毛烏素沙漠砂制備混凝土配合比試驗研究

劉偉　鄧富玲　穆馳

摘要 隨著中國在沙漠地區工程建設的快速發展和傳統砂石資源日益短缺，沙漠砂資源化研究和工程應用備受關注。為有效緩解毛烏素沙漠地區天然筑路材料短缺，剔除普通混凝土中的粗集料的同時，混凝土中的細集料全部由沙漠砂代替，通過摻入活性膠凝材料提高沙漠砂混凝土剛度，摻入鋼纖維提高沙漠砂混凝土抗變形能力。經配合比設計試驗，制備出了具備不同力學性能的沙漠砂混凝土，力學性能最優的沙漠砂混凝土試樣抗壓強度達到了高強混凝土強度等級。不同配比的沙漠砂混凝土可滿足不同道路等級、不同結構層次的需求。

關鍵詞 沙漠砂;混凝土;配合比;資源化利用

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2020）06–0–03

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.06.070

沙漠化是人類共同面臨的一個重大環境問題，它嚴重威脅著人類生存和發展，中國是沙漠化最為嚴重的國家之一。毛烏素沙漠位于陜西省榆林地區和內蒙古自治區鄂爾多斯市之間，面積達4.22萬km2，對其周邊地區的社會經濟生活產生了諸多危害，影響深遠。沙漠中風積砂分布廣泛，既是一種危害，又是一種資源，科學合理利用可使其變害為寶。

隨著中國在沙漠地區工程建設的快速發展和傳統砂石資源日益短缺，沙漠砂資源化研究和工程應用也越來越多。王萍等[1]利用沙漠沙為原料，配以適量助熔劑、粘結劑等，經過高溫燒結制成了性能良好的透水磚，但因燒結過程中石英體積變化，產業化受影響。徐向舟等[2]以烘干的沙漠砂為主要骨料、高標號水泥為粘結劑，采用靜壓成型工藝，制備出各項物理性能達建筑材料行業透水磚標準要求的多孔混凝土砂基透水路面磚。孔玉坤[3]采用水泥、粉煤灰等膠凝材料加固風積砂做路基填料，研究了固化劑對穩定風積砂力學性能的影響。張平等[4]根據固化劑成分和特性，結合該地區風積砂的組成及性質，按不同劑量進行不同固化劑、不同土質固化試驗。何媛[5]用水泥、石灰、石灰粉煤灰三種無機類材料加固風積砂，通過重型擊實試驗分別研究各類材料摻量和不同含水量對密實度的影響及變化規律。李志強等[6]利用正交試驗方法對古爾班通古特沙漠砂混凝土工程特性進行試驗確定了沙漠砂混凝土的最優配合比。王彩波等[7]利用毛烏素沙地特細砂制備出了工作性能較好、強度達到C45的沙地特細砂混凝土。沙漠砂在制磚、筑路、建筑工程等領域被試驗可行且得到了一定應用。

為緩解毛烏素沙漠腹地及邊緣地區筑路粗細集料缺乏，減少流沙對當地環境破壞，擬對毛烏素沙漠地區沙漠砂混凝土配合比進行試驗研究，就地取材，制備出不同強度等級的沙漠砂混凝土，提高沙漠砂利用度，將沙漠砂變害為寶，以期對沙漠砂混凝土在毛烏素沙漠地區路面工程應用提供可行性試驗數據，降低地區筑路成本，減少因基建而引發的建筑材料過采問題，加快當地公路事業發展，走資源化可持續發展路子。

1 試驗

1.1 試驗原材料

集料：取至毛烏素沙漠的沙漠砂，粒徑累積分布曲線（圖1）;水泥：冀東牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥;硅灰：平均粒徑0.2 μm，比表面積為28 000 cm2/g;粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰，比表面積為6 000 cm2/g;減水劑：高效減水劑，減水率≥35%;鋼纖維：直徑0.2 mm，長度13 mm，抗拉強度大于2 860 MPa。

1.2 配合比設計

在設計過程中把握以下幾點：（1）保持沙漠砂和膠凝材料總量不變;（2）膠凝材料（水泥、粉煤灰和硅灰）摻量比為3∶2∶1;（3）減水劑摻量為膠凝材料的2%;（4）鋼纖維摻量為0、30、60、90kg/m3;（5）根據拌和狀態確定水膠比。一共設計了38組試驗配比，研究不同集膠比，不同纖維摻量對沙漠砂高性能混凝土力學性能的影響（表1）。

1.3 成型與養護

采用膠砂攪拌機成型試樣，確保拌合物具有良好工作性能（圖2）。試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，每組3個平行樣。試樣成型好后用塑料薄膜覆蓋養生，靜置1 d后脫模，并標準養生至7 d齡期。

1.4 力學性能測試

試樣到達7 d齡期后，按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30—2005）方法進行三點彎曲小梁抗折強度測試及無側限抗壓強度測試（圖3）。

2 試驗結果及分析

沙漠砂高性能砂漿配合比設計試驗結果（表2）。

見沙漠砂混凝土地在不同集膠比時的抗壓強度及抗折強度變化曲線，由抗壓強度與集膠比變化關系曲線可知，當集膠比為0.5，鋼纖維摻量為0時，沙漠砂混凝土最大7 d抗壓強度可達60 MPa，可稱之為高強混凝土。隨著集膠比增大，沙漠砂混凝土7 d抗壓強度逐漸減小，且減小速度逐漸變緩。最大拐點處于集膠比為3～5之間時。不同鋼纖維摻量的沙漠砂混凝土抗壓強度變化不明顯。由抗折強度與集膠比變化關系曲線可知，當集膠比為1.4，鋼纖維摻量為60 kg/m3，沙漠砂混凝土7 d抗壓強度最大可達16 MPa左右。隨著集膠比增大，沙漠砂混凝土7 d抗折強度逐漸減小，且減小速度逐漸變緩。最大拐點處于集膠比為4～5之間時。不同鋼纖維摻量的沙漠砂混凝土抗折強度變化明顯（圖4）。

