國內(nèi)特細(xì)砂混凝土研究進(jìn)展與前景分析

李佐宇，李華強(qiáng)，周淵

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人民生活水平的提高，我國土木工程建設(shè)技術(shù)也迎來了快速發(fā)展，為此需要大量的建筑材料供給來滿足建設(shè)的需求。而混凝土作為土木工程建設(shè)過程中最基本也是最重要的材料，需求量急劇增加。砂子作為混凝土必不可少的組成成分，混凝土用砂的矛盾日趨激烈，但是儲(chǔ)量有限的天然河砂、湖砂幾乎是一種不可再生資源，若使用資源豐富的海砂，則會(huì)導(dǎo)致建筑工程中出現(xiàn)氯離子腐蝕鋼筋的現(xiàn)象。

鑒于上述現(xiàn)狀，尋找能夠滿足當(dāng)前土木工程建設(shè)過程中混凝土用砂的砂源顯得尤為重要。近年來，工程建設(shè)者們把目光投向特細(xì)砂資源的使用，縱觀我國特細(xì)砂混凝土的使用歷史可以追溯到70年前，1921年我國河南洛河天津橋建設(shè)項(xiàng)目和1935年重慶大溪溝火力發(fā)電站等建設(shè)工程，就已經(jīng)采用了特細(xì)砂混凝土。實(shí)踐證明，特細(xì)砂與混凝土的科學(xué)合理配制將帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。本文通過分析特細(xì)砂混凝土存在的缺陷，基于對(duì)現(xiàn)階段國內(nèi)學(xué)者對(duì)特細(xì)砂混凝土研究成果的綜述，提出了特細(xì)砂混凝土研究趨勢(shì)和未來前景，為拓展特細(xì)砂混凝土在土木工程建設(shè)工程中的運(yùn)用提供理論參考。

2 特細(xì)砂混凝土的缺陷

2.1 和易性較差

特細(xì)砂相對(duì)中砂和粗砂來說，粒徑更小，細(xì)度模數(shù)在0.7至1.5之間，這就導(dǎo)致了特細(xì)砂的級(jí)配較差，如果把中砂和粗砂用特細(xì)砂取代，特細(xì)砂與混凝土進(jìn)行混合，出現(xiàn)混凝土分層離析現(xiàn)象，這種現(xiàn)象可以體現(xiàn)在以下兩種情況，一種是上浮集中到混凝土表面，一種是下沉聚集到混凝土底部，這時(shí)，就會(huì)影響混凝土的和易性。依據(jù)特細(xì)砂的特性，特細(xì)砂混凝土和易性較差主要有以下表現(xiàn)：拌合物粘聚力較大導(dǎo)致澆筑難度增大，拌合物過于松散從而出現(xiàn)不易粘結(jié)，在混凝土澆筑過程中會(huì)出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象，這是由于水泥砂漿無法填滿骨料，使得兩者之間會(huì)出現(xiàn)孔隙，從而難以實(shí)現(xiàn)振搗密實(shí)。

2.2 強(qiáng)度不滿足要求

正如上一節(jié)所提到的特細(xì)砂與中砂和粗砂相比，粒徑更小，這時(shí)特細(xì)砂表面吸附的水分也隨之增多。在特細(xì)砂混凝土吸附的拌合之后，由于水的蒸發(fā)，就會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多孔隙，呈現(xiàn)勻質(zhì)性較差，降低了特細(xì)砂混凝土強(qiáng)度，從而所得到的強(qiáng)度達(dá)不到工程施工要求，影響了工程質(zhì)量。工程實(shí)踐還發(fā)現(xiàn)，同批次的混凝土中還存在個(gè)別試塊強(qiáng)度值過高或過低，呈現(xiàn)特細(xì)砂混凝土強(qiáng)度不夠穩(wěn)定，從而導(dǎo)致難以保證工程質(zhì)量。

