改良特細沙漠砂在港口混凝土中的技術應用分析

唐凱

摘 要：通過毛里塔尼亞M201綜合港口項目施工過程中改良特細沙漠砂混凝土的成功應用，克服了當地缺少河沙的問題，有效提高了施工效率、縮短了施工工期、節約了工程成本。

關鍵詞：改良特細沙漠砂;港口混凝土;摻配比例

0 引言

據不完全統計，中國混凝土網數據顯示2019年全國混凝土產量同比增長率7.51%[1]。我國基建投資雖然增速放緩，但仍將持續保持穩定增長態勢，并拉動商品混凝土需求穩定增長，意味著我國混凝土市場依舊廣闊。

2019年原材料水泥及砂石保持高位運行，價格上調頻繁。隨著混凝土需求量的增大，砂的使用量有不斷上升的趨勢，混凝土價格受制于原材料價格波動。作為混凝土細骨料中的首選資源——河砂資源用量有限，且受制于法規政策;海砂資源作為沿海地區城市基建的有效資源也被提出利用，但海砂相關問題的處理技術還有待改進，材料的技術問題阻礙了其發展的步調;機制砂及其石粉特性對混凝土性能的影響仍存在較多爭議，導致機制砂質量標準較難執行，而且機制砂混凝土的配合比設計缺乏配套和系統的設計理念。我國中、粗砂等非再生資源嚴重短缺，隨意開采的現象給環境造成了較為嚴重的生態問題，為了合理利用資源，維持長期、穩定的建筑材料市場，尋找可替代、符合友好型生態環境的砂源的重要性不言而喻。

沙漠砂作為一種可替代資源，被認為能夠應用到工程建設當中，沙漠砂混凝土是一種較為新穎的復合型建筑材料。我國的沙漠資源分布廣闊，在新疆、內蒙古、青海等地，資源就相當豐富。若將沙漠砂用于工程建設中，不僅可以解決砂源匱乏的窘況，也能就地取材，節約運輸成本，降低工程造價，還能夠保護生態環境。隨著中國基建步伐逐漸向海外市場邁進。沙漠砂在海外開發市場的作用顯得舉足輕重。在倡導合理利用當地獨特的資源和推進建設工程發展的背景下，研究沙漠砂混凝土就十分重要。

1 工程概況

1.1 基本情況

毛里塔尼亞位于非洲撒哈拉沙漠西部（14°～26°N，5°～17°W），西臨大西洋，全國海岸線長約700 km，國土面積90%以上為沙漠。本文研究結合該國M201綜合港口項目，主要建設內容為商用碼頭一座，軍用碼頭一座，漁碼頭一座。修船廠建設船臺5座，縱向下水滑道。陸域工程包括油庫區、軍用碼頭陸域區、輔助生產區、修船車間、彈藥庫區等，陸域總占地面積為29.1萬㎡，約10萬方混凝土需要采用改良后的沙漠砂。

1.2 技術應用優勢

毛里塔尼亞M201項目所處海域為沙質海岸，面向大西洋，背靠撒哈拉沙漠。當地沒有合適的河砂，而且石料距離項目有500公里，運距遠，成本高，存在由于砂石料的供應不足影響工程進度的問題。有效利用沙漠砂將大幅提高施工效率，同時降低混凝土原材料成本，為項目提升經濟效益。項目可根據項目所在地區沙漠砂特性，通過混凝土配合比設計，配置出適合該工程各種強度的混凝土，以解決河砂采購成本高的問題。由于砂子過細，比表面積大，對比中粗砂，單方混凝土需要更多的膠凝材料，更大的單方用水量，同等水泥用量下混凝土強度低，同標號混凝土生產成本要高;在施工過程中還會引起混凝土收縮率增大，易產生干縮裂紋等問題。因此需合理使用沙漠砂，控制沙漠砂用量成為項目混凝土質量控制的重中之重。

2 技術要點

2.1 項目施工工藝背景

項目斜坡式防波堤采用陸推法，即從接岸端由陸地向海上推進施工，先采用自卸車運料直接填筑堤心石，長臂反鏟挖掘機理坡，當填筑至堤頂并壓實后，可為后續施工提供陸運通道及施工平臺。隨后依次拋填墊層塊石、吊裝扭王字塊體（預制場預制）。使用抽沙船施工，實現開挖、降水同步進行，在降水深度滿足設計要求后，抽水以控制水位，同時采用挖掘及自卸車等設備進行陸挖疏浚作業。在碼頭沉樁過程中利用可調滾輪式限位導向架沉樁施工，導向架設置上下兩層限位裝置，在垂直樁身鎖扣方向采用普通實心滾輪，限制水平方向位移及控制垂直度，在平行樁身鎖扣方向采用鋼質槽型滾輪，既可限制水平方向位移及控制垂直度，又可限制樁身轉動，控制角位移。配合測量儀器的精準控制，可實現樁身垂直度、平面位置以及樁身旋轉角度的實時調整，以提高施工質量。模袋混凝土護岸、碼頭胸墻及帽梁、下水滑道等結構通過抽沙船降水并維持護岸區域地下水位，創造干法施工的條件。其他陸域房建、道路、堆場等結構采用常規施工工藝。

