改良特细沙漠砂在港口混凝土中的应用研究

吕世明 郭 丹 唐 凯

保利长大海外工程有限公司

1 引言

随着全球基础设施的大范围开展，尤其是大型水泥混凝土工程的建设，使得混凝土砂石原材料日益紧缺[1-3]。中砂是制备混凝土的原材料中必不可少的组成部分，但天然中砂资源逐年减少，已不能满足工程建设需要，寻找合适的水泥混凝土砂石原材料替代品成了研究者和工程师关注的重点问题[4-6]。特细沙漠砂在全球广泛分布，尤其是非洲撒哈拉沙漠地区、中国内蒙古、新疆等大面积沙漠地区[7-8]。特细沙漠砂比表面积较大、细度模数较小，直接将其添加于水泥混凝土中极易导致水泥用量增大、强度降低，收缩率增大，从而造成生产成本提高，水泥混凝土的性能降低。因此，将特细沙漠砂进行合理的改良，使其能够作为水泥混凝土的原材料，是本文研究的目的[9-12]。

本文以毛里塔尼亚M201港口建设项目为工程背景，开展改良特细沙漠砂在港口混凝土中的应用研究。该港口紧邻大西洋，背靠撒哈拉沙漠。由于当地河流稀少，河砂资源紧缺，砂石料的供应严重不足。寻找合适的河砂原材料替代品是本项目面临的重大工程技术难题。本研究因地制宜，以项目所在地广泛分布的特细沙漠砂作为原材料，通过将其与2mm～10mm 级配碎石按照一定比例混合，掺配成具有合理细度模数的中砂，使其能够取代河砂，达到合理解决河砂资源紧缺、降低水泥混凝土原材料成本、改善项目港口水泥混凝土性能的目的。该项研究成果对于在沙漠地带开展土木工程建设具有较强的借鉴意义。

2 特细沙漠砂性能测试

试验用砂取自项目所在地，距离海边约1km 的范围之内。该区域的沙漠砂从湿度上具备取材的条件，有大量的沙漠砂可取，如图1所示。

图1 特细沙漠砂的分布情况

毛里塔尼亚地区特细沙漠砂的基本物理、化学指标进行测试，包括细度模数、表观密度、吸水率、含泥量、硫化物、氯化物、碱活性物含量进行测试，结果如表1所示。

表1 特细沙漠沙基本物理、化学指标测试

由表1的结果可知，特细沙漠砂除细度模数偏小外，各项物理、化学指标均和水泥混凝土规范中河砂的性能相近，满足相关混凝土设计规范中对中砂材料的基本要求，尤其是其含泥量小，膨胀率小于0.1%的规定值，无潜在碱活性。

由于特细沙漠砂的细度模数仅为1.5，无法满足混凝土工程中对中砂细度模数的基本要求，为合理提高特细沙漠砂的细度模数，本文将2mm～10mm 级配的破碎石按合理比例掺入特细沙漠砂，使得改良之后的沙漠砂达到中砂的细度模数（中砂细度模数范围2.3～3.0），然后参照中砂的技术标准进行混凝土配合比设计。利用坍塌度、抗压强度等指标考察不同配比下的改良沙漠砂混凝土性能，以确定最优配比。

3 掺特细沙漠砂的混凝土配合比设计

3.1 特细沙漠砂及破碎石筛分结果

分别取当地特细沙漠砂及2mm～10mm的级配碎石进行筛分试验，每次筛分试验重复三次，筛分结果取平均值，结果如表2所示。由表2可知，特细沙漠砂的粒径主要分布于0.15mm～0.6mm之间，细度模数为1.5，而级配破碎石的粒径主要分布于1.18m～4.75mm之间，其细度模数为4.8，若将二者以合理的比例掺配，合成砂的细度模数可以满足混凝土规范中对中沙细度模数的要求，即满足细度模数处于2.3～3.0 之间，从而能更好进行混凝土的配合比设计，满足混凝土各项力学性能指标的要求。

