養(yǎng)護溫度與沙漠砂替代率對機制砂混凝土抗壓強度與孔結構的影響

摘要： 為探究不同養(yǎng)護溫度下沙漠砂替代率對機制砂混凝土抗壓強度及孔結構的影響規(guī)律，試驗選用不同比例的沙漠砂替代機制砂用作細骨料配制C40混凝土.測試不同沙漠砂替代率下混凝土的抗壓強度，借助SEM，XRD、核磁共振等測試手段分析不同養(yǎng)護溫度下，混凝土水化產物、微觀形貌及孔結構.結果表明：標準養(yǎng)護下沙漠砂體積替代率為30%時，混凝土抗壓強度最高；沙漠砂替代機制砂降低了混凝土低溫養(yǎng)護下7 d強度損失率，減緩了高溫水泥水化的速率；30%的沙漠砂替代機制砂，改善了骨料的顆粒級配，優(yōu)化了混凝土內部的孔隙結構，從而提高了體系的密實性；考慮到混凝土孔隙結構的復雜性，引入分形維數(shù)間接評價混凝土的孔隙特征，其分形維數(shù)具有分段性；將分形維數(shù)與孔徑分布進行線性擬合，分形維數(shù)與無害孔呈正比關系，與多害孔呈反比關系.該研究可為10～30 ℃養(yǎng)護下混合砂混凝土的研究與實踐提供一定的參考.

關鍵詞： 養(yǎng)護溫度；沙漠砂替代率；機制砂混凝土；抗壓強度；孔結構

中圖分類號： TU528 文獻標志碼： A 文章編號： 1674-8530（2025）01-0045-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0241

郭雨雨，周海龍，張潔，等. 養(yǎng)護溫度與沙漠砂替代率對機制砂混凝土抗壓強度與孔結構的影響［J］.排灌機械工程學報，2025，43（1）：45-52.

GUO Yuyu， ZHOU Hailong， ZHANG Jie， et al. Effects of curing temperature and desert sand replacement rate on compressive strength and pore structure of manufactured sand concrete［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME），2025，43（1）：45-52.（in Chinese）

Effects of curing temperature and desert sand replacement

rate on compressive strength and pore structure of

manufactured sand concrete

GUO Yuyu1， ZHOU Hailong1*， ZHANG Jie2， HAN Changjun1， WANG Hailong1

（1. College of Water Conservancy and Civil Engineering， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010018， China；2. School of Materials Science and Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang， Liaoning 110168， China）

Abstract： In order to investigate the effect of desert sand replacement rate on the compressive strength and pore structure of manufactured sand concrete at different curing temperatures， different proportions of desert sand were utilized to replace manufactured sand as fine aggregate to prepare C40 concrete. The compressive strength of concrete under different desert sand replacement rate was tested. The hydration products， micro-morphology and pore structure were analyzed by SEM， XRD and nuclear magnetic resonance methods. The results show that the compressive strength of concrete is the highest when the volume replacement rate of desert sand is 30% under standard curing. The replacement of manufactured sand by desert sand reduces the 7-day strength loss rate of concrete under low temperature curing， and slows down the hydration rate of high temperature cement. Replacing 30% of manufactured sand with desert sand， which improves the particle composition of the aggregates and optimizes the pore structure inside the concrete matrix， thus improving the overall compactness of the system. Given the intricate nature of concrete pore structure， the concept of fractal dimension is introduced as an indirect method to evaluate the pore characteristics. Notably， the fractal dimension exhibits segmentation. The fractal dimension is linearly fitted with the aperture distribution. The fractal dimension is positively proportional to harmless hole andinversely proportional to the multi-damage hole. This study can provide certain references for the research and practice of mixed sand concrete under curing temperatures ranging from 10 ℃ to 30 ℃.

