，通過將其與2mm～10mm 級(jí)配碎石按照一定比例混合，摻配成具有合理細(xì)度模數(shù)的中砂，使其能夠取代河砂，達(dá)到合理解決河砂資源緊缺、降低水泥混凝土原材料成本、改善項(xiàng)目港口水泥混凝土性能的目的。該項(xiàng)研究成果對(duì)于在沙漠地帶開展土木工程建設(shè)具有較強(qiáng)的借鑒意義。

2 特細(xì)沙漠砂性能測(cè)試

試驗(yàn)用砂取自項(xiàng)目所在地，距離海邊約1km 的范圍之內(nèi)。該區(qū)域的沙漠砂從濕度上具備取材的條件，有大量的沙漠砂可取，如圖1所示。

圖1 特細(xì)沙漠砂的分布情況

毛里塔尼亞地區(qū)特細(xì)沙漠砂的基本物理、化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，包括細(xì)度模數(shù)、表觀密度、吸水率、含泥量、硫化物、氯化物、堿活性物含量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 特細(xì)沙漠沙基本物理、化學(xué)指標(biāo)測(cè)試

由表1的結(jié)果可知，特細(xì)沙漠砂除細(xì)度模數(shù)偏小外，各項(xiàng)物理、化學(xué)指標(biāo)均和水泥混凝土規(guī)范中河砂的性能相近，滿足相關(guān)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)中砂材料的基本要求，尤其是其含泥量小，膨脹率小于0.1%的規(guī)定值，無(wú)潛在堿活性。

由于特細(xì)沙漠砂的細(xì)度模數(shù)僅為1.5，無(wú)法滿足混凝土工程中對(duì)中砂細(xì)度模數(shù)的基本要求，為合理提高特細(xì)沙漠砂的細(xì)度模數(shù)，本文將2mm～10mm 級(jí)配的破碎石按合理比例摻入特細(xì)沙漠砂，使得改良之后的沙漠砂達(dá)到中砂的細(xì)度模數(shù)（中砂細(xì)度模數(shù)范圍2.3～3.0），然后參照中砂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。利用坍塌度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)考察不同配比下的改良沙漠砂混凝土性能，以確定最優(yōu)配比。

3 摻特細(xì)沙漠砂的混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 特細(xì)沙漠砂及破碎石篩分結(jié)果

分別取當(dāng)?shù)靥丶?xì)沙漠砂及2mm～10mm的級(jí)配碎石進(jìn)行篩分試驗(yàn)，每次篩分試驗(yàn)重復(fù)三次，篩分結(jié)果取平均值，結(jié)果如表2所示。由表2可知，特細(xì)沙漠砂的粒徑主要分布于0.15mm～0.6mm之間，細(xì)度模數(shù)為1.5，而級(jí)配破碎石的粒徑主要分布于1.18m～4.75mm之間，其細(xì)度模數(shù)為4.8，若將二者以合理的比例摻配，合成砂的細(xì)度模數(shù)可以滿足混凝土規(guī)范中對(duì)中沙細(xì)度模數(shù)的要求，即滿足細(xì)度模數(shù)處于2.3～3.0 之間，從而能更好進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計(jì)，滿足混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的要求。

表2 特細(xì)沙漠砂及2mm～10mm級(jí)配碎石篩分結(jié)果

1.18 0 99.7 0.6 0.1 99.9 0.3 49.6 99.9 0.15 98.1 99.9 0.075 99.7 99.9篩底100 100

3.2 細(xì)度模數(shù)試配

基于上述篩分試驗(yàn)結(jié)果的分析，以保證合成級(jí)配的細(xì)度模數(shù)滿足中砂要求為前提，初步選定四種特細(xì)沙漠砂、級(jí)配破碎石的摻配比例，方案如表3所示，四種方案合成的中砂級(jí)配曲線如圖2 所示。采用上述四種方案的合成級(jí)配開展混凝土配合比設(shè)計(jì)。

圖2 四種方案合成的中砂級(jí)配曲線

3.3 摻特細(xì)沙漠砂的混凝土配合比設(shè)計(jì)

為優(yōu)化特細(xì)沙漠砂和級(jí)配破碎石的最佳摻配比例，在本研究混凝土配合比設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中考慮采用控制變量法，僅以摻配比例為唯一變量。本研究擬試配強(qiáng)度等級(jí)為C40的普通水泥混凝土，在混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中需要注重考慮水灰比、外加劑、砂率、級(jí)配。

