改良特細(xì)沙漠砂在港口混凝土中的技術(shù)應(yīng)用分析

唐凱

摘 要：通過毛里塔尼亞M201綜合港口項(xiàng)目施工過程中改良特細(xì)沙漠砂混凝土的成功應(yīng)用，克服了當(dāng)?shù)厝鄙俸由车膯栴}，有效提高了施工效率、縮短了施工工期、節(jié)約了工程成本。

關(guān)鍵詞：改良特細(xì)沙漠砂;港口混凝土;摻配比例

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國混凝土網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示2019年全國混凝土產(chǎn)量同比增長率7.51%[1]。我國基建投資雖然增速放緩，但仍將持續(xù)保持穩(wěn)定增長態(tài)勢，并拉動商品混凝土需求穩(wěn)定增長，意味著我國混凝土市場依舊廣闊。

2019年原材料水泥及砂石保持高位運(yùn)行，價(jià)格上調(diào)頻繁。隨著混凝土需求量的增大，砂的使用量有不斷上升的趨勢，混凝土價(jià)格受制于原材料價(jià)格波動。作為混凝土細(xì)骨料中的首選資源——河砂資源用量有限，且受制于法規(guī)政策;海砂資源作為沿海地區(qū)城市基建的有效資源也被提出利用，但海砂相關(guān)問題的處理技術(shù)還有待改進(jìn)，材料的技術(shù)問題阻礙了其發(fā)展的步調(diào);機(jī)制砂及其石粉特性對混凝土性能的影響仍存在較多爭議，導(dǎo)致機(jī)制砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較難執(zhí)行，而且機(jī)制砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)缺乏配套和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。我國中、粗砂等非再生資源嚴(yán)重短缺，隨意開采的現(xiàn)象給環(huán)境造成了較為嚴(yán)重的生態(tài)問題，為了合理利用資源，維持長期、穩(wěn)定的建筑材料市場，尋找可替代、符合友好型生態(tài)環(huán)境的砂源的重要性不言而喻。

沙漠砂作為一種可替代資源，被認(rèn)為能夠應(yīng)用到工程建設(shè)當(dāng)中，沙漠砂混凝土是一種較為新穎的復(fù)合型建筑材料。我國的沙漠資源分布廣闊，在新疆、內(nèi)蒙古、青海等地，資源就相當(dāng)豐富。若將沙漠砂用于工程建設(shè)中，不僅可以解決砂源匱乏的窘?jīng)r，也能就地取材，節(jié)約運(yùn)輸成本，降低工程造價(jià)，還能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境。隨著中國基建步伐逐漸向海外市場邁進(jìn)。沙漠砂在海外開發(fā)市場的作用顯得舉足輕重。在倡導(dǎo)合理利用當(dāng)?shù)鬲?dú)特的資源和推進(jìn)建設(shè)工程發(fā)展的背景下，研究沙漠砂混凝土就十分重要。

1 工程概況

1.1 基本情況

毛里塔尼亞位于非洲撒哈拉沙漠西部（14°～26°N，5°～17°W），西臨大西洋，全國海岸線長約700 km，國土面積90%以上為沙漠。本文研究結(jié)合該國M201綜合港口項(xiàng)目，主要建設(shè)內(nèi)容為商用碼頭一座，軍用碼頭一座，漁碼頭一座。修船廠建設(shè)船臺5座，縱向下水滑道。陸域工程包括油庫區(qū)、軍用碼頭陸域區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)、修船車間、彈藥庫區(qū)等，陸域總占地面積為29.1萬㎡，約10萬方混凝土需要采用改良后的沙漠砂。

1.2 技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

毛里塔尼亞M201項(xiàng)目所處海域?yàn)樯迟|(zhì)海岸，面向大西洋，背靠撒哈拉沙漠。當(dāng)?shù)貨]有合適的河砂，而且石料距離項(xiàng)目有500公里，運(yùn)距遠(yuǎn)，成本高，存在由于砂石料的供應(yīng)不足影響工程進(jìn)度的問題。有效利用沙漠砂將大幅提高施工效率，同時(shí)降低混凝土原材料成本，為項(xiàng)目提升經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目可根據(jù)項(xiàng)目所在地區(qū)沙漠砂特性，通過混凝土配合比設(shè)計(jì)，配置出適合該工程各種強(qiáng)度的混凝土，以解決河砂采購成本高的問題。由于砂子過細(xì)，比表面積大，對比中粗砂，單方混凝土需要更多的膠凝材料，更大的單方用水量，同等水泥用量下混凝土強(qiáng)度低，同標(biāo)號混凝土生產(chǎn)成本要高;在施工過程中還會引起混凝土收縮率增大，易產(chǎn)生干縮裂紋等問題。因此需合理使用沙漠砂，控制沙漠砂用量成為項(xiàng)目混凝土質(zhì)量控制的重中之重。

