薛慧君，申向東*，侯雨豐，柳宗旭，鄭建庭

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學能源與交通工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

隨著中國西部地區(qū)諸多大型灌區(qū)渠道襯砌、堤防工程等水利設(shè)施建設(shè)不斷推進，混凝土是不可或缺的基礎(chǔ)材料.對于地處干旱半干旱地帶的西部各省區(qū)，若過度開采河砂資源作為混凝土細骨料，勢必會導致河砂資源日趨匱乏，加速當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境惡化.但若在該地區(qū)尋求能夠替代傳統(tǒng)河砂的綠色環(huán)保資源作為混凝土細骨料，則一定程度上可以降低材料成本，同時也利于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護.

風積沙是來自于沙漠及戈壁地區(qū)經(jīng)受風吹、積淀作用下形成的一種特細砂，分布于沙漠及沙地的表層與邊緣地帶[1].將風積沙部分或全部替代傳統(tǒng)河砂配制風積沙混凝土可以有效緩解西部地區(qū)河砂分布不均的客觀問題，最大程度上體現(xiàn)就地取材、節(jié)約資源等優(yōu)勢，具有非常重要的現(xiàn)實意義和社會效益.諸多研究者對風積沙混凝土從不同角度進行了研究并取得了一定的成果.AL-HARTHY等[2]、ZHANG等[3]研究表明風積沙作為混凝土細骨料后能改變混凝土的和易性，其坍落度隨風積沙替代率增大而增大，當替代率大于50%時，其塌落度顯著減小，且混凝土的強度隨風積沙替代率增大而減小.SEIF等[4]、LUO等[5]研究表明風積沙混凝土的強度與風積沙的摻量呈反比例關(guān)系.劉海峰等[6-7]研究表明沙漠砂有明顯的尺寸效應，峰值壓應力隨粗骨料顆粒最小粒徑增大而降低，隨粗骨料顆粒最大粒徑增大而先上升后降低.董偉等[8-9]研究表明不同風積沙替代率的風積沙混凝土彈性階段應力-應變曲線基本趨于一致，進入彈塑性階段后，風積沙混凝土較普通混凝土應力增長更快且脆性增加.文獻[10-12]研究發(fā)現(xiàn)，采用相對動彈性模量作為評價混凝土耐久性指標更準確，風積沙能起到“填充”作用，能有效降低混凝土孔隙度，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實，且風積沙的摻入能顯著提升混凝土的抗凍性.

然而，針對適用于中國西部干旱半干旱地區(qū)水利工程的風積沙混凝土基本力學性能及孔隙特征的相關(guān)研究尚不充分.基于此，文中選取內(nèi)蒙古庫布齊沙漠風積沙為原材料配制風積沙混凝土，以滿足內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水工混凝土設(shè)計要求為前提，設(shè)計C30強度的風積沙混凝土，研究其基本力學性能及孔隙特征，并探討風積沙混凝土在干旱半干旱地區(qū)水利工程中的適用性.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

水泥選用蒙西P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，3和28 d抗壓強度分別為29.9和51.5 MPa，3和28 d抗折強度分別為6.7和10.8 MPa，其主要物理性能指標：表觀密度ρs為2 950 kg/m3、比表面積A為325.9 kg/m3、細度α為1.8%、標準稠度體積用水率β為28.5%、燒失率γ為1.32%，初凝、終凝時間分別為220和 260 min，體積安定性合格.粉煤灰取自內(nèi)蒙古呼和浩特市金橋熱電廠Ⅱ級粉煤灰，其主要物理性質(zhì)指標：表觀密度ρs為2 151 kg/m3、比表面積A為354.1 kg/m3、燒失率γ為3.06%、需水率θ為97.3%、微珠體積分數(shù)δms為93.3%，80和45 μm篩余細度分別為1.7%和12.2%.

