国内特细砂混凝土研究进展与前景分析

李佐宇，李华强，周渊

（河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098）

1 引言

随着我国经济快速发展和人民生活水平的提高，我国土木工程建设技术也迎来了快速发展，为此需要大量的建筑材料供给来满足建设的需求。而混凝土作为土木工程建设过程中最基本也是最重要的材料，需求量急剧增加。砂子作为混凝土必不可少的组成成分，混凝土用砂的矛盾日趋激烈，但是储量有限的天然河砂、湖砂几乎是一种不可再生资源，若使用资源丰富的海砂，则会导致建筑工程中出现氯离子腐蚀钢筋的现象。

鉴于上述现状，寻找能够满足当前土木工程建设过程中混凝土用砂的砂源显得尤为重要。近年来，工程建设者们把目光投向特细砂资源的使用，纵观我国特细砂混凝土的使用历史可以追溯到70年前，1921年我国河南洛河天津桥建设项目和1935年重庆大溪沟火力发电站等建设工程，就已经采用了特细砂混凝土。实践证明，特细砂与混凝土的科学合理配制将带来良好的经济效益和环境效益。本文通过分析特细砂混凝土存在的缺陷，基于对现阶段国内学者对特细砂混凝土研究成果的综述，提出了特细砂混凝土研究趋势和未来前景，为拓展特细砂混凝土在土木工程建设工程中的运用提供理论参考。

2 特细砂混凝土的缺陷

2.1 和易性较差

特细砂相对中砂和粗砂来说，粒径更小，细度模数在0.7至1.5之间，这就导致了特细砂的级配较差，如果把中砂和粗砂用特细砂取代，特细砂与混凝土进行混合，出现混凝土分层离析现象，这种现象可以体现在以下两种情况，一种是上浮集中到混凝土表面，一种是下沉聚集到混凝土底部，这时，就会影响混凝土的和易性。依据特细砂的特性，特细砂混凝土和易性较差主要有以下表现：拌合物粘聚力较大导致浇筑难度增大，拌合物过于松散从而出现不易粘结，在混凝土浇筑过程中会出现分层离析现象，这是由于水泥砂浆无法填满骨料，使得两者之间会出现孔隙，从而难以实现振捣密实。

2.2 强度不满足要求

正如上一节所提到的特细砂与中砂和粗砂相比，粒径更小，这时特细砂表面吸附的水分也随之增多。在特细砂混凝土吸附的拌合之后，由于水的蒸发，就会导致混凝土内部产生较多孔隙，呈现匀质性较差，降低了特细砂混凝土强度，从而所得到的强度达不到工程施工要求，影响了工程质量。工程实践还发现，同批次的混凝土中还存在个别试块强度值过高或过低，呈现特细砂混凝土强度不够稳定，从而导致难以保证工程质量。

2.3 水泥用量大

特细砂呈现属性为粒径较小、级配较差、拌合物粘聚性较大，这些属性导致其流动性下降。当前工程实践中，对混凝土流动性有较高的要求，当水胶比一定时，这就需要通过增加水泥浆的用量来提高特细砂混凝土的流动性能。然而若增加水泥浆占比，这就会加剧特细砂混凝土的收缩和徐变现象，从而容易导致预应力的损失，同时还增加了配制特细砂混凝土的经济成本。

2.4 易开裂

通过对在许多工程中特细砂混凝土的开裂问题分析发现，其重要的一个原因是特细砂自身的材质特性。特细砂混凝土配制出现孔隙率较大，为此需要更多的水泥浆来填补空隙，这就助推了徐变和收缩的形成。当特细砂混凝土受到外力、或者外界温度变化较大、或者环境湿度出现浮动，特细砂混凝土这时可能会发生可逆变形或者不可逆变形，影响了特细砂混凝土质量。再者，当可逆变形或者不可逆变形遇到外界束缚时，其内部就会出现拉应力，如果拉应力大于其抗拉强度时，这就会使得特细砂混凝土开裂，最终影响了工程的抗裂能力。

