風積沙應用于混凝土的研究進展

劉 超,林 鑫,朱 超,劉化威

(1.西安建筑科技大學 理學院,陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安 710055)

1 前 言

近年來,我國基礎建設領域大力發展,混凝土的消耗量與日俱增,對砂石等自然資源的需求不斷增加[1]。建筑業長期粗放的開采方式不僅導致我國砂石等天然資源嚴重短缺,而且對生態環境造成了嚴重的破壞。據中國砂石協會的數據顯示,2018～2019年,我國從東南亞進口河砂共2 512.58噸,僅廣東惠州、梅州、河源、清遠等地的砂子缺口高達2 000萬方,全國每年河砂缺口更是高達上億噸。目前,機制砂廣泛應用在砂石骨料市場,成為河砂主要的替代資源。然而機制砂的生產成本較高、顆粒棱角尖銳、表面粗糙、級配較差,對混凝土和易性、強度及耐磨性等都會產生嚴重的影響[2]。因此,河砂和機制砂無論從資源可持續發展還是保護環境的角度來看,都不能滿足當前建設規模的需求,亟需尋找新的天然砂石骨料替代品。

我國北方部分地區沙漠化問題嚴重,沙漠面積8.089×105km2,約占國土總面積的8.4%[3],沙漠地區的風沙被搬運到沖積平原地區而逐漸形成風積沙[4]。與機制砂相比較,風積沙是一種天然固體廢棄物,具有儲備量大,價廉等優勢。采用風積沙部分地取代河砂制備混凝土,對于降低工程造價、保護環境和合理開發利用自然資源都具有重要意義。圖1統計了從1986年到2019年間中國知網以及2002年到2019年間Web of Science核心合集中有關風積沙混凝土的學術論文數量,充分說明在過去的十年中,風積沙混凝土的關注度越來越高。Zhang 等[5]、Padmakumar等[6]相繼開展研究,發現風積沙可以部分替代河砂生產性能更優良的混凝土。

圖1 學術論文數量 (a)中國知網；(b)Web of Science核心合集Fig.1 Number of academic papers (a)CNKI；(b)Web of Science core collection

2 風積沙的物理化學特征

2.1 風積沙的物理性質和化學成分

不同地區的風積沙,其物化特征也不同。筆者整理了部分文獻中我國沙漠地區風積沙的研究成果,其基本物理性質如表1所示,化學成分如表2所示。

表1 風積沙的物理性質Table 1 Physical properties of aeolian sand

表2 風積沙的化學成分Table 2 Chemical composition of aeolian sand

根據GB/T 14684ˉ2001《建筑用砂》[7]的規定,風積沙的表觀密度、堆積密度、含泥量等物理性質均滿足建筑工程用砂的要求。風積沙是特細砂,部分地區的風積沙的粒徑甚至更小。與河砂相比,風積沙級配更差,級配曲線顯得更加狹長陡峭[8],如圖2所示。由于沙漠地區降水量少,地下水位深,水分蒸發量大,風積沙的含水量在0%～4%之間[9]。

圖2 粒徑分布曲線[8]Fig.2 Particle size distribution curves[8]

大部分地區的風積沙中硫酸鹽和氯化物的含量較少[9],滿足JGJ 52ˉ2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》[10]的要求。Seif等[11]測試出沙特阿拉伯西部的麥加和吉達地區風積沙的礦物組成如圖3所示,主要物相包括石英(88%)、長石(9%)和少量碳酸鹽(2.2%)。張德媛[12]發現我國毛烏素沙漠風積沙主要由巖屑、長石和石英三種顆粒組成,石英占73%,斜長石占15%,正長石占8%,粘土礦物多為伊利石,占2%,重礦物有角閃石,占1%,巖屑由火成巖、變質巖等組成。風積沙中活性二氧化硅顆粒含量較少,因此,發生堿-骨料反應的可能性較低。Zheng等[13]發現中國北方地區的風積沙p H 值在7.76～8.57之間。

圖3 風積沙的XRD分析[11]Fig.3 X-ray diffraction pattern of aeolian sand[11]