3 研究設計

研究目的：在當地河砂資源匱乏的情況下，合理利用沙漠砂和當地現有資源，經過大量試驗對比，調整出最佳方案，以達到以下效果：1）科學利用沙漠砂，保證混凝土質量;2）解決無河砂供應的窘況，保證施工進度;3）充分利用當地既有材料，節約工程成本，確保經濟上可行。

研究問題及界定：本文先對沙漠砂混凝土應用現狀、特性研究進行代表性總結，然后提出新的沙漠砂改良方法及對沙漠砂混凝土的強度特性分析和技術應用分析，論證提出改良方法的可行性。并對沙漠砂混凝土的應用給予展望。

根據沙漠砂的工程特性提出改良方案，擬定四種方案進行可行性比對，通過技術分析，最后選擇最優方案。

3.1 對沙漠砂指標檢測

制定合理的試驗技術方案，先對當地沙漠砂篩分、氯化物、表觀密度等相應指標進行檢測分析，確認沙漠砂除細度模數外的大部分指標能夠滿足規范要求。

3.2 沙漠砂改性

經分析，當地沙漠砂不能直接使用在混凝土當中。結合沙漠砂混凝土的研究成果，本文采用沙漠砂替代率作為研究參數，基于此，根據既有材料和現有資源，提出采購當地的2 mm～10 mm級配小碎石（以下統稱“小碎石”）進行合理摻配。

沙漠砂與小碎石合成初擬分析，用四個不同摻配比例作為初擬方案。

以砂、小碎石比例55：45為例，計算各摻配方案的合成級配，繪制篩分曲線圖。

由表3知，特細沙漠砂的粒徑主要分布于0.15 mm～0.6 mm之間，細度模數為1.5，規格為2 mm～10 mm的小碎石細度模數是4.8，級配顆粒較集中于1.18 mm～4.75 mm之間。小碎石4.75 mm以下部分可視為中粗砂，按合理比例摻入沙漠砂后，混合材料達到較為理想的細度模數2.4（11區砂）。

4個方案細度模數均滿足規范2.3～3.0的范圍，選取四種不同比例的沙漠砂與2 mm～10 mm小碎石的合成級配，參照國內中砂標準進行混凝土試配，作后續研究。

3.3 混凝土配合比初擬

此次試驗研究是基于特細沙漠砂與2 mm～10 mm級配小碎石的摻配比例來改良細集料的細度模數，從而配置出理想的混凝土。為尋求優化的摻配比例，本研究試驗在進行混凝土試配中，需采用控制變量法進行初擬配合比，所以僅以摻配比例作為唯一變量。

將選定的4種摻配比例方案實際用于C40強度配合比設計中，并確保水灰比，外加劑含量，砂率一致，以便對照試驗的順利進行?；炷粮鹘M分的技術指標見表4～5。

混凝土試配主要考慮的因素：

（1）水灰比。水灰比是影響混凝土強度的主要因素。特細沙漠砂的缺點是比表面積較大，和中粗砂相比，同等和易性混凝土需水量相對較高，導致水灰比增加混凝土強度降低，所以需嚴格控制用量，權衡質量和效益。本研究通過多次試配，最終確定水灰比為0.37。

（2）外加劑。適當增加外加劑的用量來控制用水量，既要保持混凝土和易性又要滿足強度要求，本次試驗采用奈系FDN-440緩凝高效減水劑。并經過試驗確定外加劑摻量為2.2%時，混凝土和易性最佳，且可以得到滿意的混凝土強度結果。

（3）砂率。沙漠砂細度模數較小，屬于特細砂，若采用普通中砂的砂率，將導致拌合物粘度增加，流動性變差，且收縮性變大，易開裂。故配置中的最佳砂率應比普通中砂的砂率要低7%～13%。

（4）級配。由于沙漠砂粒徑小，直接與當地廣泛使用的5～25卵石調配混凝土，由于集料的連續級配不連續，混凝土易離析，增加當地2 mm～10 mm碎石后問題得到解決。