2.3 水泥用量大

特細(xì)砂呈現(xiàn)屬性為粒徑較小、級(jí)配較差、拌合物粘聚性較大，這些屬性導(dǎo)致其流動(dòng)性下降。當(dāng)前工程實(shí)踐中，對(duì)混凝土流動(dòng)性有較高的要求，當(dāng)水膠比一定時(shí)，這就需要通過增加水泥漿的用量來提高特細(xì)砂混凝土的流動(dòng)性能。然而若增加水泥漿占比，這就會(huì)加劇特細(xì)砂混凝土的收縮和徐變現(xiàn)象，從而容易導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力的損失，同時(shí)還增加了配制特細(xì)砂混凝土的經(jīng)濟(jì)成本。

2.4 易開裂

通過對(duì)在許多工程中特細(xì)砂混凝土的開裂問題分析發(fā)現(xiàn)，其重要的一個(gè)原因是特細(xì)砂自身的材質(zhì)特性。特細(xì)砂混凝土配制出現(xiàn)孔隙率較大，為此需要更多的水泥漿來填補(bǔ)空隙，這就助推了徐變和收縮的形成。當(dāng)特細(xì)砂混凝土受到外力、或者外界溫度變化較大、或者環(huán)境濕度出現(xiàn)浮動(dòng)，特細(xì)砂混凝土這時(shí)可能會(huì)發(fā)生可逆變形或者不可逆變形，影響了特細(xì)砂混凝土質(zhì)量。再者，當(dāng)可逆變形或者不可逆變形遇到外界束縛時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，如果拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)，這就會(huì)使得特細(xì)砂混凝土開裂，最終影響了工程的抗裂能力。

3 特細(xì)砂混凝土的研究進(jìn)展

3.1 有關(guān)特細(xì)砂泵送混凝土的研究

閆靜安為了解決特細(xì)砂配制混凝土過程中導(dǎo)致的泵送難和易開裂等問題（如粘性過大、流動(dòng)性低、混凝土收縮增大），通過利用超量摻入粉煤灰來替代部分細(xì)骨料，并摻入低量礦粉，提出了“一超一低”法來實(shí)現(xiàn)單獨(dú)使用特細(xì)砂配制泵送混凝土；張向斌、婁宗科等通過分析水膠比、砂率、粉煤灰摻量等因素對(duì)特細(xì)砂泵送混凝土強(qiáng)度及其可泵性的影響機(jī)理，采用正交試驗(yàn)法研究發(fā)現(xiàn)，使用特細(xì)砂配制泵送混凝土的水膠比最優(yōu)區(qū)間為0.35～0.45，砂率的最優(yōu)區(qū)間為 24%～30%，粉煤灰摻量的占比最優(yōu)為10%～30%，試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)摻入適量減水劑以及使用連續(xù)級(jí)配的粗骨料也有助于改善混凝土的性能。

3.2 有關(guān)摻合料在特細(xì)砂混凝土中的應(yīng)用研究

經(jīng)過多年的發(fā)展，土木工程建設(shè)過程中配制超細(xì)砂混凝土的方法也逐漸增多，比如摻加粉煤灰和礦粉。王赫為了延長(zhǎng)特細(xì)砂混凝土的凝結(jié)時(shí)間，在超細(xì)砂混凝土中摻加礦粉進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明摻加礦粉后超細(xì)砂混凝土的粘聚性有了明顯提高，同時(shí)還可以對(duì)早期的溫度進(jìn)行有效控制，并實(shí)現(xiàn)了改善特細(xì)砂混凝土耐久性的效果。陳思甜等在原川黔公路的改造工程中，為了增加混凝土強(qiáng)度和耐磨性，進(jìn)行添加試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入適量的硅粉可以較好地達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并且還認(rèn)為添加了硅粉的特細(xì)砂混凝土可以減薄高等級(jí)路面厚度。