（1）水灰比。水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素。特細(xì)沙漠砂的缺點(diǎn)是比表面積較大，和中粗砂相比，同等和易性混凝土需水量相對(duì)較高，導(dǎo)致水灰比增加混凝土強(qiáng)度降低，所以需嚴(yán)格控制用量，本研究通過多次試配，最終確定水灰比為0.37。水泥采用42.5R 的普通硅酸鹽水泥。（2）外加劑。為了保證混凝土坍落度、流動(dòng)性、和易性及強(qiáng)度，適當(dāng)增加了少量減水劑來(lái)控制用水量，減水劑的用量為膠凝材料的2.2%。（3）砂率。沙漠砂細(xì)度模數(shù)較小屬于特細(xì)砂，若采用普通中沙的砂率，將導(dǎo)致拌和物黏度增加，流動(dòng)性變差，且收縮性變大，易開裂。故配置中的最佳砂率應(yīng)比普通中砂的砂率要低7%～13%。（4）級(jí)配。由于沙漠砂粒徑小，直接與當(dāng)?shù)貜V泛使用的5～25 卵石調(diào)配混凝土，由于集料的連續(xù)級(jí)配不連續(xù)，混凝土易離析，增加當(dāng)?shù)?mm～10mm級(jí)配碎石后問題得到解決。

通過上述研究和分析，最終試配出四種方案的C40 混凝土配合比如表4所示，后續(xù)將分別開展上述四種混凝土性能測(cè)試。

表4 四種方案對(duì)應(yīng)的水泥混凝土的配合比

4 摻特細(xì)沙漠砂的混凝土性能測(cè)試

4.1 流動(dòng)性

為了評(píng)價(jià)特細(xì)沙漠砂摻量對(duì)混凝土流動(dòng)性能的影響，對(duì)上述四種混凝土的坍落度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 坍落度測(cè)試結(jié)果

由圖3可知，水泥混凝土坍落度會(huì)隨摻配比例中的特細(xì)沙漠砂的含量增高而降低。方案2 和方案3 的坍落度測(cè)試結(jié)果均滿足C40 混凝土坍落度的規(guī)范設(shè)計(jì)要求，而特細(xì)沙漠砂的摻配比例為45%時(shí)，混凝土的坍落度明顯大于規(guī)范推薦范圍，而當(dāng)特細(xì)沙漠砂的摻配比例達(dá)到60%時(shí)，試配的混凝土坍落度明顯小于規(guī)范推薦值，表明隨特細(xì)沙漠砂比例增大，混凝土的流動(dòng)性變差，從混凝土流動(dòng)性、施工和易性等的層面出發(fā)，特細(xì)沙漠砂摻配比例50%和55%是合理的。

4.2 強(qiáng)度

（1）抗壓強(qiáng)度測(cè)試。對(duì)上述四種配合比下的水泥混凝土抗壓試件按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件分別養(yǎng)生7 天和28 天，并分別測(cè)試上述四種配合比下混凝土的7 天和28 天抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方案下四種配合比下混凝土7天和28天抗壓強(qiáng)度

（2）抗折強(qiáng)度測(cè)試。將上述四種摻配比例試配出F4.5 路面混凝土，制作混凝土抗折試件。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下分別養(yǎng)生7天和28天，并分別測(cè)試上述四種比例下混凝土的7天和28天抗折強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方案下四種配合比下混凝土7天和28天抗折強(qiáng)度

由圖4、圖5 可知水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均隨特細(xì)沙漠砂摻配比例的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)特細(xì)沙漠砂的摻配比例達(dá)到55%時(shí)，水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值。究其原因是由于“中砂”（2mm～10mm小碎石）粒徑較大，而沙漠砂粒徑較小，可使混凝土內(nèi)部填充均勻增加混凝土強(qiáng)度。但由于沙漠砂本身是松散母巖風(fēng)化而成，自身強(qiáng)度小于中砂，因而當(dāng)沙漠砂比例較大時(shí)，隨沙漠砂的比例增加，摻特細(xì)沙漠砂的水泥混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

綜合水泥混凝土流動(dòng)性、強(qiáng)度等性能的分析結(jié)果可知，特細(xì)沙漠砂的摻配比例為55%時(shí)，混凝土的性能是最優(yōu)的，即本研究中的方案3。胸墻局部混凝土外觀圖6所示，胸墻整體混凝土外觀圖7所示。