3 特细砂混凝土的研究进展

3.1 有关特细砂泵送混凝土的研究

闫静安为了解决特细砂配制混凝土过程中导致的泵送难和易开裂等问题（如粘性过大、流动性低、混凝土收缩增大），通过利用超量掺入粉煤灰来替代部分细骨料，并掺入低量矿粉，提出了“一超一低”法来实现单独使用特细砂配制泵送混凝土；张向斌、娄宗科等通过分析水胶比、砂率、粉煤灰掺量等因素对特细砂泵送混凝土强度及其可泵性的影响机理，采用正交试验法研究发现，使用特细砂配制泵送混凝土的水胶比最优区间为0.35～0.45，砂率的最优区间为 24%～30%，粉煤灰掺量的占比最优为10%～30%，试验还发现掺入适量减水剂以及使用连续级配的粗骨料也有助于改善混凝土的性能。

3.2 有关掺合料在特细砂混凝土中的应用研究

经过多年的发展，土木工程建设过程中配制超细砂混凝土的方法也逐渐增多，比如掺加粉煤灰和矿粉。王赫为了延长特细砂混凝土的凝结时间，在超细砂混凝土中掺加矿粉进行试验研究，试验结果表明掺加矿粉后超细砂混凝土的粘聚性有了明显提高，同时还可以对早期的温度进行有效控制，并实现了改善特细砂混凝土耐久性的效果。陈思甜等在原川黔公路的改造工程中，为了增加混凝土强度和耐磨性，进行添加试验发现加入适量的硅粉可以较好地达到预期目标，并且还认为添加了硅粉的特细砂混凝土可以减薄高等级路面厚度。

3.3 有关特细砂混凝土“三低一超”设计原则的研究

谢祥明等通过混凝土的物理力学性能、变形性能和经济性能试验研究，提出了一种“三低一超”设计方法来优化特细砂混凝土配合比，此方法的运用较好地改善了上述所说的三种性能；周林飞等基于谢祥明提出的“三低一超”的配制方法，分析发现影响特细砂混凝土强度的主要因素分别是出水灰比和砂率。经过反复试验得出，当水灰比为0.45、砂率为0.33时，特细砂混凝土强度最高，这时其抗压强度略高于中砂混凝土的抗压强度。当水灰比为某一定值时，若满足不同强度等级的要求，这时就可以通过调整砂率来改变混凝土拌合物的抗压强度以达到相应要求，同时发现其抗压强度都能完全满足建设工程的强度要求；姚汝方等提出了“三低两掺”的概念，即基于“三低一超”方法加入了适量的高效减水剂，这种方法有效地解决了特细砂混凝土收缩大、易开裂的问题，并且较好地提高了特细砂混凝土的耐久性与安全性。尤其要指出的是，在冬期施工过程中利用“三低两掺”方法还能满足抗冻性和抗渗性等要求。

3.4 有关特细砂混凝土分层离析现象的研究

吴芳等为了探索混凝土出现分层的内在原因，利用流体力学理论，通过分析混凝土骨料形状及其表面状态，深入研究粒子形态与其运动情况的相关关系；胡文忠等分析了混凝土材料组成、材料之间的配合比和混凝土外加剂等，并探索了混凝土掺合料分层现象，试验研究发现对特细砂混凝土原材料严格筛选、合理优化材料配合比以及选用适当的施工方法就可以较好地防止和控制特细砂混凝土的分层现象。

