申艷軍，郝建帥,白志鵬，周子涵，李玉根，廖太昌,張凱峰

(1.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，西安 710054；2.西安科技大學煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，西安 710054；3.西安科技大學陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點實驗室，西安 710054；4.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；5.榆林學院建筑工程學院，榆林 719000；6.中鐵二十局集團有限公司，西安 710046；7.中鐵建科檢測有限公司，西安 710016；8.中建西部建設北方有限公司，西安 710116)

0 引 言

我國建筑用砂分布不均，儲量十分有限，短時間內(nèi)無法再生，已難以滿足工程建設的大量需求，并且河砂的大量開采也帶來了嚴重的環(huán)境問題[1-3]。隨著生態(tài)文明建設被寫入憲法，政府對天然砂石禁采或限采執(zhí)行力度加大，并對相關落后及污染的砂石企業(yè)進行整頓和關閉[4]，砂石來源愈發(fā)緊張。相關數(shù)據(jù)顯示，全球每年的砂子消耗約為400～500億t，河砂實際用量與砂的實際可用量在2018年已達到平衡，2018年以后建筑用砂的需求量及價格持續(xù)走高(見圖1)[5]，砂石資源短缺問題也逐年更加嚴重。現(xiàn)如今我國砂石產(chǎn)量大約每年200億t，雖利用海砂、機制砂替代河砂制備的技術已取得一定成效，但仍面臨一些問題[6-10]，并且產(chǎn)能不能滿足建筑用砂的增長需求，砂石需求缺口還會長期存在。

圖1 建筑用砂供需及價格關系圖[5]Fig.1 Relationship between supply and demand and price of sand for construction[5]

如何找到一種既能替代天然河砂又能滿足工程需求、價格便宜的材料，是工程界目前亟待解決的問題[11-14]。隨著“西部大開發(fā)”和“一帶一路”國家戰(zhàn)略的實施，我國西部地區(qū)基礎建設和投資力度不斷加大，并正處于爆發(fā)式增長階段，西北地區(qū)作為國家“一帶一路”倡議的關鍵節(jié)點，混凝土材料及工程用砂量需求隨之陡然增加。為緩解天然河砂資源短缺現(xiàn)狀，將沙漠砂作為細骨料用于混凝土的拌制已經(jīng)成為眾多學者研究的焦點[15-17]。我國西北地區(qū)建筑用砂相對匱乏，但卻蘊藏著巨大的沙漠砂資源，目前我國沙漠化地區(qū)約170 km2，占我國國土面積的18.12%[18-19]，其中西北地區(qū)是我國沙漠最集中的地區(qū)，占全國沙漠的80%左右[20-21]?？深A見，合理地將沙漠砂用于制備混凝土材料并服務于該地區(qū)工程建設，具有顯著的經(jīng)濟效益及社會價值。

目前，沙漠砂主要應用于地基路基填充、水渠護坡、混凝土材料制備等方面。但對沙漠砂制備混凝土的研究仍不夠重視，運用歸納、總結的方法，對多年來沙漠砂混凝土相關研究成果進行了梳理。并以沙漠砂作為細集料制備的混凝土為主要研究對象，梳理并分析了沙漠砂物理化學性質(zhì)特征及現(xiàn)有沙漠砂制備混凝土應用技術，探討了沙漠砂替代細骨料用于混凝土生產(chǎn)中存在的問題及針對性的解決措施，最后展望了沙漠砂制備混凝土的未來研究方向。

1 沙漠砂基本特征

不同地區(qū)的沙漠砂化學成分和物理性質(zhì)不同，導致不同地區(qū)沙漠砂混凝土的工作性、力學性能和耐久性存在差異。因此，為系統(tǒng)掌握沙漠砂代替河砂制備混凝土技術，仍需對不同地區(qū)沙漠砂的基本特征及性質(zhì)進行進一步梳理與歸納。

1.1 沙漠砂基本物理性質(zhì)