3.3 有關(guān)特細(xì)砂混凝土“三低一超”設(shè)計(jì)原則的研究

謝祥明等通過混凝土的物理力學(xué)性能、變形性能和經(jīng)濟(jì)性能試驗(yàn)研究，提出了一種“三低一超”設(shè)計(jì)方法來優(yōu)化特細(xì)砂混凝土配合比，此方法的運(yùn)用較好地改善了上述所說的三種性能；周林飛等基于謝祥明提出的“三低一超”的配制方法，分析發(fā)現(xiàn)影響特細(xì)砂混凝土強(qiáng)度的主要因素分別是出水灰比和砂率。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出，當(dāng)水灰比為0.45、砂率為0.33時(shí)，特細(xì)砂混凝土強(qiáng)度最高，這時(shí)其抗壓強(qiáng)度略高于中砂混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)水灰比為某一定值時(shí)，若滿足不同強(qiáng)度等級(jí)的要求，這時(shí)就可以通過調(diào)整砂率來改變混凝土拌合物的抗壓強(qiáng)度以達(dá)到相應(yīng)要求，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度都能完全滿足建設(shè)工程的強(qiáng)度要求；姚汝方等提出了“三低兩摻”的概念，即基于“三低一超”方法加入了適量的高效減水劑，這種方法有效地解決了特細(xì)砂混凝土收縮大、易開裂的問題，并且較好地提高了特細(xì)砂混凝土的耐久性與安全性。尤其要指出的是，在冬期施工過程中利用“三低兩摻”方法還能滿足抗凍性和抗?jié)B性等要求。

3.4 有關(guān)特細(xì)砂混凝土分層離析現(xiàn)象的研究

吳芳等為了探索混凝土出現(xiàn)分層的內(nèi)在原因，利用流體力學(xué)理論，通過分析混凝土骨料形狀及其表面狀態(tài)，深入研究粒子形態(tài)與其運(yùn)動(dòng)情況的相關(guān)關(guān)系；胡文忠等分析了混凝土材料組成、材料之間的配合比和混凝土外加劑等，并探索了混凝土摻合料分層現(xiàn)象，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)特細(xì)砂混凝土原材料嚴(yán)格篩選、合理優(yōu)化材料配合比以及選用適當(dāng)?shù)氖┕し椒ň涂梢暂^好地防止和控制特細(xì)砂混凝土的分層現(xiàn)象。

3.5 有關(guān)特細(xì)砂混凝土在海外工程中的應(yīng)用

位于非洲撒哈拉沙漠西部的毛里塔尼亞，該國土地被沙漠覆蓋超過了國土面積的一半，可見擁有十分豐富的沙漠特細(xì)砂資源。為了有效利用這些沙漠特細(xì)砂資源，毛里塔尼亞啟動(dòng)了努瓦迪布新礦石碼頭工程，該工程運(yùn)用了一種雙摻技術(shù)，即“摻用機(jī)制砂、摻用減水劑”技術(shù)，利用這種雙摻技術(shù)配制的沙漠砂C50高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土，具有強(qiáng)度高、和易性好、較強(qiáng)的抗裂性及抗硫酸鹽腐蝕性能；位于非洲東部的肯尼亞，是“一帶一路”倡議在非洲東部地區(qū)布局的首站，由于該國特細(xì)砂資源缺乏，要在東非最大港口城市蒙巴薩與首都內(nèi)羅畢之間建設(shè)鐵路則困難重重，研究者們通過特細(xì)砂與機(jī)制砂復(fù)合和大吸水率骨料處理工程試驗(yàn)成功解決了此問題，研究者配制出的C20-C50強(qiáng)度等級(jí)特細(xì)砂混凝土，把特細(xì)砂成功地運(yùn)用在蒙內(nèi)鐵路工程中，并且施工成本得到了有效降低，同時(shí)還保證了施工進(jìn)度。