2.2 風積沙和河砂的形貌特征

風積沙被風沙流搬運到沖積平原地區[4],其特殊的形貌特征與長期的風力搬運密切相關,沙粒通過躍移和蠕移的方式向前移動,這兩種移動方式使得沙粒之間的碰撞摩擦力增大,其表面磨蝕程度提高,呈現出較為光滑的顆粒表面[18]。河砂形成于水中,由于水的搬運、磨蝕、沉積等機械破壞作用,沙粒磨圓度較低,呈不規則形狀,其表面存在形狀各異的凹痕。圖4和圖5分別為風積沙和河砂的掃描電鏡照片,從圖可見,風積沙粒徑比河砂小,磨圓度更高,凸起的尖銳棱角相對較少[19-20]。這與李玉根等[21]的研究結論相似。放大倍數提高后,顯微照片顯示風積沙顆粒為橢圓形的片狀,表面平坦,如圖6所示。在更高的放大倍率下,顆粒表面存在平整的解理面、上翻的解理面和貝狀斷口等常見的表面特征[9],晶粒表面的貝狀斷口會降低了顆粒的圓度[6]。

圖4 風積沙的SEM 照片[19]Fig.4 SEM image of aeolian sand[19]

圖5 河砂的SEM 照片[20]Fig.5 SEM image of river sand[20]

圖6 風積沙表面形貌[9]Fig.6 Grain surface textures of aeolian sand at diverse scales[9]

3 風積沙混凝土配合比設計方法

3.1 概率方法

3.1.1 正交試驗 由于風積沙顆粒級配較差,粒徑分布不能滿足普通混凝土細骨料用砂標準,因此不能直接使用《普通混凝土配合比設計規程》[22]設計配合比,大部分試驗研究通過正交試驗確定風積沙的最佳取代率,從而確定風積沙混凝土的配合比。謝春磊等[23]設計了4因素3水平的正交試驗確定C50高強混凝土的試驗配合比,發現風積沙取代率在0%～40%之間時,混凝土抗壓強度隨風積沙取代率增大而增大。此外,陳俊杰等[24]、韓冠生等[25]也通過正交試驗確定了風積沙混凝土的配合比,風積沙最佳取代率也在0%～40%之間。

3.1.2 響應面分析法 正交試驗是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗,雖然能找出最優值,但難以直觀地判別優化區域并給出的整個區域上因素和響應值之間的一個明確的函數表達式,從而無法找到整個區域上因素的最佳組合和響應值的最優值,響應面分析法在很大程度上滿足了這些要求。Hadjoudja 等[26]設計了基于中心組合設計(CCD)的統計模型,研究不同因素對風積沙混凝土工作性能和力學性能的影響,確定了不同因素對各響應值的影響。所建立的模型可以平衡各因素之間的關系,從而制備性能更加優良的風積沙混凝土。Yan等[27]也采用類似的方法給出了水灰比等因素對工作性能和力學性能的影響,并提出了配合比的優化標準,以滿足風積沙混凝土各方面性能要求。

3.2 最緊密堆積理論

風積沙的填充效應是其改善混凝土性能十分重要的一環,研究粗骨料和細骨料、骨料和漿體之間的最密實度填充狀態,有利于優化風積沙混凝土配合比設計。賀業邦等[28]利用Dinger-Funk緊密堆積理論優化粗、細骨料比例和風積沙、普通砂混合比例,發現混凝土密度得到有效提升,工作性能和力學性能得到優化。Chu等[29]采用修正的Andreasen&Andersen顆粒堆積模型設計了風積沙超高性能混凝土的配合比,發現風積沙可制備出滿足力學性能要求的超高性能混凝土。

綜上,目前風積沙混凝土配合比設計理論方面的研究較少,基于概率統計方法的配合比設計導致物力人力浪費較大,風積沙的優勢在于其超細的顆粒粒徑帶來的填充效應,應充分發揮粒徑優勢,采用顆粒最緊密堆積理論來設計配合比,使混凝土干混料密實度更高,從而滿足混凝土基本性能要求。不僅可以節省人力物力,也為風積沙混凝土配合比設計提供了新思路。

4 風積沙對混凝土工作性能的影響

風積沙顆粒粒徑小,比表面積較大,吸水率較強,采用風積沙制備混凝土可提高混凝土的保水性,但需水量也隨之增大。大部分風積沙顆粒磨圓度較高,針片狀顆粒含量較少,這種磨圓度較高、粒徑小的風積沙顆粒能有效改善骨料級配,降低基體孔隙率,這正是其影響拌合物和易性的主要方面[11,21],風積沙混凝土新拌漿體坍落度與風積沙取代率之間的關系如圖7所示。