試驗選取天然河砂和風積沙作為混凝土細骨料，其中天然河砂取自呼和浩特市周邊砂場，風積沙取自內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市庫布齊沙漠(108°33′13″E，40°18′44″N).普通砂與風積沙的主要物理化學參數(shù)見表1，表中物理量為堆積密度ρa、細度模數(shù)m、體積含水率φ、含泥質(zhì)量分數(shù)ωm、泥塊質(zhì)量分數(shù)ωc、氯離子體積分數(shù)δCl、硫酸鹽與硫化物體積分數(shù)δS.風積沙顆粒級配曲線如圖1所示，圖中d為粒徑、Dc為累計分布率、Dd為密度.由圖可知風積沙粒徑主要分布在50～250 μm之間，約占總體的82.78%，其中>250 μm占15.24%，<50 μm僅占1.98%.

表1 細骨料主要理化參數(shù)

圖1 風積沙粒徑分布曲線

選取的普通卵碎石作為粗骨料，卵碎石取自呼和浩特市周邊石場，其主要物理力學性能指標：堆積密度ρa為1 650 kg/m3、表觀密度ρs為2 669 kg/m3、含泥質(zhì)量分數(shù)ωm為0.37%、壓碎指標B為3.7%、粒徑為4.75～31.50 mm.試驗用水為普通自來水，外加劑為萘系減水劑，減水率為20%.

1.2 配合比設(shè)計

風積沙混凝土設(shè)計強度為C30，粉煤灰摻合料為膠凝材料的20%，減水劑為膠凝材料的0.1%.根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)，配制水膠比為0.45、砂率為41%，風積沙替代率S分別為0，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%的8種混凝土(分別以A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H表示).混凝土配合比見表2，表中ρ為各配料的體積質(zhì)量.

表2 風積沙混凝土配合比

1.3 試驗設(shè)計

依照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)相關(guān)要求，采用“干拌法”進行混凝土拌合成型.依照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)和《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)進行抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗，分別測試8組不同風積沙摻量的混凝土在不同齡期的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm標準立方體試件.

借助核磁共振測定不同齡期及不同風積沙摻量下的風積沙混凝土孔隙特征.測試前對風積沙混凝土進行鉆芯取樣，芯樣為Ф48 mm×H50 mm的圓柱體試件.將芯樣進行真空飽水處理，采用蒸餾水為孔隙的流體介質(zhì)，真空壓力值為-0.1 MPa.為了避免測試過程中芯樣水分散失影響測試精度，測試前用白色生料帶在水中包裹試件，隨后取出被包裹試件并擦去生料帶表面的水分進行核磁共振T2譜測試.測試后對T2譜積分得到試件孔隙中總的流體含量，通過T2圖譜可以計算得到混凝土孔隙特征參數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 風積沙混凝土立方體抗壓強度

2.1.1 風積沙摻量對立方體抗壓強度的影響

風積沙混凝土抗壓強度隨風積沙摻量的變化規(guī)律如圖2所示，圖中物理量為風積沙摻入質(zhì)量分數(shù)ωs、立方體抗壓強度σp、齡期T.由圖可知，3 d和7 d齡期下風積沙摻量為0的基準組(A組)立方體抗壓強度最高，分別為16.3 MPa和26.4 MPa，且從10%開始隨著風積沙摻量增加，強度都呈先上升后下降的趨勢；14 d和28 d齡期下風積沙混凝土強度隨風積沙摻量增加同樣呈先增加后降低的趨勢，風積沙摻量30%的混凝土(D組)強度與A組基準組持平，兩齡期下A和D組混凝土強度均可達到27 MPa和34 MPa以上；此外，28 d齡期下除了風積沙摻量0和30%組外，20%和40%組混凝土抗壓強度也滿足C30的設(shè)計強度要求.風積沙摻量為30%的混凝土強度與未摻風積沙的混凝土強度持平.考慮經(jīng)濟合理，可以選擇摻量為20%～40%的風積沙混凝土作為普通水工混凝土的替代材料.