在制備混凝土過程中，砂的表觀密度、堆積密度、含泥量、空隙率、吸水率對混凝土性能具有顯著影響，沙漠砂與河砂兩者之間理化性質(zhì)存在一定差異，開展沙漠砂相關的物理性質(zhì)研究對沙漠砂制備混凝土具有重要的參考作用，不同地區(qū)沙漠砂的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 不同地區(qū)沙漠砂物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of desert sand in different areas

綜合表1統(tǒng)計結果可歸納出：(1)沙漠砂的表觀密度為2 570～2 732 kg/m3，可滿足建筑用砂中表觀密度>2 500 kg/m3的要求，堆積密度為1 400～1 595 kg/m3，與河砂堆積密度相接近，基本滿足混凝土所需砂堆積密度要求；(2)沙漠砂含泥量較低，滿足JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》要求所用砂含泥量小于3.0%(質(zhì)量分數(shù))的標準；(3)沙漠砂空隙率普遍高于河砂，基本分布在40%～48%，沙漠砂細度模數(shù)較小，基本小于1.74(對比河砂為2.60)；(4)沙漠砂吸水性較強，制備混凝土時需要大量的水，為保證拌合物的工作性需采用添加高效減水劑的方式以減少用水量。

1.2 沙漠砂粒形特征

沙漠砂的顆粒形態(tài)會顯著影響混凝土的流動性，用掃描電鏡可顯示出其砂粒形態(tài)及表面紋理，如圖2(a)～(d)所示，不同地區(qū)沙漠砂顆粒雖形態(tài)有所差異，但一般無棱角，磨圓度較好[29-30]。隨著顯微鏡倍數(shù)的增加(圖2(e))，表面碟形坑、麻坑等特征變得明顯[31]。不同地區(qū)石英砂顆粒的微觀形態(tài)表明：(1)沙漠砂整體上呈圓形或近圓形，顆粒表面光滑，磨圓度較好；(2)沙漠砂表面不規(guī)則形狀特征使其吸水性增強，制備的混凝土具有更好的黏結力及稠度。

圖2 不同地區(qū)石英砂顆粒的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of quartz sand particles in different areas

1.3 沙漠砂顆粒級配特征

砂石細度及顆粒級配對混凝土的工作性能、強度有明顯的影響，合理的骨料級配可以使混凝土更加密實并減少單位體積混凝土混合物的用水量和水泥用量，也可使骨料的骨架和穩(wěn)定作用達到良好狀態(tài)[32-33]。因此，研究沙漠砂顆粒級配特征對研究沙漠砂混凝土強度機理具有一定的理論指導作用，不同地區(qū)沙漠砂顆粒級配分布統(tǒng)計如圖3所示[27,34-42]。

圖3 不同沙漠砂顆粒級配圖[27,34-42]Fig.3 Grading pattern of sand particles of different deserts[27,34-42]

總體而言，沙漠砂顆粒級配呈現(xiàn)以下特征：(1)沙漠砂級配間斷，顆粒分布不均且基本小于1 mm，沙漠砂“顆粒級配-累計篩余量”曲線呈斜“S”狀分布，粒徑集中分布在0.1～1 mm，處于特細砂范圍；(2)不同地區(qū)沙漠砂粒徑存在一定差異，國外沙漠砂(以國外部分沙漠砂為主要研究對象)粒徑多集中于0.1～0.6 mm，而國內(nèi)沙漠砂粒徑則集中于0.1～1 mm。沙漠砂的這種不良級配，將會使水泥用量高，并導致了沙漠砂混凝土流動性差、強度低等缺陷的產(chǎn)生。

1.4 化學成分

混凝土細骨料對泥、云母、有機物、輕質(zhì)物、硫化物和堿的含量有嚴格的要求。有害物質(zhì)會影響混凝土的水化反應，削弱其與骨料的粘合力，導致混凝土因堿骨料反應而膨脹開裂。因此，有必要對沙漠砂的化學成分進行分析，評估沙漠砂作為混凝土細骨料的可行性。不同地區(qū)沙漠砂化學成分分析如表2所示。

表2 不同地區(qū)沙漠砂化學成分分析Table 2 Analysis of chemical composition of desert sand in different regions