圖7 風積沙摻量對坍落度的影響[30-32]Fig.7 Influences of aeolian sand content on slump[30-32]

Li等[30]、Al-Harthy 等[31]、Amel等[32]發現混凝土坍落度隨著風積沙摻量增加先增加后降低。其中相對坍落度定義為摻風積沙的混凝土(摻量為10%～100%)坍落度與未摻風積沙的混凝土(摻量為0%)坍落度之比,對混凝土坍落度而言,風積沙的最佳取代率在20%～60%之間。宏觀來看,坍落度的增加與風積沙顆粒形貌特征有關。球狀顆粒比角狀或形狀不好的顆粒更容易移動,可發揮較好的“滾珠”效應,提高新拌漿體的工作性能；然而當風積沙摻量增加,細沙顆粒含量增加,細骨料的粒徑分布發生顯著變化,漿體的流動性降低。細骨料粒徑越小,混凝土流動性就越差[31]。微觀來看,風積沙摻量較低時,可發揮較好的填充效應,填充了細骨料中較大河砂顆粒帶來的孔隙,系統內填充水向自由水逐步轉化,混凝土工作性能得到改善；但隨著風積沙摻量不斷增加,風積沙的填充效應達到閾值,由于細沙摻量較大,細骨料比表面積增大,吸水率增強,細沙顆粒在其表面吸水,吸附水含量隨著風積沙摻量增加而增加。系統內自由水向吸附水逐步轉化,混凝土工作性能逐步降低,坍落度減小[33]。

Bouziani等[34-35]研究表明,風積沙摻量為10%時,砂漿粘度最小,漏斗試驗比摻量為0%的對照組砂漿用時少,風積沙摻量較低時,發揮了較好的填充效應,充分填充了河砂大顆粒的孔隙,使得填充這部分孔隙的漿體得到釋放,更多的漿體用于提升砂漿的流動性。但Rmili等[36]得到了不同的結論,即風積沙的摻入提高了混凝土粘度。

綜上,無論是采用坍落度試驗還是漏斗試驗來研究風積沙摻量對混凝土工作性能的影響,均可得出如下結論:即混凝土流動性能隨風積沙摻量增加先提高后降低,而最佳摻量與風積沙產地有關。如圖7所示,就混凝土坍落度而言,我國毛烏素沙漠地區的風積沙最佳摻量為20%[30],阿曼和阿爾及利亞的風積沙最佳摻量為30%～60%[31-32],這是因為我國毛烏素沙漠地區的風積沙細度模數更低,其比表面積大于西亞和北非地區的風積沙,吸水率更高,流動性更差。這與Elipe等[9]得到的結論相似,即東亞地區風積沙的比重更高,顆粒更細。因此,采用風積沙制備混凝土時,要根據風積沙的細度模數選擇合適的摻量,細度模數越低,摻量越小。如表1所示,我國各沙漠地區的風積沙細度模數偏小,因此本文建議風積沙摻量控制在20%以內,以確?；炷辆邆淞己玫牧鲃有阅?。風積沙提高混凝土工作性能的作用機理可以歸納為幾點:①風積沙的圓度更高,粒徑小,起“微滾珠”作用。②風積沙填充孔隙后釋放了本用來填充這部分孔隙的水和漿體。

5 風積沙對混凝土力學性能的影響

風積沙的粒徑在0.08～0.80 mm 之間,級配均勻,適量取代河砂作為細骨料可以提高混凝土密實性,進而提高其抗壓強度。已有學者研究了風積沙取代率和抗壓強度之間的關系[15,31,37-40],筆者對他們的研究成果進行了整理,取代率與相對抗壓強度之間的關系如圖8所示,相對抗壓強度定義為風積沙混凝土28 d抗壓強度與對照組(不摻風積沙)混凝土28 d抗壓強度之比。

圖8 風積沙取代率對抗壓強度的影響[15,31,37-40]Fig.8 Influences of aeolian sand content on compressive strength