3.5 有关特细砂混凝土在海外工程中的应用

位于非洲撒哈拉沙漠西部的毛里塔尼亚，该国土地被沙漠覆盖超过了国土面积的一半，可见拥有十分丰富的沙漠特细砂资源。为了有效利用这些沙漠特细砂资源，毛里塔尼亚启动了努瓦迪布新矿石码头工程，该工程运用了一种双掺技术，即“掺用机制砂、掺用减水剂”技术，利用这种双掺技术配制的沙漠砂C50高强度预应力混凝土，具有强度高、和易性好、较强的抗裂性及抗硫酸盐腐蚀性能；位于非洲东部的肯尼亚，是“一带一路”倡议在非洲东部地区布局的首站，由于该国特细砂资源缺乏，要在东非最大港口城市蒙巴萨与首都内罗毕之间建设铁路则困难重重，研究者们通过特细砂与机制砂复合和大吸水率骨料处理工程试验成功解决了此问题，研究者配制出的C20-C50强度等级特细砂混凝土，把特细砂成功地运用在蒙内铁路工程中，并且施工成本得到了有效降低，同时还保证了施工进度。

3.6 水工特细砂混凝土

李光伟通过选取表征特细砂混凝土的性能的诸多指标来进行试验研究，这些性能参数包括强度、干缩变形、弹性模量、冻融破坏、抗拉伸极限、抗渗、自生体积变形及抗碳化能力等，运用“三低一超”法对水工特细砂混凝土进行配制，研究发现在某些情形下特细砂混凝土表现出收缩变形小、绝热温升低、抗渗抗冲磨能力强等特征，但在混凝土形成的早期则呈现出强度低、弹性强度较高、极限拉伸值低、抗碳化能力低等缺陷；曾凡江为了提高特细砂混凝土强度，结合使用高性能泵送剂能够实现在拌合期间的用水量减少的经验，并加入超细矿渣粉，所制作成的特细砂水工混凝土，能够降低水胶比，还能够较好地提高混凝土微膨效果和强度，这种加入复合材料的方法一方面可以有效补偿收缩，另一方面还能起到保护环境，实现混凝土材料持久稳定。

4 特细砂混凝土的研究前景

4.1 对配制高性能特细砂混凝土的研究

低流动性是目前市面上配制特细砂混凝土所遵守的特点，但是在混凝土输送过程中却要求特细砂混凝土具有高工作性，这两者是相矛盾的。当寻求使用特细砂与混凝土进行配比来达到高性能配制时，其技术难点在于特细砂的细度模数相对中砂和粗砂来说偏小，这样会影响配制后的特细砂混凝土的高工作性，同时还会导致其他欠缺。改善特细砂的级配缺陷，如何配制高性能的特细砂混凝土还需要进一步地展开研究。

4.2 针对沙漠特细砂进行更多的研究

通过对当前公开的文献成果来说，大多数学者在研究特细砂混凝土的性能时，关注较多的是河流特细砂，而对于沙漠特细砂的研究成果相对较少，没能像特细河砂研究那么深入，针对沙漠特细砂与特细河砂在工程性质以及工程应用的差异研究得还不够完善，在沙漠特细砂的物理化学特性、特细砂混凝土强度、耐久性、养护方法等方面还需要进一步展开研究，以实现扩大沙漠砂的使用范围，力争研制出与普通混凝土性能相近配制的特细砂混凝土提供工程实践经验。

4.3 针对特细砂混凝土的界面性能研究

通常来说把细骨料与水泥浆体之间的界面体积称为二级界面体积。相对于粗砂或中砂普通混凝土的二级界面体积来说，特细砂混凝土的二级界面体积要大很多，这是特细砂细度模数较小，比表面积较大等特性所导致的。由于我国针对粗砂或中砂普通混凝土的研究较为深入，然而对于特细砂混凝土的研究还不足，尤其缺乏对特细砂混凝土二级界面的重要性认识，至今还没有形成较为完整的学科体系。为此，急需探索特细砂混凝土二级界面的微观结构机理，来解析特细砂混凝土宏观特性，最终实现有效地改善特细砂混凝土性能。

5 结语

本文对目前特细砂混凝土的研究现状进行了深入分析，发现在特细砂混凝土配制过程中存在四种缺陷，并基于现状分析和缺陷，提出了特细砂混凝土研究热点，试图为深入开展特细砂混凝土的研究以及工程应用提供理论支撑。