表2 特细沙漠砂及2mm～10mm级配碎石筛分结果

1.18 0 99.7 0.6 0.1 99.9 0.3 49.6 99.9 0.15 98.1 99.9 0.075 99.7 99.9筛底100 100

3.2 细度模数试配

基于上述筛分试验结果的分析，以保证合成级配的细度模数满足中砂要求为前提，初步选定四种特细沙漠砂、级配破碎石的掺配比例，方案如表3所示，四种方案合成的中砂级配曲线如图2 所示。采用上述四种方案的合成级配开展混凝土配合比设计。

图2 四种方案合成的中砂级配曲线

3.3 掺特细沙漠砂的混凝土配合比设计

为优化特细沙漠砂和级配破碎石的最佳掺配比例，在本研究混凝土配合比设计环节中考虑采用控制变量法，仅以掺配比例为唯一变量。本研究拟试配强度等级为C40的普通水泥混凝土，在混凝土配合比设计过程中需要注重考虑水灰比、外加剂、砂率、级配。

（1）水灰比。水灰比是影响混凝土强度的主要因素。特细沙漠砂的缺点是比表面积较大，和中粗砂相比，同等和易性混凝土需水量相对较高，导致水灰比增加混凝土强度降低，所以需严格控制用量，本研究通过多次试配，最终确定水灰比为0.37。水泥采用42.5R 的普通硅酸盐水泥。（2）外加剂。为了保证混凝土坍落度、流动性、和易性及强度，适当增加了少量减水剂来控制用水量，减水剂的用量为胶凝材料的2.2%。（3）砂率。沙漠砂细度模数较小属于特细砂，若采用普通中沙的砂率，将导致拌和物黏度增加，流动性变差，且收缩性变大，易开裂。故配置中的最佳砂率应比普通中砂的砂率要低7%～13%。（4）级配。由于沙漠砂粒径小，直接与当地广泛使用的5～25 卵石调配混凝土，由于集料的连续级配不连续，混凝土易离析，增加当地2mm～10mm级配碎石后问题得到解决。

通过上述研究和分析，最终试配出四种方案的C40 混凝土配合比如表4所示，后续将分别开展上述四种混凝土性能测试。

表4 四种方案对应的水泥混凝土的配合比

4 掺特细沙漠砂的混凝土性能测试

4.1 流动性

为了评价特细沙漠砂掺量对混凝土流动性能的影响，对上述四种混凝土的坍落度进行测试，结果如图3所示。

图3 坍落度测试结果

由图3可知，水泥混凝土坍落度会随掺配比例中的特细沙漠砂的含量增高而降低。方案2 和方案3 的坍落度测试结果均满足C40 混凝土坍落度的规范设计要求，而特细沙漠砂的掺配比例为45%时，混凝土的坍落度明显大于规范推荐范围，而当特细沙漠砂的掺配比例达到60%时，试配的混凝土坍落度明显小于规范推荐值，表明随特细沙漠砂比例增大，混凝土的流动性变差，从混凝土流动性、施工和易性等的层面出发，特细沙漠砂掺配比例50%和55%是合理的。

4.2 强度

（1）抗压强度测试。对上述四种配合比下的水泥混凝土抗压试件按标准养生条件分别养生7 天和28 天，并分别测试上述四种配合比下混凝土的7 天和28 天抗压强度，测试结果如图4所示。

图4 不同方案下四种配合比下混凝土7天和28天抗压强度

（2）抗折强度测试。将上述四种掺配比例试配出F4.5 路面混凝土，制作混凝土抗折试件。在标准养生条件下分别养生7天和28天，并分别测试上述四种比例下混凝土的7天和28天抗折强度，测试结果如图5所示。