Key words： curing temperature;desert sand replacement rate;manufactured sand concrete;compressive strength;pore structure

近年來，中國持續(xù)強化農業(yè)基礎地位.隨著農業(yè)的快速發(fā)展，對灌區(qū)排水工程的質量提出了更高的要求，混凝土［1］在當前工程被廣泛應用，因此，提高混凝土材料的質量尤為重要.砂作為混凝土的細骨料，平均占單方混凝土用量的20%～40%，使用量較大；在全球范圍內，砂石礦山開采量超過總礦山開采量的一半［2］；目前天然砂仍然是中國大部分地區(qū)工程建設的首選材料，隨著不斷地開采，天然砂資源面臨著枯竭；因此，尋找天然砂替代品的問題亟待解決.

國內外學者針對機制砂代替天然砂做了一系列研究.雖然眾多的研究成果表明機制砂能夠代替天然砂解決建筑砂石緊缺的難題，但是機制砂在實際工程中的應用不可避免地產生了一些問題：如機制砂棱角多，針片狀等顆粒特征使得機制砂混凝土組織內部孔隙數(shù)量多，導致了機制砂混凝土各項性能降低.

中國擁有豐富的沙漠砂資源，與天然砂相比，沙漠砂渾圓的小顆粒用作細骨料，能夠改善骨料級配，減少混凝土孔隙率［3］，而且具有火山灰效應的活性組分和異相成核的作用［4］，但隨著沙漠砂替代率的增加，細骨料級配出現(xiàn)斷層，導致抗壓強度顯著降低［5］.為了提高沙漠砂的利用率，學者通過添加礦物摻合料［6］、改變養(yǎng)護方式［7］來提升沙漠砂混凝土性能.由于中國地理環(huán)境的差異，沙漠砂資源集中北方地區(qū)［8］，因此在北方地區(qū)應用沙漠砂有著更顯著的經濟效益.目前，沙漠砂主要集中應用于路基工程［9］，工程建設中的應用還較少.然而在中國北方地區(qū)夏秋季節(jié)溫度為10～35 ℃，因此在標準養(yǎng)護溫度20±10 ℃的情況下，研究不同沙漠砂替代率與機制砂共同作用能否提高混凝土抗壓強度，改善密實孔結構，有著重要的意義.

基于上述背景，文中通過測試不同沙漠砂替代率下機制砂混凝土的7 d，28 d抗壓強度，探究沙漠砂替代率對機制砂混凝土強度的影響規(guī)律.設計基準組機制砂混凝土、強度最優(yōu)組30%混合砂混凝土和強度最差組沙漠砂混凝土，在養(yǎng)護溫度為10，20和30 ℃下進行強度對比試驗，探究養(yǎng)護溫度對混合砂混凝土強度及孔結構影響規(guī)律，為沙漠砂資源的有效利用、建筑用砂問題的矛盾解決、建筑行業(yè)碳排放碳中和目標的實現(xiàn)提供技術支持.

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥選用內蒙古冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為2.98 g/cm3，初凝和終凝時間分別為172 min和385 min，體積安定性良好，7 d和28 d抗壓強度分別29.6 MPa，58.0 MPa；粉煤灰采用河南鉑潤鑄造材料有限公司生產的Ⅱ級灰，密度為2.58 g/cm3；細骨料采用烏蘭察布市卓資山碎石場生產的玄武巖機制砂和內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市庫布齊沙漠的沙漠砂，主要物理性能見表1，表中ρ為表觀密度，a為含泥質量百分數(shù)，S為石粉質量百分數(shù)，f為細度模數(shù)，w為水分質量百分數(shù)；圖1為機制砂與沙漠砂顆粒級配分布，圖中d為篩孔直徑，γ為累計通過率；粗骨料選用玄武巖機制碎石5～25 mm連續(xù)級配；減水劑選用江蘇點石科技有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%；拌合用水為呼和浩特市自來水.

1.2 配合比設計

試驗設計混凝土強度等級為C40，參照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55—2011），水膠比為0.42，減水劑摻量為膠凝材料質量的1%，以一定體積分數(shù)的沙漠砂等體積代替機制砂，沙漠砂體積替代率VR為0～100%.混凝土配合比m見表2，表中βS為砂率.