3.4 混凝土工作性能

由表7可知，水泥混凝土塌落度會隨摻配比例中的特細沙漠砂的含量增高而降低。方案2和方案3的塌落度測試結果均滿足C40混凝土塌落度的規范設計要求，而特細沙漠砂的摻配比例為45%時，混凝土的塌落度明顯大于規范推薦范圍，而當特細沙漠砂的摻配比例達到60%時，試配的混凝土塌落度明顯小于規范推薦值，表明隨特細沙漠砂比例增大，混凝土的流動性變差，從混凝土工作性能的綜合層面出發，特細沙漠砂摻配比例50%和55%是合理的。

3.5 力學性能

3.5.1 抗壓強度

對上述四種配合比下的C40水泥混凝土抗壓試件，按標準養生條件分別養生7天和28天，并分別測試上述四種配合比下混凝土的7天和28天抗壓強度，抗折強度。測試結果如圖2。

3.5.2 抗折強度

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。在標準養生條件下分別養生7天和28天，并分別測試上述四種比例下混凝土的7天和28天抗折強度，測試結果如圖3所示。

特細砂混凝土28d強度隨沙漠砂摻配比例增大而呈現先增大后減小的趨勢，沙漠砂和2 mm～10 mm小碎石比例為55：45附近時，砼強度最高。這是由于“中砂”（2 mm～

10 mm小碎石）粒徑較大，而沙漠砂粒徑較小，可使混凝土集料填充均勻，處于密實狀態，增加了混凝土強度。但由于沙漠砂本身是松散母巖風化而成，自身強度小于中砂，因而當沙漠砂比例較大時，隨沙漠砂的比例增加，而混凝土抗壓強度逐漸降低。

3.6 經濟效益

對初擬方案及未使用沙漠砂時進行單方混凝土造價對比。

從經濟效果上看，方案4最佳，方案3次之。通過混凝土工作性能，強度指標、經濟效益綜合分析得出，方案3為優選方案。

3.7 高強混凝土試配與應用

本項目混凝土強度等級最高為C50。對于高強混凝土，由于其強度較高，采用強度較小的沙漠砂配置時難度較大。故配置C50水泥混凝土過程中，在基于混凝土最優性能的摻配比例（特細沙漠砂摻配比例為55%），通過調整水泥的絕對用量進行優化配合比，測試結果如圖4所示。

由圖4可知，在滿足齡期強度要求下（28d達到設計值的120%左右），選擇456 kg的水泥劑量可配置出C50高強水泥混凝土。

4 結果

（1）試驗數據顯示，在滿足中砂細度模數要求下，C40混凝土強度隨沙漠砂占比呈現出先增大后減小的趨勢。沙漠砂與小碎石比例為55：45時，強度最高，且混凝土工作性能符合生產要求，經濟效益好。

（2）制備出的C40混凝土初凝時間在3小時30分鐘左右，終凝時間在7小時左右，能夠適應施工強度。相應于指定齡期下的砼試塊強度值達到設計標準。經過3個月現場回彈儀實測數據顯示，碼頭胸墻強度較28天抗壓強度值增長了3.6%。經過抗滲試驗結果，該試驗配比能夠滿足抗滲等級P8要求，結構物早期無明顯開裂現象，混凝土表觀質量滿足規范要求。在高強度混凝土應用中，C50混凝土能夠滿足強度指標及耐久性要求。

（3）在混凝土實際生產中，根據沙漠砂改良方案配置出的各強度等級下的混凝土均滿足相關特性指標，經濟合理、節能環保。從從而形成一套完整的特細沙漠砂改良方案應用于各強度混凝土。

5 結論與展望

（1）本文總結了沙漠砂混凝土應用現狀的典型論述，肯定了改良沙漠砂混凝土的適用性。在西非毛里塔尼亞這種獨特的自然條件下，應用特沙漠砂在混凝土工程建造當中是有必要的。（2）此次研究論證了改良沙漠砂適用于港口混凝土建設的可行性，提出了一種通過摻配2 mm～10 mm小碎石的途徑，改良沙漠砂，制定出了一種新穎的混凝土配合比設計方案。通過技術、經濟指標論證了改良方案的可行，在該區域具有實際指導意義。（3）此次研究未對改良沙漠砂混凝土動力學性能作進一步的跟蹤研究，需要同步開展相關的檢測試驗。對沙漠砂混凝土相關性能的持續研究是不可忽視的。（4）結合西非毛里塔尼亞工程實例與當地建材市場的窘況，研發改良用于港口工程建設的沙漠砂混凝土具有顯著的現實意義。毛里塔尼亞M201項目對特細沙漠砂的成功改良，為本項目帶來了良好的效益。同時，這種創新改良的成功運用，有利于推廣到類似環境的各沙漠地區國家，具有重要的經濟價值與社會效益。

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