图5 不同方案下四种配合比下混凝土7天和28天抗折强度

由图4、图5 可知水泥混凝土的抗压强度、抗折强度均随特细沙漠砂掺配比例的增大呈先增大后减小的趋势，当特细沙漠砂的掺配比例达到55%时，水泥混凝土的抗压强度、抗折强度均达到最大值。究其原因是由于“中砂”（2mm～10mm小碎石）粒径较大，而沙漠砂粒径较小，可使混凝土内部填充均匀增加混凝土强度。但由于沙漠砂本身是松散母岩风化而成，自身强度小于中砂，因而当沙漠砂比例较大时，随沙漠砂的比例增加，掺特细沙漠砂的水泥混凝土抗压强度逐渐降低。

综合水泥混凝土流动性、强度等性能的分析结果可知，特细沙漠砂的掺配比例为55%时，混凝土的性能是最优的，即本研究中的方案3。胸墙局部混凝土外观图6所示，胸墙整体混凝土外观图7所示。

图6 胸墙局部混凝土外观

图7 胸墙整体混凝土外观

（3）C50高强混凝土试配。对于高强混凝土，由于其强度较高，采用强度较小的沙漠砂配置时难度较大。故配置C50 水泥混凝土过程中，在基于混凝土最优性能的掺配比例（特细沙漠砂掺配比例为55%），通过调整水泥的绝对用量进行优化配合比，测试结果如图8所示。

图8 不同水泥剂量下的C50混凝土抗压强度

由图8 可知，在满足龄期强度要求下（28d 达到设计值的120%左右），选择456kg的水泥剂量可配置出C50高强水泥混凝土。C50高强混凝土项目应用如图9所示。

图9 毛里塔尼亚M201港口建设项目C50高强连锁块铺设应用

采用混凝土性能最优的掺配比列（方案3）可配置出满足项目要求的各种强度的水泥混凝土，确保了沙漠砂混凝土在项目应用中的全面性。下文将针对掺特细沙漠砂的水泥混凝土的应用及其经济效益开展研究分析。

5 掺特细沙漠砂的混凝土应用及经济效益分析

基于上述研究结果，目前已通过掺配特细沙漠砂配置出各种强度的水泥混凝土，并已成功应用于毛里塔尼亚M201港口建设项目，包括掺配特细沙漠砂的C50 水泥混凝土高强连锁块、C40 水泥混凝土码头胸墙、C30 水泥混凝土结构房建主体等，如图6、图7、图9、图10所示。

图10 改良特细沙漠砂在毛里塔尼亚M201港口建设项目中的应用

对上述应用成果的经济效益进行对比分析，对上述不同特细沙漠砂掺配比例的四种水泥混凝土，以及完全未使用特细沙漠砂的普通混凝土的成本进行造价预算和对比，此次效益分析中以各方案中C40 配合比作为参考，各方案单方水泥混凝土预算造价及总造价汇总见表5。

表5 不同方案造价对比

由表5可知，本项目采用的方案3合成的中砂级配的单方水泥混凝土造价仅675元，而未使用特细沙漠砂的单方普通水泥混凝土造价为810元，仅以毛里塔尼亚201港口建设项目C40水泥混凝土的总用量估算，节省工程造价近1000万元。通过对特细沙漠砂的成功应用，有效降低了项目原材料成本，为项目带来了更好地经济效益和社会效益。

6 结论及展望

（1）通过将特细沙漠砂和2mm～10mm 级配碎石按照一定比例合理掺配，有效改善了特细沙漠砂细度模数偏小的影响，从而形成一套完整的特细沙漠砂+粗集料应用于各强度混凝土的技术方案，试配的水泥混凝土的流动性、强度等各项性能指标均满足混凝土设计规范的技术要求。（2）本研究成果成功应用于毛里塔尼亚M201 港口建设项目，不仅成功地利用了当地资源，有效解决沙漠地区国家缺少河砂的窘况，同时有效地降低混凝土原材料成本，提升效益。（3）本研究成果在毛里塔尼亚地区的应用有利于推广特细沙漠砂在其他类似环境沙漠地区国家的应用，具有重要的经济效益和社会效应。