1.3 試驗方法

① 坍落度和擴展度試驗：根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016）進行. ② 抗壓強度試驗：根據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）進行，制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，放入溫度分別為10±1 ℃，20±1 ℃，30±1 ℃，相對濕度≥95%的養(yǎng)護箱養(yǎng)護，選用YAW－2000D微機控制伺服壓力試驗機測定7 d，28 d抗壓強度. ③ 核磁共振試驗：測試前進行鉆心切割取樣，切割成48 mm×50 mm的圓柱體試樣并進行真空飽水，飽水24 h后采用紐邁MesoR23-060V-1型核磁共振系統(tǒng)測定混凝土的孔結構. ④ 掃描電鏡（SEM）觀察：破碎試樣后，從試樣中間的不同位置取樣并烘干至恒重，采用FEI-NOVA NANO 230型場發(fā)射掃描電鏡對試樣的微觀形貌進行觀測. ⑤ XRD分析：將養(yǎng)護至規(guī)定齡期的混凝土試樣破碎，取中間不同部位試樣，研磨后置于真空干燥箱制樣，烘干的試樣過80 μm篩后取樣，采用DX-2000型進行XRD測試，掃射角度為5°～70°，掃射速率為10°/min.

2 試驗結果與分析

2.1 坍落度和擴展度

圖2為混凝土工作性能曲線，圖中N為樣品編號，c和e分別為混凝土坍落度、擴展度.由圖可知，隨著沙漠砂替代率增大，混凝土坍落度和擴展度逐漸減小，這是因為沙漠砂粒徑較小，當沙漠砂替代率增大時，混凝土中細骨料的總表面積逐漸變大，相同水泥漿用量下，骨料表面包裹的漿量減少，表面更加黏稠，導致其工作性能不斷降低.

2.2 混凝土抗壓強度

2.2.1 沙漠砂替代率對混凝土抗壓強度的影響

圖3為不同沙漠砂體積替代率下混凝土強度，圖中σ為抗壓強度.由圖可知，沙漠砂體積替代率低于30%時，機制砂混凝土強度隨替代率增大而不斷提高；當沙漠砂體積替代率為30%時，混凝土強度達到最大值，與機制砂混凝土（D0）相比，7 d和28 d強度分別提高21%和13%；沙漠砂體積替代率高于30%時，混凝土強度隨替代率增大呈降低趨勢；當沙漠砂體積替代率超過60%時，其強度低于機制砂混凝土.機制砂棱角不規(guī)則且顆粒級配大；沙漠砂為特細砂且表面光滑、粒徑圓潤.適量沙漠砂替代機制砂時，改善了混凝土內部的顆粒級配，填充了孔隙，且降低了水泥漿體與粗骨料之間的摩擦力，使得漿體更容易進入孔隙而增大密實度，因此適量的沙漠砂提高了機制砂混凝土的抗壓強度；隨著替代率繼續(xù)增大，沙漠砂成為混凝土內部的主要細骨料，其本身強度較低，導致了混凝土抗壓強度降低.此外，由于骨料級配中斷，導致骨架體系出現(xiàn)多尺寸細小孔隙無法被填充，進一步導致了抗壓強度降低.