2 技術(shù)要點(diǎn)

2.1 項(xiàng)目施工工藝背景

項(xiàng)目斜坡式防波堤采用陸推法，即從接岸端由陸地向海上推進(jìn)施工，先采用自卸車運(yùn)料直接填筑堤心石，長臂反鏟挖掘機(jī)理坡，當(dāng)填筑至堤頂并壓實(shí)后，可為后續(xù)施工提供陸運(yùn)通道及施工平臺。隨后依次拋填墊層塊石、吊裝扭王字塊體（預(yù)制場預(yù)制）。使用抽沙船施工，實(shí)現(xiàn)開挖、降水同步進(jìn)行，在降水深度滿足設(shè)計(jì)要求后，抽水以控制水位，同時(shí)采用挖掘及自卸車等設(shè)備進(jìn)行陸挖疏浚作業(yè)。在碼頭沉樁過程中利用可調(diào)滾輪式限位導(dǎo)向架沉樁施工，導(dǎo)向架設(shè)置上下兩層限位裝置，在垂直樁身鎖扣方向采用普通實(shí)心滾輪，限制水平方向位移及控制垂直度，在平行樁身鎖扣方向采用鋼質(zhì)槽型滾輪，既可限制水平方向位移及控制垂直度，又可限制樁身轉(zhuǎn)動，控制角位移。配合測量儀器的精準(zhǔn)控制，可實(shí)現(xiàn)樁身垂直度、平面位置以及樁身旋轉(zhuǎn)角度的實(shí)時(shí)調(diào)整，以提高施工質(zhì)量。模袋混凝土護(hù)岸、碼頭胸墻及帽梁、下水滑道等結(jié)構(gòu)通過抽沙船降水并維持護(hù)岸區(qū)域地下水位，創(chuàng)造干法施工的條件。其他陸域房建、道路、堆場等結(jié)構(gòu)采用常規(guī)施工工藝。

3 研究設(shè)計(jì)

研究目的：在當(dāng)?shù)睾由百Y源匱乏的情況下，合理利用沙漠砂和當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有資源，經(jīng)過大量試驗(yàn)對比，調(diào)整出最佳方案，以達(dá)到以下效果：1）科學(xué)利用沙漠砂，保證混凝土質(zhì)量;2）解決無河砂供應(yīng)的窘?jīng)r，保證施工進(jìn)度;3）充分利用當(dāng)?shù)丶扔胁牧?，?jié)約工程成本，確保經(jīng)濟(jì)上可行。

研究問題及界定：本文先對沙漠砂混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀、特性研究進(jìn)行代表性總結(jié)，然后提出新的沙漠砂改良方法及對沙漠砂混凝土的強(qiáng)度特性分析和技術(shù)應(yīng)用分析，論證提出改良方法的可行性。并對沙漠砂混凝土的應(yīng)用給予展望。

根據(jù)沙漠砂的工程特性提出改良方案，擬定四種方案進(jìn)行可行性比對，通過技術(shù)分析，最后選擇最優(yōu)方案。

3.1 對沙漠砂指標(biāo)檢測

制定合理的試驗(yàn)技術(shù)方案，先對當(dāng)?shù)厣衬昂Y分、氯化物、表觀密度等相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行檢測分析，確認(rèn)沙漠砂除細(xì)度模數(shù)外的大部分指標(biāo)能夠滿足規(guī)范要求。

3.2 沙漠砂改性

經(jīng)分析，當(dāng)?shù)厣衬安荒苤苯邮褂迷诨炷廉?dāng)中。結(jié)合沙漠砂混凝土的研究成果，本文采用沙漠砂替代率作為研究參數(shù)，基于此，根據(jù)既有材料和現(xiàn)有資源，提出采購當(dāng)?shù)氐? mm～10 mm級配小碎石（以下統(tǒng)稱“小碎石”）進(jìn)行合理摻配。

沙漠砂與小碎石合成初擬分析，用四個(gè)不同摻配比例作為初擬方案。

以砂、小碎石比例55：45為例，計(jì)算各摻配方案的合成級配，繪制篩分曲線圖。

由表3知，特細(xì)沙漠砂的粒徑主要分布于0.15 mm～0.6 mm之間，細(xì)度模數(shù)為1.5，規(guī)格為2 mm～10 mm的小碎石細(xì)度模數(shù)是4.8，級配顆粒較集中于1.18 mm～4.75 mm之間。小碎石4.75 mm以下部分可視為中粗砂，按合理比例摻入沙漠砂后，混合材料達(dá)到較為理想的細(xì)度模數(shù)2.4（11區(qū)砂）。

4個(gè)方案細(xì)度模數(shù)均滿足規(guī)范2.3～3.0的范圍，選取四種不同比例的沙漠砂與2 mm～10 mm小碎石的合成級配，參照國內(nèi)中砂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土試配，作后續(xù)研究。