研究結果表明,隨著風積沙取代率增大,抗壓強度先增大后減小,風積沙的最佳取代率為20%～60%,28 d抗壓強度提高了0.6%～8%；當風積沙取代率為100%時,與對照組混凝土相比,28 d抗壓強度降低了10%～25%。宏觀而言,當取代率較低時,粗骨料、河砂、風積沙和膠材形成了連續級配體系,風積沙主要用來填充骨料孔隙,使混凝土內部結構更加密實,抗壓強度隨之提高；隨著取代率逐漸增加,風積沙的填充效應達到閾值,細骨料級配出現斷層,工作性能下降,孔隙率增加,從而降低抗壓強度。

Li等[15,30]對風積沙混凝土的力學性能進行了多尺度研究,從微觀層面分析了風積沙對混凝土強度的影響機理。研究表明,風積沙提升混凝強度的原因與其自身粒徑小、吸水率較高等物化特征有關。摻量合適時,其填充效應和非均勻形核,降低了混凝土內部孔隙率,增加了結構的密實度；適量的風積沙可縮短砂漿與粗骨料、漿體與砂之間的組合裂縫寬度,增強界面過渡區的顯微硬度；堿性環境下,風積沙中活性SiO2和Al2O3的Si—O 鍵和Al—O 鍵解聚和斷裂,與系統中的OHˉ和Ca2+形成更多的C-S-H 和C-A-H,這些水化產物進一步交織成網狀,甚至結晶成塊狀,填充水泥石內部孔隙和漿體與骨料之間的組合裂縫,從而改善了混凝土內部的孔徑分布和界面過度區結構,這些活性成分參與水化反應的過程如圖9 所示。Luo等[34]研究發現風積沙中粒徑小于175μm 的顆粒具有非均質形核作用,這些顆粒為水化產物提供形核點,縮短形核中心與水泥顆粒之間的距離,降低了形核能壘。這是風積沙影響水泥水化的微觀物理過程；風積沙的活性效應主要取決于風積沙的細度和其中可溶性非晶質SiO2的含量。風積沙摻量過高會弱化界面過渡區,增加混凝土內部有害孔隙數量,形成初始裂縫；降低膠凝材料與骨料之間的夾持力,最終導致混凝土強度下降。但Al-Harthy等[31]、Seif等[40]得到了不同的結論,即混凝土抗壓強度隨風積沙摻量增加呈下降趨勢。這是因為不同地區風積沙的物化特征存在差異。

圖9 水化反應過程示意圖[30]Fig.9 Diagram of the hydration reaction process

綜上,填充效應和活性SiO2的火山灰效應是風積沙提高混凝土強度的主要手段,填充效應是主要方面,而對孔隙的填充效果與風積沙顆粒的細度模數有著密切的關系。與沙特阿拉伯地區和阿曼地區的風積沙[31,40]相比較,我國古爾班通古特沙漠以及毛烏素沙漠地區的風積沙[15,37-39]細度模數更低,因此對孔隙的填充效果更好。如圖8所示,對混凝土抗壓強度而言,采用沙特和阿曼地區的風積沙制備的混凝土抗壓強度相較對照組混凝土而言有所下降,最佳取代率為0%；而古爾班通古特以及毛烏素沙漠地區的風積沙最佳取代率為20%。王堯鴻等[41]研究了不同摻量的庫布齊沙漠風積沙對三類不同粒徑分布的河砂細骨料空隙率的影響,確定了庫布齊風積沙對不同細度模數河砂的最佳取代率,對其他地區的風積沙,該方法具有一定的參考價值。風積沙中活性SiO2的火山灰效應是次要方面,如表2所示,我國風積沙中SiO2含量在80%左右,而澳大利亞中部沙漠地區的風積沙中SiO2含量為94.8%[34],因此,我國風積沙中可溶性非晶質SiO2含量較少,火山灰效應對混凝土強度的提升效果較弱。目前,相關研究成果表明,適量風積沙取代河砂可以在一定程度上提高混凝土力學性能,不同文獻中得到的風積沙最佳取代率有所差異。本文對現有文獻進行總結歸納,建議風積沙摻量控制在30%以內,以確保其對混凝土力學性能有一定的改善效果。此外,對全取代率風積沙混凝土試驗研究較少,大量、深化的試驗研究后,才能找到更好的改性方法,提高風積沙的利用率,促進風積沙的應用推廣。