綜合上述統(tǒng)計內(nèi)容，可歸納出以下結論：(1)沙漠砂化學成分與河砂基本相同，化學成分SiO2含量最高，基本在65%～80%(質(zhì)量分數(shù))；(2)沙漠砂中含有少量的K2O、Na2O等堿金屬氧化物，導致沙漠砂含堿量相對高，有助于促進水泥的水化反應；(3)沙漠砂中Si、Al、Ca等活性元素活性含量占總體質(zhì)量的80%以上，SiO2、Al2O3、CaO含量越多，含有的潛在水化活性越強，這些氧化物會在弱堿環(huán)境中發(fā)生水泥水解形成的二次水解反應，形成負離子基團，進而提升混合料中的膠體性能，使工作性得到改善。

1.5 反應活性

沙漠砂與普通砂區(qū)別在于沙漠砂不僅是細骨料填料，而且是具有異相成核作用和火山灰效應的活性組分，能參與水化反應[47-48]。Luo等[26]發(fā)現(xiàn)粒徑小于175 μm的沙漠砂具有異質(zhì)成核(為水合物提供成核點)和火山灰效應，促進了水化反應，提高了材料強度。Chuah等[49]發(fā)現(xiàn)，沙漠砂會溶解Si4+參與水化反應，提高基體的抗壓強度。因而，沙漠砂具備的特殊反應活性對于其制備混凝土具有一定的先天優(yōu)勢。

2 沙漠砂混凝土材料研究進展及分析

沙漠砂作為細骨料制備混凝土近年來取得了明顯進展。研究表明，沙漠砂制備混凝土切實可行，就制備的沙漠砂混凝土工作性、強度、耐久性而言，可滿足一般工程的要求，部分性能甚至優(yōu)于普通混凝土[35,40,50-53]。目前，沙漠砂混凝土的研究多集中于工作性、力學性能、耐久性等方面。

2.1 工作性

沙漠砂混凝土拌合物的工作性是評價沙漠砂混凝土技術性質(zhì)優(yōu)劣的重要指標之一。Jin等[53]和Luo等[26]制備的沙漠砂混凝土可加工性能滿足一般的工程要求，董偉等[54]研究表明，沙漠砂砂漿流動度的提高存在最佳沙漠砂替代率，當沙漠砂的置換率在10%～30%(質(zhì)量分數(shù)，下同)時，砂漿的流動性會有不同程度的提高，當置換率為20%時，流動性達到最大值，比基礎組高出13%。包建強等[55]以10%、30%和50%的沙漠砂替代河砂時，制備的沙漠砂混凝土的黏聚性和保水性良好，無分層和泌水現(xiàn)象，制備的混凝土坍落度均大于純河砂混凝土(最大坍落度為88 mm)，能夠滿足施工要求。此外，董偉等[56]研究表明，沙漠砂吸水性大，會使試件相應地吸水增多，在用水量不變的情況下，相當于降低了水灰比，在一定程度上影響了混合料的膠結體系的性能，而且，隨著水灰比的降低，試件的流動性下降，出現(xiàn)“干硬”現(xiàn)象，和易性變差[57]。因此，沙漠砂作為細骨料最關鍵的工作是確定沙漠砂的替代率，在適當?shù)纳白犹娲是闆r下，沙漠砂有助于提高混凝土及砂漿的工作性。這是因為沙漠砂粒徑小、表面積大、粘聚力小，其在水泥與河砂之間能起到“滾珠”的作用，有助于減小內(nèi)部摩擦力，提高砂漿工作性[56]，并且沙漠砂顆粒整體微觀形狀為圓形，針片狀顆粒很少，這種渾圓狀小顆粒能有效降低骨料間的孔隙率，改善骨料的級配。但是，過量的沙漠砂能使集料的比表面積和孔隙率增加，就需要更多的漿液包裹集料，使?jié){液的潤滑效果降低，集料間的摩擦增加、工作性下降[58]。