3.3 混凝土配合比初擬

此次試驗(yàn)研究是基于特細(xì)沙漠砂與2 mm～10 mm級配小碎石的摻配比例來改良細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)，從而配置出理想的混凝土。為尋求優(yōu)化的摻配比例，本研究試驗(yàn)在進(jìn)行混凝土試配中，需采用控制變量法進(jìn)行初擬配合比，所以僅以摻配比例作為唯一變量。

將選定的4種摻配比例方案實(shí)際用于C40強(qiáng)度配合比設(shè)計(jì)中，并確保水灰比，外加劑含量，砂率一致，以便對照試驗(yàn)的順利進(jìn)行?；炷粮鹘M分的技術(shù)指標(biāo)見表4～5。

混凝土試配主要考慮的因素：

（1）水灰比。水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的主要因素。特細(xì)沙漠砂的缺點(diǎn)是比表面積較大，和中粗砂相比，同等和易性混凝土需水量相對較高，導(dǎo)致水灰比增加混凝土強(qiáng)度降低，所以需嚴(yán)格控制用量，權(quán)衡質(zhì)量和效益。本研究通過多次試配，最終確定水灰比為0.37。

（2）外加劑。適當(dāng)增加外加劑的用量來控制用水量，既要保持混凝土和易性又要滿足強(qiáng)度要求，本次試驗(yàn)采用奈系FDN-440緩凝高效減水劑。并經(jīng)過試驗(yàn)確定外加劑摻量為2.2%時(shí)，混凝土和易性最佳，且可以得到滿意的混凝土強(qiáng)度結(jié)果。

（3）砂率。沙漠砂細(xì)度模數(shù)較小，屬于特細(xì)砂，若采用普通中砂的砂率，將導(dǎo)致拌合物粘度增加，流動性變差，且收縮性變大，易開裂。故配置中的最佳砂率應(yīng)比普通中砂的砂率要低7%～13%。

（4）級配。由于沙漠砂粒徑小，直接與當(dāng)?shù)貜V泛使用的5～25卵石調(diào)配混凝土，由于集料的連續(xù)級配不連續(xù)，混凝土易離析，增加當(dāng)?shù)? mm～10 mm碎石后問題得到解決。

3.4 混凝土工作性能

由表7可知，水泥混凝土塌落度會隨摻配比例中的特細(xì)沙漠砂的含量增高而降低。方案2和方案3的塌落度測試結(jié)果均滿足C40混凝土塌落度的規(guī)范設(shè)計(jì)要求，而特細(xì)沙漠砂的摻配比例為45%時(shí)，混凝土的塌落度明顯大于規(guī)范推薦范圍，而當(dāng)特細(xì)沙漠砂的摻配比例達(dá)到60%時(shí)，試配的混凝土塌落度明顯小于規(guī)范推薦值，表明隨特細(xì)沙漠砂比例增大，混凝土的流動性變差，從混凝土工作性能的綜合層面出發(fā)，特細(xì)沙漠砂摻配比例50%和55%是合理的。

3.5 力學(xué)性能

3.5.1 抗壓強(qiáng)度

對上述四種配合比下的C40水泥混凝土抗壓試件，按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件分別養(yǎng)生7天和28天，并分別測試上述四種配合比下混凝土的7天和28天抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度。測試結(jié)果如圖2。

3.5.2 抗折強(qiáng)度

將上述四種摻配比例試配出F4.5路面混凝土，制作混凝土抗折試件。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下分別養(yǎng)生7天和28天，并分別測試上述四種比例下混凝土的7天和28天抗折強(qiáng)度，測試結(jié)果如圖3所示。

特細(xì)砂混凝土28d強(qiáng)度隨沙漠砂摻配比例增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，沙漠砂和2 mm～10 mm小碎石比例為55：45附近時(shí)，砼強(qiáng)度最高。這是由于“中砂”（2 mm～

10 mm小碎石）粒徑較大，而沙漠砂粒徑較小，可使混凝土集料填充均勻，處于密實(shí)狀態(tài)，增加了混凝土強(qiáng)度。但由于沙漠砂本身是松散母巖風(fēng)化而成，自身強(qiáng)度小于中砂，因而當(dāng)沙漠砂比例較大時(shí)，隨沙漠砂的比例增加，而混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

3.6 經(jīng)濟(jì)效益

對初擬方案及未使用沙漠砂時(shí)進(jìn)行單方混凝土造價(jià)對比。

從經(jīng)濟(jì)效果上看，方案4最佳，方案3次之。通過混凝土工作性能，強(qiáng)度指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益綜合分析得出，方案3為優(yōu)選方案。