6 風積沙對混凝土耐久性能的影響

6.1 抗凍性能

6.1.1 水凍 孔隙特征與混凝土抗凍性能密切相關,風積沙的填充效應、活性效應能夠改善混凝土的微觀孔隙結構,從而提高其抗凍性能。薛慧君等[42]研究發現,風積沙取代率為40%時,混凝土氣泡間距系數為310μm,硬化混凝土含氣量為最小值2.15%,混凝土的抗凍性能達最佳。董偉等[43-44]研究了風積沙對浮石輕骨料混凝土抗凍性能的影響,發現風積沙摻入后對輕骨料混凝土的凍融破壞具有雙重影響。摻量大于30%時,風積沙加劇混凝土的凍融破壞；摻量小于30%時,內部損傷被抑制。因此,最佳取代率為20%～30%。吳俊臣等[45]研究了不同摻量的風積沙對混凝土抗凍性能的影響,當摻量為60%～100%時,基體內部封閉孔隙增加,風積沙對混凝土內部損傷的發展起到抑制與釋放作用,其抗凍性能顯著優于不摻風積沙或摻量少的混凝土。但薛慧君等[46]發現,風積沙摻量為40%時,經歷200 次凍融循環后混凝土的孔隙率最低,小尺寸孔隙量增多,凍融損傷破壞進程延緩,說明其微觀孔徑演變與宏觀抗凍性優劣存在關聯。

6.1.2 鹽凍 何靜等[47]研究了氯鹽凍融作用下風積沙水泥砂漿的抗凍性能,發現當摻入15%風積沙時,砂漿的氣泡間距系數降至196μm,含氣量降為3.14%,水泥砂漿的抗凍性能最佳。蘇英[48]發現,氯鹽凍融作用下100%摻量的風積沙混凝土內部只有少量獨立的孔洞貫穿,平均氣泡間距最小,內部結構相對完善,氯離子擴散系數降低,抗凍性能最佳。鄒欲曉等[49]研究了MgSO4-凍融作用下風積沙混凝土的抗凍性能,發現風積沙的加入改善了混凝土內部結構,且摻量越高,混凝土內部結構越密實,孔隙和微裂紋越小,其對混凝土抗凍性能有明顯提升作用。

6.2 抗氯離子、碳化性能

混凝土中自由氯離子含量是評價混凝土耐氯離子侵蝕的重要指標。董偉等[50]研究了鹽凍作用下風積沙摻量對混凝土氯離子滲透性的影響,發現氯離子擴散系數隨風積沙摻量增加先減小后增大,風積沙摻量25%時達到最低值,適量的風積沙摻入能夠抵擋氯離子入侵。摻入風積沙提高混凝土抗氯鹽侵蝕能力的原因主要體現在兩方面[51]。首先,F鹽等晶體產物可發揮填充效應填充膠凝孔,增加了水泥石的結構密實度；其次,風積沙摻量較低時,可充分發揮填充效應,基體孔隙率降低,部分氯離子侵蝕通道被阻斷。因此,風積沙混凝土呈現出較好的抗氯離子滲透性能。

吳俊臣等[52]研究了風積沙摻量對混凝土碳化性能的影響,發現摻量小于60%時,CO2擴散系數隨著摻量的增加而降低,當摻量大于60% 時,CO2擴散系數隨摻量的增加而增加。整體來看風積沙混凝土的抗碳化性能明顯優于普通混凝土。Zou[53]、Li等[54]同樣指出,風積沙摻入后可以提高混凝土抗碳化性能。

6.3 收縮、開裂性能

風積沙的填充效應以及較強的吸水率降低了混凝土內部孔隙率,提升保水性,開裂敏感性降低,收縮率降低[55]。李根峰等[56]研究了風積沙摻量對混凝土收縮變形性能的影響,發現隨著摻量的增加,收縮變形的變化規律為開始時持續上升到最后趨于穩定,收縮率的穩定值逐漸增大；收縮變形持續時間逐漸變長,澆筑后3 d內收縮變形較明顯,3 d后基本不再收縮。