圖2 風積沙混凝土抗壓強度隨風積沙摻量的變化

2.1.2 齡期對立方體抗壓強度的影響

風積沙混凝土抗壓強度隨齡期的變化曲線如圖3所示.由圖可知，不同風積沙摻量的混凝土隨齡期增長其立方體抗壓強度的增長幅度也有所不同.未摻風積沙的基準組與風積沙摻量為20%，30%和40%的強度增長幅度明顯高于其他組，養(yǎng)護齡期為28 d時摻量為30%的D組立方體抗壓強度與基準組基本持平；此外，基準組7 d齡期強度26.4 MPa可達到28 d強度34.9 MPa的75.6%，而風積沙摻量20%～40%的混凝土7 d齡期強度19.2～20.7 MPa為28 d強度30.3～34.3MPa的60.3%～64.9%.雖然適量風積沙的摻入降低了混凝土的早期強度，但28 d齡期時風積沙摻量20%～40%的風積沙混凝土強度仍能夠滿足C30設(shè)計強度.從節(jié)約資源、降低成本的角度，風積沙混凝土在抗壓強度方面完全能夠替代普通混凝土進行應用.

圖3 風積沙混凝土抗壓強度隨齡期的變化

2.2 劈裂抗拉強度試驗

2.2.1 風積沙摻量對劈裂抗拉強度的影響

風積沙混凝土劈裂抗拉強度隨風積沙摻量變化曲線如圖4所示, 圖中σpu為劈裂抗拉強度.由圖可知，不同齡期下風積沙混凝土劈裂抗拉強度均隨著風積沙摻量增加呈降低后先增加再降低的趨勢，且風積沙摻量為30%時的混凝土劈裂抗拉強度不同程度大于包括基準組的其他組，28 d齡期時風積沙摻量為30%的混凝土劈裂抗拉強度可達1.9 MPa，略高于基準組，這說明適量的風積沙摻量可以改善混凝土劈裂抗拉強度.

圖4 風積沙混凝土劈裂抗拉強度隨風積沙摻量的變化

2.2.2 齡期對劈裂抗拉強度的影響

風積沙混凝土劈裂抗拉強度隨齡期變化曲線如圖5所示.由圖可知，基準組未摻風積沙的A組與風積沙摻量為30%的D組劈裂抗拉強度高于其他組別.隨著齡期增長，A和D組的強度增長幅度也大于其他組，風積沙摻量30%的D組3 d和7 d齡期劈裂抗拉強度為1.4和1.6 MPa，可達到其28 d齡期劈裂抗拉強度1.9 MPa的73.7%和84.2%；而基準組3 d和7 d齡期劈裂抗拉強度1.1和1.4 MPa僅為28 d齡期劈裂抗拉強度1.9 MPa的57.9%和73.7%，這說明適當摻量的風積沙混凝土早期劈裂抗拉強度明顯優(yōu)于普通混凝土.

圖5 風積沙混凝土劈裂抗拉強度隨齡期的變化

2.3 風積沙混凝土核磁共振孔隙試驗

2.3.1 風積沙混凝土孔隙分布

以7 d和28 d為例，不同齡期的風積沙混凝土孔隙分布曲線如圖6所示，圖中物理量為幅度μ，T2弛豫時間t2、頻率f、孔隙半徑r.由圖可知，不同風積沙混凝土的T2圖譜及孔隙分布均為3個特征峰，其中第1峰曲線積分面積最大，第2峰曲線積分面積次之，第3峰曲線積分面積最小.例如根據(jù)原始核磁共振數(shù)據(jù)可知齡期為7 d的8組風積沙混凝土的T2弛豫時間均為0.04～2 763.84 ms，通過計算T2圖譜數(shù)據(jù)可知最小弛豫時間對應的最小孔隙半徑分別為3.61×10-8，2.88×10-8，3.13×10-8，2.68×10-8，4.01×10-8，4.28×10-8，2.52×10-8和2.17×10-8μm；隨著風積沙摻量增加，最小孔隙半徑呈先增大后減小的趨勢，初步說明適量加入風積沙可以使混凝土內(nèi)部孔隙向小孔徑方向發(fā)展；8組風積沙混凝土的總特征峰T2譜積分面積分別為2 768.995，3 476.294，3 199.164，3 729.914，2 491.753，2 338.932，3 882.239和4 617.454，第3特征峰占總峰面積分別為1.00%，1.70%，0.70%，0.98%，1.16%，1.68%，2.40%和1.10%，同樣說明適量加入風積沙可以減小大孔徑的占比.