2.2 力學性能

沙漠砂混凝土力學性能的高低是其能否滿足工程質(zhì)量要求的重要指標之一。李志強等[59]試驗發(fā)現(xiàn)，沙漠砂置換率為50%～80%時，沙漠砂混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和軸向抗壓強度均表現(xiàn)良好；杜勇剛等[60]研究表明，當粉煤灰摻量為10%時，抗壓強度均達到最大值；鞠冠男等[61]對古爾班通古特沙漠砂混凝土的軸向壓縮性能進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)沙漠砂混凝土的棱柱的力學性能都低于普通混凝土，但其破壞過程、破壞形態(tài)、應力-應變曲線等性能都與普通混凝土十分相似。此外，Bosco等[62]從宏觀和微觀尺度上揭示了沙漠砂對混凝土力學性能的影響機理，如圖4所示，不同粒徑級配的沙漠砂對粗骨料有不同的“干涉”效果，進而對混凝土強度產(chǎn)生不同的影響。只有粗骨料時，混凝土內(nèi)部空隙較大，強度很低(圖4(a))。僅摻入適量河砂后，粗骨料的孔隙體積減小，密實度提高，強度增強(圖4(b))。當摻入適量的沙漠砂時(圖4(c))：一方面改善了混凝土內(nèi)部顆粒級配，增加了水泥石的密實度，實現(xiàn)了不同粒徑的相互填隙，并減弱了細骨料對粗骨料的“干涉”作用；另一方面沙漠砂與河砂相比，表面渾圓，粒徑差異較小，降低混凝土成型時漿液與骨料間的摩擦力，減少用于潤滑的水分量，增加漿體的流動性，使?jié){液更易進入孔隙內(nèi)部從而使水泥石結構密實度提高。但當沙漠砂摻量過多時(圖4(d))，其將變成混凝土內(nèi)主要集料，從而導致抗壓強度下降，原因包括：(1)骨料級配不良甚至缺失，造成了更多孔隙；(2)過量沙漠砂會加劇“邊界”效應，使混凝土內(nèi)形成更多臨近的水泥松散堆積體及局部高水灰比區(qū)域，增加了孔隙率，降低了界面過渡區(qū)(ITZ)結構密實度。

圖4 沙漠砂強度增強及減弱示意圖[62]Fig.4 Schematic diagram of strength enhancement and weakening of desert sand[62]

2.3 耐久性

2.3.1 抗凍性

我國沙漠多集中于西北寒冷地區(qū)，混凝土的凍融破壞也一直是北方嚴寒地區(qū)基礎工程面臨的難題，研究沙漠砂混凝土的抗凍性對西北地區(qū)基礎工程建設具有重要價值。部分學者[63-65]研究了沙漠砂置換率、粉煤灰摻量、水膠比、砂率對混凝土低溫抗壓強度的影響。如：Dong等[66]發(fā)現(xiàn)超聲脈沖速度還可以反映輕質(zhì)骨料混凝土內(nèi)部結構的變化規(guī)律，加入沙漠砂可以促進并抑制混凝土的凍融損傷。杜勇剛等[60]研究表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，沙漠砂混凝土的質(zhì)量損失率和動彈模量損失率均增大，動彈模量隨粉煤灰摻量的增加先增大后減小，沙漠砂抗凍效果比普通組略好。Li等[65]利用核磁共振、X射線衍射和掃描電子顯微鏡分析了凍融和干濕條件下風沙混凝土的劣化過程。孫雪等[67]研究表明，在-10～-40 ℃的條件下，溫度對沙漠砂C25混凝土的抗壓強度有極顯著的影響，粉煤灰的含量和齡期對沙漠砂C25混凝土的低溫抗壓強度有顯著影響，沙漠砂的替代率對沙漠砂C25混凝土的低溫抗壓強度沒有顯著影響。因此，沙漠砂的摻入對混凝土的抗凍性有一定的影響。沙漠砂顆粒本身細小，能夠填充混凝土內(nèi)部的孔隙，致使其孔隙率和滲透率降低，從而使進入混凝土內(nèi)部的水分減少，減弱了內(nèi)部水分凍脹過程對混凝土破壞。一般通過摻入沙漠砂和粉煤灰的方式提高其抗凍性，也可摻入適量的聚丙烯纖維、生態(tài)纖維、玄武巖纖維等提高其抗凍性[20,68-69]。