2.2.2 養(yǎng)護溫度對混凝土抗壓強度的影響

圖4為基準組機制砂混凝土（D0）、強度最優(yōu)組30%混合砂混凝土（D3）、強度最差組沙漠砂混凝土（D10），分別在養(yǎng)護溫度（t）為10，20，30 ℃下的7 d，28 d抗壓強度.與標準養(yǎng)護相比，10 ℃養(yǎng)護下D0，7 d抗壓強度降低了9%，30 ℃養(yǎng)護提高了6%.這是因為當養(yǎng)護溫度降低時，普通硅酸鹽水泥水化速率降低，水化硅酸鈣凝膠數(shù)量減少，從而導致早期抗壓強度發(fā)展較低［10］.與D0相比，D3在10，20，30 ℃下，7 d抗壓強度分別提高了24%，21%，18%；由于沙漠砂吸收了體系中游離的自由水，使得混凝土低溫水化慢，高溫水化過快的現(xiàn)象有所改善，有利于混凝土整體密實提升，因此表現(xiàn)為D3組高低溫養(yǎng)護下抗壓強度提升.100%替代率的沙漠砂混凝土在10，20，30 ℃的7 d抗壓強度，與D0相比，分別降低了5.5%，7.5%，7.5%；由于相同用水量下，D10組的流動性最差，這導致了起膠結作用的漿體不能完全地包裹骨料而結構松散，因此在宏觀上表現(xiàn)為不同養(yǎng)護溫度下，D10組抗壓強度顯著下降.

2.3 混凝土微觀形貌

為了進一步分析沙漠砂替代率、養(yǎng)護溫度對混合砂混凝土微觀結構的影響，分別選取20 ℃養(yǎng)護28 d的D0，D3，D10試樣，以及不同養(yǎng)護溫度養(yǎng)護28 d的D3試樣，對其微觀形貌進行分析.圖5為混凝土水化產物的5 000倍掃描電鏡圖.由圖5a，5b，5c可以看出，機制砂混凝土存在相對較長長裂紋，適量的沙漠砂替代機制砂，填補了長裂紋，改善了混凝土界面過渡區(qū)的結構，使得整個體系緊密地膠結在一起；過量的沙漠砂替代機制砂，整個體系松散，膠凝材料與骨料之間散狀堆積，裂縫較多.由圖5b，5d，5e可以看出，與20 ℃養(yǎng)護相比，10 ℃下養(yǎng)護的混合砂混凝土（D3）AFt非常細小，氫氧化鈣（CH）晶體較少，團簇狀的水化硅酸鈣（C-S-H）形態(tài)細小但形成了致密的網狀結構，試樣表面存在少量微裂縫，整個體系相對密實，這與10 ℃養(yǎng)護下，30%沙漠砂替代機制砂降低了低溫養(yǎng)護混凝土強度損失率相互印證；與20 ℃養(yǎng)護相比，30 ℃下養(yǎng)護時，界面過渡區(qū)發(fā)現(xiàn)明顯的長裂縫，整個體系松散，這說明溫度影響了在水化產物的堆積形態(tài)，水化產物分布不均勻，影響了抗壓強度的增長.

2.4 XRD分析

圖6a為20 ℃養(yǎng)護28 d，D0，D3，D10水化產物的XRD圖譜.可以看出，D0水化產物中SiO2的含量最高，與D10相比，D0硅酸三鈣（C3S）和硅酸二鈣（C2S）的衍射峰強度（Ic）增大，氫氧化鈣（CH）、鈣礬石（AFt）衍射峰強度減弱，這是因為沙漠砂吸水率較大，在水泥水化反應中表現(xiàn)為與水泥顆?！皳屗?，因此上述試驗沙漠砂混凝土強度降低.

圖6b為試樣D3在不同溫度下養(yǎng)護水化產物的XRD圖譜.可以看出養(yǎng)護溫度影響著水化產物的反應速率.養(yǎng)護溫度升高，加速了水泥水化反應，30 ℃下C3S和C2S的衍射峰最低，水化產物AFt的衍射峰最高，這說明30 ℃養(yǎng)護在很大程度上促進了水泥顆粒的水化，此時大量的C3S和C2S持續(xù)地被消耗生成了AFt，主要體現(xiàn)在衍射角分別等于31.9°和9.2°時，C3S，C2S和AFt衍射峰的變化上.