圖6 不同齡期風積沙混凝土T2圖譜及孔隙分布曲線

2.3.2 風積沙混凝土孔徑分布

根據(jù)YAMAN等[13]的研究，將孔徑分布分為3種孔徑：凝膠孔(r<0.01 μm)、毛細孔(0.01≤r≤10 μm)和多害孔(r>10 μm).結(jié)合7 d和28 d的孔隙分布曲線對孔隙進一步劃分歸類，可得到風積沙混凝土孔隙分布占比τ及孔隙度ξ曲線，如圖7和8所示.

圖7 不同齡期風積沙混凝土不同孔隙占比圖

圖8 不同齡期風積沙混凝土孔隙度

由圖7可知，將孔隙分布劃分成凝膠孔、毛細孔以及多害孔3類后，明顯發(fā)現(xiàn)隨著風積沙摻量增加，凝膠孔呈先增多后減少的趨勢，而多害孔呈先減少后增多的趨勢.以7 d為例，風積沙摻量為30%的D組凝膠孔占比相較未摻風積沙的A組多9%，多害孔占比由A組的0.9%降到0.5%.

結(jié)合圖7和8可知，孔隙度隨著風積沙摻量增加呈先減小后增加的趨勢，但是孔隙度只能說明試件內(nèi)部總空隙的多少，并不能說明內(nèi)部孔隙的優(yōu)劣，因此結(jié)合不同風積沙混凝土孔隙分布及孔隙度分布圖分析，可初步得到8組風積沙混凝土中D組總孔隙占比少且小孔隙占比多，同樣可以說明適量加入風積沙可以減小大孔隙占比，使混凝土內(nèi)部孔隙向小孔隙方向增加.

2.3.3 不同齡期下風積沙混凝土的孔隙演變

不同齡期混凝土孔隙演變主要針對基準A組和風積沙摻量為30%的D組混凝土孔隙半徑分布加以說明.不同齡期下普通混凝土和風積沙混凝土核磁共振T2譜分布曲線和孔徑生長發(fā)育演變曲線如圖9，10所示.圖中B為幅度、t2為T2弛豫時間、f為頻率、r為孔隙半徑、T為齡期.隨著齡期增長，A和D 2組的特征峰都有減小的趨勢，并且大孔徑孔隙也隨著齡期增長而減少.由此可以初步說明大孔徑孔隙是影響混凝土抗壓強度的因素之一.

圖9 不同齡期混凝土核磁共振T2譜分布曲線

圖10 不同齡期混凝土孔隙生長發(fā)育演變曲線

3 結(jié) 論

1)隨風積沙摻量增加，風積沙混凝土抗壓強度值和劈裂抗拉強度值均呈先升高后劇烈降低的趨勢.風積沙摻量為30%時的混凝土力學性能最佳且與基準組相持平；風積沙摻量為20%～40%的混凝土也滿足普通水工混凝土強度設(shè)計要求，說明適當?shù)娘L積沙可部分替代河砂作為細骨料應用于水工混凝土中.

2)隨養(yǎng)護齡期增加，各組風積沙混凝土的立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度均有不同幅度增加，風積沙摻量為30%的混凝土增長幅度較為明顯，且風積沙混凝土早期劈裂抗拉強度明顯優(yōu)于普通混凝土.

3)風積沙能有效填充孔隙.隨風積沙摻量增加，混凝土內(nèi)部孔隙率呈先下降后上升的趨勢.當在風積沙替代率為30%時孔隙率最小，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)最為密實，強度增加.隨齡期增加，各組混凝土的孔隙明顯減少，導致結(jié)構(gòu)內(nèi)部密實，強度增大.