風積沙顆粒圓度更高,與棱角狀的河砂顆粒相比較,骨料之間的約束力更小,且隨風積沙摻量增加而減小,導致混凝土抗裂性能降低[57]。Tebbal等[58]也得到了相似的結論,即風積沙能有效削弱混凝土的干燥收縮。

綜上,對于抗凍性能而言,不能僅根據相對動彈模量和質量損失率的變化來判斷風積沙混凝土抗凍性能。通過氣泡結構試驗[42,47]、核磁共振技術[43-46],并配合X 射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、電子計算機斷層掃描(CT)的多尺度研究方法分析風積沙對混凝土抗凍性能的影響,其試驗結果更具說服力。同時,風積沙的填充效應是其提升混凝土耐久性能的主要手段,低摻量時,結構密實度提升,從而混凝土抵御不利環境和有害物質侵害的能力變強。此外,風積沙中活性SiO2既然能在堿性環境下發生火山灰反應,則同時也需考慮發生堿骨料反應帶來結構膨脹、開裂等危害。目前,相關試驗結果表明,適量的風積沙可以提高混凝土耐久性能,這主要歸因于風積沙的填充效應,結構密實度提高,混凝土耐久性隨之提高。

7 風積沙混凝土性能的改善途徑

7.1 纖維強化增韌

7.1.1 金屬纖維 Kachouh等[59]研究了鋼纖維摻量對風積沙再生混凝土抗壓強度的影響,發現混凝土28 d抗壓強度隨摻量增大而增大。當鋼纖維摻量為3%時,混凝土28 d 抗壓強度提高10%以上。王勇升[60]研究了鋼纖維摻量對風積沙混凝土力學性能及耐久性能的影響,發現纖維摻量為1.5%時,混凝土力學性能的提升幅度最大。與此同時,摻入鋼纖維也能夠提高風積沙混凝土的抗凍性能。Belferrag等[61]將廢輪胎中的金屬纖維摻入風積沙混凝土中,發現抗壓強度與纖維的材料屬性、取向分布、摻量、纖維與基體之間的粘結力有很大關系。B.Boulekbache等[62]也證實了纖維取向分布是影響風積沙混凝土抗壓強度的重要因素。

7.1.2 玄武巖纖維 董偉等[63]研究了玄武巖纖維摻量對風積沙混凝土力學性能的影響,發現當纖維摻量小于1.5 kg/m3時,隨著纖維摻量增加,混凝土力學性能提高,當摻量超過1.5 kg/m3時,力學性能開始下降。蔣喆等[64]研究表明,玄武巖纖維摻量為0.1%時,風積沙混凝土力學性能的提升幅度最大。纖維對混凝土內部的毛細孔產生一種擠壓力,在這種擠壓力的作用下,毛細孔截面減小或者坍塌,有可能會被整體堵塞。在這樣一種纖維分布體系下,纖維對混凝土內部起到的約束作用整體增強,混凝土內部結構變得更為緊密,各類孔隙之間聯系減少,數量降低,有利于提高風積沙混凝土的抗滲透性能和抗凍性能。

7.1.3 其他纖維 Chen等[65-66]研究了聚乙烯醇纖維摻量對風積沙混凝土抗壓強度的影響,發現纖維摻量在0.4%～0.8%之間時,28 d抗壓強度提高9%以上。包建強等[67]研究表明,聚丙烯纖維摻入后,抗壓強度并沒有提高,甚至當風積沙取代率為90%,纖維摻量為1.5 kg/m3時,抗壓強度達到最小值30.06 MPa,與對照組混凝土相比,抗壓強度降低了14.63%。造成抗壓強度下降的主要原因是纖維的結團導致其結構孔隙增加,密實度下降。楊正宏等[68]研究表明,聚丙烯纖維能夠縮短風積沙砂漿裂縫長度,減少裂縫總數和長裂縫數量,摻量為1.3 kg/m3時,砂漿相對開裂指數降至22,裂縫總數比對照組混凝土減少78%,對混凝土的改善效果最佳。Bederina等[69]采用四種處理方式處理大麥秸稈纖維,研究不同處理方式的纖維摻入后對風積沙混凝土抗壓強度的影響,試驗結果表明經過油漆處理后的纖維摻入后對28 d抗壓強度提升效果最好,與未經處理的對照組混凝土相比較,抗壓強度提升了66.2%,經過其他三種處理方式處理后的纖維混凝土抗壓強度均有所提高。劉洋等[70]研究了不同種類的纖維對全風積沙超高性能混凝土收縮性能的影響,發現纖維的摻入可以有效抑制全風積沙超高性能混凝土的早期自收縮,在一定范圍內,隨著纖維摻量的增加,抑制效果提升,其中聚乙烯醇纖維的抑制效果最好。