2.3.2 抗氯離子滲透性

氯離子滲透是造成混凝土中鋼筋銹蝕的主要原因之一，提高其抗氯離子滲透性是改善混凝土耐久性的關鍵問題之一。楊浩等[64]、李志強等[70]通過對單摻粉煤灰、雙摻粉煤灰和沙漠砂的試驗，發(fā)現(xiàn)沙漠砂混凝土的抗氯離子滲透性能有所提高；馬荷姣等[63]研究表明，沙漠砂混凝土抗氯離子呈現(xiàn)先增強后減弱趨勢，沙漠沙替代率60%時沙漠砂混凝土抗氯離子性能最好。Xue等[71]通過(3D)顯微鏡觀察混凝土表面，進而了解損傷過程。通過X射線衍射和核磁共振等手段分析，發(fā)現(xiàn)沙漠砂混凝土抗氯離子滲透性較好。這是因為沙漠砂中適當?shù)母呒氿ね辆哂辛己玫奈⒓蠅簩嵭Ч捅Ｋ裕商畛浠炷林械奈⒖?，加強漿體與集料的界面結合程度，阻斷水和氯離子的通道，增加混凝土的密實度，提高混凝土的抗氯離子滲透性[72]，此外，也可通過調(diào)整粉煤灰摻量、摻入低彈性模量纖維(如玄武巖纖維)等方式提高混凝土抗氯離子滲透性[73]。

2.3.3 耐高溫性能

若需對建筑物、隧道在火災(高溫)后的結構承載力和安全性進行專項評估，就需要研究遭受火災(高溫)后沙漠混凝土的性能變化規(guī)律。相關學者[74-75]研究表明,隨溫度升高，沙漠砂混凝土的劈裂抗拉強度和抗壓強度先升高后降低，當沙漠砂置換率為40%時，沙漠砂混凝土的劈裂抗拉強度和抗壓強度達到最大值。另有學者[76-77]采用自然冷卻和水冷卻的方法研究了沙漠砂混凝土高溫后的抗壓強度，確定了沙漠砂混凝土的最佳混合比例：水膠比0.39、粉煤灰10%、砂率0.4、沙漠砂替代率10%。此外，部分學者[77-78]采用X射線衍射儀和掃描電鏡對沙漠砂混凝土在高溫作用下的強度劣化機理進行了探討研究。目前，沙漠砂混凝土耐高溫性能多關注水膠比、粉煤灰摻量、砂率和沙漠砂替代率等因素對其抗拉、抗折、劈裂抗壓強度的影響，適當調(diào)整沙漠砂摻入量可提高其抗高溫性能。此外，高溫后沙漠砂微觀特征及損傷機理研究尚淺，仍有待深入研究。

2.3.4 抗收縮性能及早期開裂性能

沙漠砂混凝土收縮性能及早期開裂性能也是其耐久性所關注的主要內(nèi)容。葉建雄等[79]研究發(fā)現(xiàn)沙漠砂混凝土抵抗早期開裂的能力低于天然砂配制的混凝土。劉海峰等[80]試驗結果表明：當沙漠砂對普通中砂取代率小于40%時，混凝土早期的抗裂性能隨著取代率的增加而減弱；當沙漠砂對普通中砂取代率大于40%時，混凝土早期的抗裂性能隨著取代率的增加而提高。李根峰等[81]研究表明，水膠比對沙漠砂混凝土早期自收縮變形的影響最大，其次是砂率，最后是粉煤灰。孫江云[82]發(fā)現(xiàn)粉煤灰和礦渣能很好地抑制混凝土的早期開裂程度，而硅灰則會加劇混凝土的早期開裂程度，并隨著摻量的增加開裂程度變得更為明顯。上述研究表明，沙漠砂摻量對混凝土的早期開裂性及抗收縮性影響較小，在滿足混凝土早期開裂性及收縮性的前提下盡可能提高沙漠砂替代率；加入外加劑改善材料接觸面，提高密實度，可達到提高其抗收縮性能；此外，摻入粉煤灰、礦渣等摻合料及纖維也能有效改善沙漠砂混凝土抗收縮性能及抗早期開裂性能[83-84]。