圖6 胸墻局部混凝土外觀

圖7 胸墻整體混凝土外觀

（3）C50高強(qiáng)混凝土試配。對(duì)于高強(qiáng)混凝土，由于其強(qiáng)度較高，采用強(qiáng)度較小的沙漠砂配置時(shí)難度較大。故配置C50 水泥混凝土過程中，在基于混凝土最優(yōu)性能的摻配比例（特細(xì)沙漠砂摻配比例為55%），通過調(diào)整水泥的絕對(duì)用量進(jìn)行優(yōu)化配合比，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同水泥劑量下的C50混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖8 可知，在滿足齡期強(qiáng)度要求下（28d 達(dá)到設(shè)計(jì)值的120%左右），選擇456kg的水泥劑量可配置出C50高強(qiáng)水泥混凝土。C50高強(qiáng)混凝土項(xiàng)目應(yīng)用如圖9所示。

圖9 毛里塔尼亞M201港口建設(shè)項(xiàng)目C50高強(qiáng)連鎖塊鋪設(shè)應(yīng)用

采用混凝土性能最優(yōu)的摻配比列（方案3）可配置出滿足項(xiàng)目要求的各種強(qiáng)度的水泥混凝土，確保了沙漠砂混凝土在項(xiàng)目應(yīng)用中的全面性。下文將針對(duì)摻特細(xì)沙漠砂的水泥混凝土的應(yīng)用及其經(jīng)濟(jì)效益開展研究分析。

5 摻特細(xì)沙漠砂的混凝土應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益分析

基于上述研究結(jié)果，目前已通過摻配特細(xì)沙漠砂配置出各種強(qiáng)度的水泥混凝土，并已成功應(yīng)用于毛里塔尼亞M201港口建設(shè)項(xiàng)目，包括摻配特細(xì)沙漠砂的C50 水泥混凝土高強(qiáng)連鎖塊、C40 水泥混凝土碼頭胸墻、C30 水泥混凝土結(jié)構(gòu)房建主體等，如圖6、圖7、圖9、圖10所示。

圖10 改良特細(xì)沙漠砂在毛里塔尼亞M201港口建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用

對(duì)上述應(yīng)用成果的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)上述不同特細(xì)沙漠砂摻配比例的四種水泥混凝土，以及完全未使用特細(xì)沙漠砂的普通混凝土的成本進(jìn)行造價(jià)預(yù)算和對(duì)比，此次效益分析中以各方案中C40 配合比作為參考，各方案單方水泥混凝土預(yù)算造價(jià)及總造價(jià)匯總見表5。

表5 不同方案造價(jià)對(duì)比

由表5可知，本項(xiàng)目采用的方案3合成的中砂級(jí)配的單方水泥混凝土造價(jià)僅675元，而未使用特細(xì)沙漠砂的單方普通水泥混凝土造價(jià)為810元，僅以毛里塔尼亞201港口建設(shè)項(xiàng)目C40水泥混凝土的總用量估算，節(jié)省工程造價(jià)近1000萬(wàn)元。通過對(duì)特細(xì)沙漠砂的成功應(yīng)用，有效降低了項(xiàng)目原材料成本，為項(xiàng)目帶來(lái)了更好地經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

6 結(jié)論及展望

（1）通過將特細(xì)沙漠砂和2mm～10mm 級(jí)配碎石按照一定比例合理?yè)脚?，有效改善了特?xì)沙漠砂細(xì)度模數(shù)偏小的影響，從而形成一套完整的特細(xì)沙漠砂+粗集料應(yīng)用于各強(qiáng)度混凝土的技術(shù)方案，試配的水泥混凝土的流動(dòng)性、強(qiáng)度等各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范的技術(shù)要求。（2）本研究成果成功應(yīng)用于毛里塔尼亞M201 港口建設(shè)項(xiàng)目，不僅成功地利用了當(dāng)?shù)刭Y源，有效解決沙漠地區(qū)國(guó)家缺少河砂的窘?jīng)r，同時(shí)有效地降低混凝土原材料成本，提升效益。（3）本研究成果在毛里塔尼亞地區(qū)的應(yīng)用有利于推廣特細(xì)沙漠砂在其他類似環(huán)境沙漠地區(qū)國(guó)家的應(yīng)用，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)。