綜上,各類纖維對風積沙混凝土力學性能及耐久性能的改善效果有所不同,主要提高風積沙混凝土的抗裂、抗拉及延性性能,其作用機理與普通混凝土類似,但強度和抗裂性能受纖維摻量影響的變化規律,仍需深化研究。此外,纖維長徑比、形狀等重要參數的影響亟待深化研究。目前,以單一種類纖維摻入的改性方式為主,多種纖維復合摻入時,對風積沙混凝土性能的改善效果研究鮮有報道。纖維強化增韌的混凝土性能改善方法是值得肯定的,對風積沙混凝土的推廣應用有很大幫助。

7.2 摻入礦物摻合料

7.2.1 粉煤灰 粉煤灰、硅灰、礦渣等摻合料目前的市場應用已經非常成熟,Fattah 等[71],Al-Homidy等[72]已經證實了這些摻合料可以改善風積沙混凝土性能。付杰等[73-74]研究了粉煤灰摻量對風積沙混凝土力學性能的影響,發現粉煤灰摻量為10%～15%時,對風積沙混凝土力學性能的改善效果最好,抗壓強度提高5%以上,如圖10 所示。即使是全風積沙混凝土,10%摻量的粉煤灰也可提高其強度。粉煤灰摻量較少時,主要發揮填充孔隙的作用,提升了結構的密實度,從而提高了抗壓強度。Hilal El-Hassan,Ismail N等[75-76]采用風積沙和粉煤灰制備輕質地聚合物混凝土以及堿激活礦渣混凝土,結果表明,粉煤灰摻量為25%時,混凝土后期抗壓強度有所提升。董偉等[77]也證實了粉煤灰在風積沙混凝土水化后期可發生火山灰反應,生成水化硅酸鈣膠凝體,提高了混凝土強度。

圖10 粉煤灰對風積沙混凝土抗壓強度的影響[73]Fig.10 Influences of fly ash on compressive strength of aeolian sand concrete[73]

7.2.2 礦渣 礦渣粒徑較小,可以優化混凝土干混料的粒徑分布,發揮填充效應和火山灰效應。Jiang等[78]用礦渣部分取代水泥制備風積沙水工混凝土,結果表明摻入礦渣可提高混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度,摻量為170 kg/m3時,強度提高5%～15%。與此同時礦渣改善了風積沙混凝土的耐久性能,提高其抗沖磨性能,降低收縮率。

綜上,礦物摻合料可以改善風積沙混凝土的性能,主要歸因于摻合料的填充效應和火山灰效應,在風積沙摻量較大的情況下,適量的礦物摻合料對混凝土性能的改善效果明顯,為風積沙混凝土的應用推廣提供了參考。

7.3 水中養護、蒸壓養護

不同養護條件下濕度和溫度變化是影響風積沙混凝土強度的主要因素。Douara等[79]研究了三種養護條件(自然養護,水中養護,塑料包裹養護)對風積沙自密實混凝土抗壓強度的影響,發現風積沙摻量為20%、水中養護的混凝土抗壓強度明顯提高。風積沙吸水率較高,影響了水泥水化的需水量,水中養護則解決了這一問題,因此自然養護和塑料包裹養護的混凝土強度低于水中養護。