為進一步了解不同鋼纖維摻量對沙漠砂混凝土力學性能的影響關系，見沙漠砂混凝土地在不同鋼纖維摻量抗壓強度及抗折強度變化曲線。由抗壓強度與鋼纖維出摻量變化關系曲線可知，隨著鋼纖維摻量增加，沙漠砂混凝土抗壓強度略微有所上升，拐點出現在鋼纖維摻量為30 kg/m3時。說明鋼纖維對沙漠砂混凝土的抗壓強度增長貢獻不大。由抗折強度與鋼纖維出摻量的變化關系曲線可知，隨著鋼纖維摻量增加，沙漠砂混凝土抗折強度上升明顯，拐點出現在鋼纖維摻量為30 kg/m3時。說明鋼纖維對沙漠砂混凝土增韌效果明顯。大大提高了沙漠砂混凝土抗彎拉性能（圖5）。

根據沙漠砂混凝土試樣破壞形式可知。一方面，抗壓強度測試試樣受壓破壞后未完全分離，試樣的裂開部分依然被鋼纖維連接。由此可見，鋼纖維摻入，改善沙漠砂混凝土的脆性破壞，有效增強了沙漠砂混凝土的韌性。另一方面，由沙漠砂混凝土抗折試樣的破壞形式可知，此時沙漠砂混凝土抗折試樣擾度為2.4 mm，裂縫高度為33.7 mm。沙漠砂混凝土受彎拉破壞后，形變較大，裂縫未貫通于試樣。試樣底部纖維處于受拉狀態，整體試樣依然具有良好的力學性能。鋼纖維的摻入大大增強了沙漠砂混凝土抵抗變形破壞能力，試樣的抗彎拉性能得到了顯著改善（圖6）。

3 結論與展望

（1）經配合比設計試驗，制備出了具備不同力學性能的沙漠砂混凝土，力學性能最優的沙漠砂混凝土試樣抗壓強度達到了高強混凝土強度等級。

（2）綜合集膠比和纖維摻量對沙漠砂混凝土力學性能的影響，集膠比小于3～5，鋼纖維大于30 kg/m3時，沙漠砂混凝土力學性能較佳。

（3）不同配比的沙漠砂混凝土可滿足不同道路等級、不同結構層次需求。為沙漠地區的流沙治理應用和筑路材料的選擇開辟了一條新道路。

中國在沙漠腹地或邊緣即將實施或規劃一系列工程項目，沙漠砂應用于工程在技術上是可行的，工程項目如何就地取材、適度資源化沙漠砂，既減少流沙對當地環境的影響，又不過度干預沙漠環境是工作開展中的重要一環。目前，中國還缺乏對沙漠砂適度利用的相關指南，以項目開展反哺沙漠恢復治理還需進一步充實，探索沙漠多元化治理模式還有很長的路。

參考文獻

[1] 王萍，李國昌.沙漠沙透水磚的制備及性能研究[J].非金屬礦，2010，33（5）：61–63，66.

[2] 徐向舟，朱曉斌，劉璐，等.混凝土砂基透水路面磚制備及物理性能測試[J].大連理工大學學報，2014，54（3）：315–322.

[3] 孔玉坤.水泥粉煤灰穩定風積砂路用性能的研究[J].北方交通，2007（5）：84–86.

[4] 張平，丁毅，吳昊.沈陽地區風積砂固化技術的研究[J].沈陽大學學報（自然科學版），2012，24（3）：82–86.

[5] 何媛.寒區公路涵洞加固填充材料試驗研究[D].西安：長安大學，2014.

[6] 李志強，楊森，王國慶，等.古爾班通古特沙漠砂混凝土配合比試驗研究[J].混凝土，2016（9）：92–96，99.

[7] 王彩波，宋建夏，周殿宇，等.毛烏素沙地特細砂混凝土的正交試驗研究[J].寧夏工程技術，2010，9（4）：337–339.

責任編輯：黃艷飛

Experimental Study on the Mixture Ratio of Concrete Prepared with Mu Us Desert Sand

LIU Wei et al （Shaanxi Province Land Engineering Construction Group of Ming Development and Environmental Governance Co.， LTD， Xian， Shaanxi 710075）

Abstract With the rapid development of engineering construction in desert areas， and the increasing shortage of traditional sand and gravel resources， the research and engineering application of desert sand resources have attracted much attention. In order to effectively alleviate the shortage of natural road construction materials in the Mu Us Desert， the coarse aggregate in ordinary concrete is removed， and the fine aggregate in concrete is replaced by desert sand. The stiffness of desert sand concrete is improved by adding active cementitious materials， and the deformation resistance of desert sand concrete is improved by adding steel fiber. Desert sand concrete with different mechanical properties was prepared through the mix radio design test. The compressive strength of desert sand concrete with the best mechanical properties reached the strength grade of high strength concrete. Desert sand concrete with different proportions can meet the requirements of different road grades and different structural levels.

Key words Desert sand; Concrete; Mixture ratio; Resource utilization

作者簡介 劉偉（1983–），男，內蒙古商都人，工程師，主要從事地質災害治理和污損土壤修復工作研究。

收稿日期 2020–06–12