3.6 水工特細(xì)砂混凝土

李光偉通過選取表征特細(xì)砂混凝土的性能的諸多指標(biāo)來進(jìn)行試驗(yàn)研究，這些性能參數(shù)包括強(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，運(yùn)用“三低一超”法對(duì)水工特細(xì)砂混凝土進(jìn)行配制，研究發(fā)現(xiàn)在某些情形下特細(xì)砂混凝土表現(xiàn)出收縮變形小、絕熱溫升低、抗?jié)B抗沖磨能力強(qiáng)等特征，但在混凝土形成的早期則呈現(xiàn)出強(qiáng)度低、彈性強(qiáng)度較高、極限拉伸值低、抗碳化能力低等缺陷；曾凡江為了提高特細(xì)砂混凝土強(qiáng)度，結(jié)合使用高性能泵送劑能夠?qū)崿F(xiàn)在拌合期間的用水量減少的經(jīng)驗(yàn)，并加入超細(xì)礦渣粉，所制作成的特細(xì)砂水工混凝土，能夠降低水膠比，還能夠較好地提高混凝土微膨效果和強(qiáng)度，這種加入復(fù)合材料的方法一方面可以有效補(bǔ)償收縮，另一方面還能起到保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)混凝土材料持久穩(wěn)定。

4 特細(xì)砂混凝土的研究前景

4.1 對(duì)配制高性能特細(xì)砂混凝土的研究

低流動(dòng)性是目前市面上配制特細(xì)砂混凝土所遵守的特點(diǎn)，但是在混凝土輸送過程中卻要求特細(xì)砂混凝土具有高工作性，這兩者是相矛盾的。當(dāng)尋求使用特細(xì)砂與混凝土進(jìn)行配比來達(dá)到高性能配制時(shí)，其技術(shù)難點(diǎn)在于特細(xì)砂的細(xì)度模數(shù)相對(duì)中砂和粗砂來說偏小，這樣會(huì)影響配制后的特細(xì)砂混凝土的高工作性，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致其他欠缺。改善特細(xì)砂的級(jí)配缺陷，如何配制高性能的特細(xì)砂混凝土還需要進(jìn)一步地展開研究。

4.2 針對(duì)沙漠特細(xì)砂進(jìn)行更多的研究

通過對(duì)當(dāng)前公開的文獻(xiàn)成果來說，大多數(shù)學(xué)者在研究特細(xì)砂混凝土的性能時(shí)，關(guān)注較多的是河流特細(xì)砂，而對(duì)于沙漠特細(xì)砂的研究成果相對(duì)較少，沒能像特細(xì)河砂研究那么深入，針對(duì)沙漠特細(xì)砂與特細(xì)河砂在工程性質(zhì)以及工程應(yīng)用的差異研究得還不夠完善，在沙漠特細(xì)砂的物理化學(xué)特性、特細(xì)砂混凝土強(qiáng)度、耐久性、養(yǎng)護(hù)方法等方面還需要進(jìn)一步展開研究，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大沙漠砂的使用范圍，力爭(zhēng)研制出與普通混凝土性能相近配制的特細(xì)砂混凝土提供工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4.3 針對(duì)特細(xì)砂混凝土的界面性能研究

通常來說把細(xì)骨料與水泥漿體之間的界面體積稱為二級(jí)界面體積。相對(duì)于粗砂或中砂普通混凝土的二級(jí)界面體積來說，特細(xì)砂混凝土的二級(jí)界面體積要大很多，這是特細(xì)砂細(xì)度模數(shù)較小，比表面積較大等特性所導(dǎo)致的。由于我國針對(duì)粗砂或中砂普通混凝土的研究較為深入，然而對(duì)于特細(xì)砂混凝土的研究還不足，尤其缺乏對(duì)特細(xì)砂混凝土二級(jí)界面的重要性認(rèn)識(shí)，至今還沒有形成較為完整的學(xué)科體系。為此，急需探索特細(xì)砂混凝土二級(jí)界面的微觀結(jié)構(gòu)機(jī)理，來解析特細(xì)砂混凝土宏觀特性，最終實(shí)現(xiàn)有效地改善特細(xì)砂混凝土性能。

5 結(jié)語

本文對(duì)目前特細(xì)砂混凝土的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)在特細(xì)砂混凝土配制過程中存在四種缺陷，并基于現(xiàn)狀分析和缺陷，提出了特細(xì)砂混凝土研究熱點(diǎn)，試圖為深入開展特細(xì)砂混凝土的研究以及工程應(yīng)用提供理論支撐。