3.7 高強(qiáng)混凝土試配與應(yīng)用

本項(xiàng)目混凝土強(qiáng)度等級最高為C50。對于高強(qiáng)混凝土，由于其強(qiáng)度較高，采用強(qiáng)度較小的沙漠砂配置時(shí)難度較大。故配置C50水泥混凝土過程中，在基于混凝土最優(yōu)性能的摻配比例（特細(xì)沙漠砂摻配比例為55%），通過調(diào)整水泥的絕對用量進(jìn)行優(yōu)化配合比，測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在滿足齡期強(qiáng)度要求下（28d達(dá)到設(shè)計(jì)值的120%左右），選擇456 kg的水泥劑量可配置出C50高強(qiáng)水泥混凝土。

4 結(jié)果

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在滿足中砂細(xì)度模數(shù)要求下，C40混凝土強(qiáng)度隨沙漠砂占比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。沙漠砂與小碎石比例為55：45時(shí)，強(qiáng)度最高，且混凝土工作性能符合生產(chǎn)要求，經(jīng)濟(jì)效益好。

（2）制備出的C40混凝土初凝時(shí)間在3小時(shí)30分鐘左右，終凝時(shí)間在7小時(shí)左右，能夠適應(yīng)施工強(qiáng)度。相應(yīng)于指定齡期下的砼試塊強(qiáng)度值達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過3個(gè)月現(xiàn)場回彈儀實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，碼頭胸墻強(qiáng)度較28天抗壓強(qiáng)度值增長了3.6%。經(jīng)過抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果，該試驗(yàn)配比能夠滿足抗?jié)B等級P8要求，結(jié)構(gòu)物早期無明顯開裂現(xiàn)象，混凝土表觀質(zhì)量滿足規(guī)范要求。在高強(qiáng)度混凝土應(yīng)用中，C50混凝土能夠滿足強(qiáng)度指標(biāo)及耐久性要求。

（3）在混凝土實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)沙漠砂改良方案配置出的各強(qiáng)度等級下的混凝土均滿足相關(guān)特性指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)能環(huán)保。從從而形成一套完整的特細(xì)沙漠砂改良方案應(yīng)用于各強(qiáng)度混凝土。

5 結(jié)論與展望

（1）本文總結(jié)了沙漠砂混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀的典型論述，肯定了改良沙漠砂混凝土的適用性。在西非毛里塔尼亞這種獨(dú)特的自然條件下，應(yīng)用特沙漠砂在混凝土工程建造當(dāng)中是有必要的。（2）此次研究論證了改良沙漠砂適用于港口混凝土建設(shè)的可行性，提出了一種通過摻配2 mm～10 mm小碎石的途徑，改良沙漠砂，制定出了一種新穎的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案。通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)論證了改良方案的可行，在該區(qū)域具有實(shí)際指導(dǎo)意義。（3）此次研究未對改良沙漠砂混凝土動力學(xué)性能作進(jìn)一步的跟蹤研究，需要同步開展相關(guān)的檢測試驗(yàn)。對沙漠砂混凝土相關(guān)性能的持續(xù)研究是不可忽視的。（4）結(jié)合西非毛里塔尼亞工程實(shí)例與當(dāng)?shù)亟ú氖袌龅木經(jīng)r，研發(fā)改良用于港口工程建設(shè)的沙漠砂混凝土具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。毛里塔尼亞M201項(xiàng)目對特細(xì)沙漠砂的成功改良，為本項(xiàng)目帶來了良好的效益。同時(shí)，這種創(chuàng)新改良的成功運(yùn)用，有利于推廣到類似環(huán)境的各沙漠地區(qū)國家，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]2019年中國各省市商品混凝土產(chǎn)量及市場分析[EB/OL].中國混凝土網(wǎng)，2020-06-04.

[2]潘珠峰，黃兆輝，黃鄭兵，等.海砂混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展研究[J].工業(yè)建筑，2015（增刊）：1303-1311.

[3]劉貞鵬，王晶，陸芳.機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土研究應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J].黑龍江交通科技，2017（2）：20-21.

[4]CIA.The CIA World Factbook 2012—Mauritania[EB/OL].（2014-06-20）[2016-07-10].

[5]Mainguet M，Dumay F，Guang H，et a1.Accelerated desertifi—cation in the deserts of Mauritania and China in the 20th cen—tury[M].Seeurity and Environment in the Mediterranean.Berlin，Germany：Springer，2003：677-686.

[6]Bennoune～L Mauritania：a neocolonial desert[J].Dialectical Anthropology，1978，3（1）：43-66.

[7]張坤，王勇，牛洲蛋，等.沙漠砂混凝土資源化利用研究進(jìn)展[J].青海交通科技，2018（6）：116-120.

[8]劉雨冰，王建琦，李倩.淺析沙漠砂混凝土研究現(xiàn)狀及技術(shù)路線[J].山西建筑，2020（3）：94-96.