2.5 混凝土孔結構

圖7為D0，D3，D10在10，20，30 ℃養(yǎng)護7 d，28 d的核磁共振橫向弛豫時間T2分布曲線（As為峰值），可見不同養(yǎng)護溫度下3類混凝土的圖譜均呈現(xiàn)3峰結構，其中左側第1峰表示小孔（凝膠孔），中間第2峰表示中孔（毛細孔），右側第3峰表示大孔及微裂縫［11］.與基準組D0相比，D3組在不同養(yǎng)護溫度下峰面積最小，由于30%的沙漠砂發(fā)揮了填充效應，提高了體系的密實度，宏觀上提高了強度，因此峰面積下降.養(yǎng)護齡期為7 d時，3類混凝土在不同養(yǎng)護溫度下峰面積隨溫度升高呈遞減趨勢；相比于20 ℃養(yǎng)護，10 ℃養(yǎng)護延緩了水泥水化進程，使得混凝土前期水化不夠充分并且存在較大孔徑的孔；30 ℃的養(yǎng)護溫度提高了水泥水化速率，因此整體孔徑變小.養(yǎng)護齡期為28 d時，與20 ℃相比，30 ℃養(yǎng)護下D0的T2時間顯著右移；與D10相比，D3的T2時間左移.這是因為30 ℃養(yǎng)護時，水泥水化速率較快，水化產物的晶體粗大，這導致了機制砂混凝土的孔徑較大.當30%的沙漠砂替代機制砂時，吸水率較大的沙漠砂能夠消耗一部分水減緩水化速率［12］，因此30 ℃養(yǎng)護時混合砂混凝土水化產物的生成更加均勻，這與30 ℃混合砂混凝土較高的后期強度相互印證.

為了更加直觀地體現(xiàn)孔徑變化，表3列出了不同溫度下3類混凝土最可幾孔徑Smp和最大孔徑Smax（表中T為齡期）.養(yǎng)護28 d時，3類混凝土在30 ℃養(yǎng)護下，Smax均最大，故30 ℃養(yǎng)護不利于混凝土密實.

圖8為D0，D3，D10在10，20，30 ℃養(yǎng)護7 d，28 d的孔徑分布圖，圖中δ為孔徑類型占比，θpd為孔隙率占比.依據(jù)孔徑大小劃分孔徑類別：（0，20］nm為無害孔、（20，100］nm為少害孔、（100，200］nm為有害孔、gt;200 nm為多害孔，則D0在10，20，30 ℃養(yǎng)護7 d的多害孔占比分別為17%，18%和11%；D3多害孔占比分別為18%，12%，5%；D10多害孔占比為12%，7%和6%.對比不同養(yǎng)護溫度，發(fā)現(xiàn)30 ℃養(yǎng)護7 d，混凝土孔隙率均為最低.

10 ℃養(yǎng)護下7 d，與D0相比，D3和D10多害孔均降低了6%；20 ℃養(yǎng)護下7 d，與D0相比，D10多害孔降低了10%；30 ℃養(yǎng)護下7 d，與D0相比，D3混凝土多害孔數(shù)量比例降低了7%，D10混凝土降低了5%.這是因為10 ℃低溫養(yǎng)護下，沙漠砂可以吸收部分水彌補了低溫下水化慢、存在大孔的缺陷.此外，30 ℃高溫養(yǎng)護下，沙漠砂可以吸收部分水減緩了高溫下水化快、晶體粗大導致的結構缺陷［13］.反觀養(yǎng)護28 d，規(guī)律大致與7 d相似，但是沙漠砂混凝土較為特殊，7 d時，10 ℃養(yǎng)護的孔隙率高于30 ℃的，而28 d時，30 ℃孔隙率高于10 ℃的并且多害孔提高了4%.說明養(yǎng)護7 d，沙漠砂混凝土在30 ℃養(yǎng)護下發(fā)揮的作用大于10 ℃，而28 d則反之.