風積沙含有一定量的活性成分,其中部分粒徑極小的超細顆粒具備火山灰效應[4,33],Guettala等[80]研究發現,盡管磨細的風積沙粉呈現出晶體結構,但仍有部分具備火山灰效應。蒸壓養護可以促進水化反應,充分發揮風積沙粉的火山灰效應,改善混凝土各方面性能。Alawad等[81-83]將風積沙磨細成90%～95%粒徑小于45μm 的砂粉,部分取代水泥制備混凝土,發現在標準養護條件下,抗壓強度隨砂粉摻量的增加而降低；而在蒸壓養護的條件下,抗壓強度隨摻量的增加而增加。蒸壓養護后,風積沙粉發生火山灰反應,與Ca(OH)2發生二次水化反應,生成了更多的C-S-H,摻風積沙粉的水泥石中水化產物分布均勻,對水泥石孔隙填充效果更佳,結構密實度增加,改善了混凝土的耐久性能和力學性能。溫度升高加速了火山灰反應,提高了混凝土抗壓強度。Alhozaimy等[84-85]也證實了風積沙粉在蒸壓養護下可與Ca(OH)2發生二次水化反應,從而提高混凝土的力學性能。此外,風積沙粉的粒徑分布同樣影響混凝土的力學性能,粒徑越小,強度更高[80]。但在實際運用中,應綜合考慮生產經濟效益問題,過細的粒徑需經過多次研磨,增加了成本,不利于風積沙的應用推廣,因此將風積沙磨至低于水泥平均粒徑最為合適。

綜上,蒸壓養護后,風積沙粉可以部分取代水泥制備混凝土,有利于混凝土性能的提高,但蒸壓養護的經濟成本較高,實際生產應綜合考慮各類因素。

8 結 論

風積沙的綜合利用能夠節能降耗,符合綠色混凝土的理念,環保和經濟效益雙贏,具有良好的發展前景。整理風積沙混凝土的相關研究成果發現,宏觀上,適量的風積沙與河砂形成連續級配,填充混凝土內部尺寸較大的有害孔隙。微觀上,風積沙較強的吸水率可以改善孔隙結構內部和界面過渡區性能；風積沙中活性成分發生火山灰反應,生成水化硅酸鈣膠凝體填充更小的有害孔隙,改善混凝土的內部結構,提高密實度,進而改善混凝土的工作性能、力學性能與耐久性能。然而,風積沙可部分取代河砂,大規模投入到實際工程應用中,筆者認為還存在以下幾個方面的問題需要解決:

1.中國的風積沙儲量豐富,但其產地較為集中,產業體系不夠完善,部分地區的風積沙,長期屬于無人管理狀態,其開采、運輸成本比自身價值高很多,這方面需要政策引導與企業合作形成產業鏈,才能有效解決問題。

2.由于自然環境差異,不同地區風積沙物化特征不同,因此,得到的關于風積沙混凝土工作性能、力學性能和耐久性能性能方面的研究成果存在差異,甚至相同地區的相關研究也存在差異,不成體系,難以形成統一的認知。因此,研究成果系統化、研究地區擴大化成為未來研究的必然趨勢。

3.風積沙最主要的缺陷是其粒徑太小,級配不良。摻量過大會導致混凝土孔隙率增加,微裂縫增多,強度下降。此外,孔隙和微裂縫為有害物質提供傳輸通道,加之風積沙p H 值為弱堿性,其堿性成分對鋼筋有一定的腐蝕性,這些侵害會導致建筑結構受損,很大程度上降低結構的承載能力。其次,風積沙吸水率較強,摻量過大會導致混凝土工作性能下降,不利于運輸、泵送和澆筑。因此在工程應用中要注意避免或降低以上問題帶來的負面影響。要做到提高利用率的同時確?；炷粮黜椥阅芊€定,就必須在配合比設計、改善方式等方面進行更深入的研究,才能使風積沙獲得更高的使用價值,對其應用推廣作鋪墊。

4.風積沙的研究形式單一,主要集中風積沙作為細骨料取代河砂后對混凝土宏觀性能的影響,為了拓展其應用渠道,風積沙粉作為一種礦物摻合料,也具備研究價值,目前這方面的研究較少,主要集中在砂粉取代水泥后對混凝土宏觀性能的影響。未來對于風積沙和風積沙粉的活性需要進行進一步研究,主要針對溫度和濕度對活性效應的影響、微觀試驗研究中涉及的化學反應原理、水化熱等領域。

5.風積沙混凝土相關試驗研究主要針對其材料性能,聚焦風積沙摻入后對混凝土力學性能、耐久性能、工作性能的影響,結構層面上研究較少,風積沙混凝土基本構件的受力性能試驗研究鮮有報道,應該充分利用材料層面相關研究成果,開展相對應的有限元理論建模和數值模擬分析。