3 研究展望

沙漠砂混凝土是未來綠色建材的研究方向之一，本文通過整理與總結前人研究成果，進一步展望沙漠砂混凝土未來研究方向與思路，以期為其在實際工程中的應用發(fā)展提供借鑒。

(1)沙漠砂混凝土拌合物性能方面：①針對沙漠砂作為混凝土細骨料時沙漠砂的分選、表觀性能處理及其混凝土改性等方面還有待開展系統(tǒng)研究，通過采用人工級配細骨料對沙漠砂進行科學處理，可提高沙漠砂在混凝土中的利用率并改善沙漠砂混凝土拌合物的基本性能；②加入其他活性外加劑，如硅粉、粉煤灰等，觀察活性外加劑對沙漠砂混凝土拌合物性能的影響；③采用多顆粒物制備混凝土，即沙漠砂只充當顆粒增強水泥石角色，而不作為級配區(qū)細集料的填充作用。

(2)沙漠砂制備混凝土的主要指標之一是力學性能，在此方面雖取得了豐碩的研究成果，但仍有待加強：①沙漠砂混凝土構成機理不同和接觸面復雜等因素，使得其力學性能特征有別于普通混凝土，其損傷機理和結構組成有待進一步研究；②沙漠砂高強混凝土的研究是未來研究的方向之一，通過摻入外加劑，改良沙漠砂混凝土構造組成，可達到高強度要求；③對沙漠砂混凝土宏觀特性的研究很多，但對微觀特性和機理的研究還不夠。因此，仍有必要研究沙漠砂混凝土界面區(qū)的黏結性能和損傷機理，分析沙漠砂混凝土強度差異的根本原因。

(3)沙漠砂制備混凝土的另一個重要指標是耐久性，沙漠砂混凝土的耐久性也仍需全面探索：①由于北方和西北地區(qū)會受到鹽凍和凍融兩大病害的影響，有必要對鹽凍環(huán)境下的混凝土強度提出更高的要求；②沙漠砂混凝土的耐久性，如抗?jié)B水、耐腐蝕等，應進一步研究；③利用外加劑提高沙漠砂混凝土耐久性需從單方面向多方面耦合，進行綜合化研究。

4 結論與建議

沙漠砂制備混凝土不僅可以從根本上解決河砂資源短缺及建筑用砂儲備不足的問題，而且符合“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)文明發(fā)展理念。基于此，本文梳理并總結了近年來大量的沙漠砂混凝土相關研究，主要結論如下：

(1)沙漠砂的粒徑尺寸基本集中在0.1～1 mm之間，宜采用混合砂的形式改良沙漠砂混凝土細骨料級配，沙漠砂與河砂表觀密度、堆積密度兩者基本相同，含泥量遠低于建筑用砂要求，此外，沙漠砂中SiO2、Al2O3、CaO含量占總體質(zhì)量的80%以上，具有潛在的水化活性，有助于提升后期水泥的水化反應。

(2)沙漠砂顆粒細小，適量的摻入能起到“滾珠”的作用，進而提高砂漿及混凝土的工作性，沙漠砂表面存在碟形坑、麻坑等特征，整體上呈圓形或近圓形細小顆粒，吸水性較強，制備的混凝土具有較好的黏結力及稠度。

(3)細小的沙漠砂有助于減小混凝土內(nèi)部摩擦力，并且能夠增加漿體的流動性，使?jié){液更易進入孔隙內(nèi)部從而使水泥石結構的密實度提高，進而提高混凝土的強度。

(4)適當?shù)纳衬皳搅坑兄谔岣呋炷恋目箖鲂约澳透邷匦阅?，而沙漠砂摻量對其抗氯離子滲透性能影響效果相對較小，因此可在一些對鹽侵蝕要求較低的工程中適當提高沙漠砂摻量，以提高其在工程中的利用率。

(5)沙漠砂的分選和表觀性能處理、沙漠砂混凝土改性等方面研究仍有較大空間，依托西北地區(qū)自身優(yōu)勢、就地取材，合理開發(fā)并有效地利用沙漠砂，能夠緩解天然河砂資源短缺問題，實現(xiàn)沙漠砂的綠色開采及資源化利用。