2.6 混凝土孔結構分形特征

由核磁共振試驗，可得到混凝土的微觀孔結構特征；根據(jù)T2譜曲線可以進一步計算得到D0，D3和D10分形維數(shù).根據(jù)幾何學分形理論，核磁共振T2譜對應的分形幾何近似公式［14］為

Sv=（T2max/T2）D-3，（1）

lg Sv=（3-D）lg T2+（D-3）lg T2max，（2）

式中：Sv為弛豫時間小于截止值時的累積孔隙體積占總孔隙體積百分比；D為分形維數(shù)；T2max為最大弛豫時間；此處T2截止值取值由核磁共振譜主次峰結構分布所決定.

針對核磁共振lg T2與lg Sv的關系，以弛豫時間截止值T2=10 ms為分界點，分別對lg T2≤1和lg T2gt;1兩段散點圖進行線性擬合并繪制如圖9所示的擬合曲線，lg T2與lg Sv滿足y=ax+b的線性關系.

由于篇幅有限，D0，D3和D10曲線擬合的相關參數(shù)略，相關系數(shù)R2介于0.709 4和0.947 4，因此可以用分形維數(shù)的方法表征孔結構.

進一步利用lg T2與lg Sv的關系曲線圖9計算分形維數(shù)Dmin和Dmax，結果見表4.同時，將無害孔與多害孔占比與核磁分形維數(shù)相結合，孔隙占比與分形維數(shù)Dmax關系如圖10所示.

由圖10可知，無害孔占比（Uh）和多害孔占比（Mh）與分形維數(shù)Dmax相關關系良好且Dmax與無害孔呈正比關系，與多害孔呈反比關系，說明分形維數(shù)Dmax越大，混凝土中無害孔占比越多，多害孔占比越小.因此，也可以通過分形維數(shù)間接地反映混凝土凝土部分孔隙的變化.

3 結 論

1） 隨著沙漠砂替代率增大，混凝土中細骨料的總表面積增大，相同用水量下，水泥漿體表面更加黏稠，混凝土的工作性能逐漸降低.

2） 標準養(yǎng)護下，混凝土抗壓強度隨沙漠砂替代率增大呈先增大后減小的趨勢；相同沙漠砂替代率下，混凝土7 d抗壓強度隨養(yǎng)護溫度升高呈上升趨勢，28 d抗壓強度呈先上升后下降的趨勢；文中試驗條件下：30%的沙漠砂體積替代率在20 ℃養(yǎng)護，有利于混凝土早期及后期強度的發(fā)展.

3） XRD測試結果表明沙漠砂混凝土的水化產物中SiO2含量較高；此外，沙漠砂吸收體系中游離的自由水使得混凝土水化產物的生成速率降低，減小了養(yǎng)護溫度對混凝土強度的影響.

4） SEM與NMR的測試結果表明30%的沙漠砂體積替代率能夠細化孔徑尺寸，促進大孔隙向小孔隙轉變，進而提升混凝土的密實度；當體積替代率為100%時，沙漠砂的填充效應達到閾值，膠凝材料和骨料之間的夾持力降低，并在界面過渡區(qū)開始形成裂縫；通過分形理論的計算發(fā)現(xiàn)Dmax與無害孔呈正比關系，與多害孔呈反比關系.

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（責任編輯 張文濤）

收稿日期： 2023-11-23； 修回日期： 2024-03-07； 網絡出版時間： 2025-01-07

網絡出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.th.20250106.1334.010

基金項目： 內蒙古自然科學基金資助項目（2024LHMS05026）；國家自然科學基金資助項目（52069024）；內蒙古自治區(qū)重大科技專項（2021ZD0007）；內蒙古自治區(qū)研究生教育教學改革項目（JGCG2023065）

第一作者簡介： 郭雨雨（1998—），男，內蒙古烏蘭察布人，碩士研究生（1143866696@qq.com），主要從事機制砂混凝土研究.

通信作者簡介： 周海龍（1981—），男，內蒙古烏蘭察布人，教授，博士（ndsjyzhl@126.com），主要從事新材料與新結構體系研究.