沙漠砂的物理化學性質及其對混凝土強度的影響

牛景行 王智 潘舟洋 王緣 姜林伯 陳海艷

摘要：為探究不同來源沙漠砂的性能差異及其對混凝土的影響，對典型沙漠地區沙漠砂的物理性質、顆粒級配特征、表觀形貌、元素成分、礦物組成以及化學性質等進行了全面的測試，并分析研究了沙漠砂作為混凝土細骨料的應用關鍵技術。結果表明：沙漠砂顆粒細小、表面光滑、粒度分布范圍較窄，細度模數大部分在0.5～1.0之間；沙漠砂的吸水率、含泥量和礦物組成等具有很強的地域性，但空隙率普遍較大，均超過了44%；沙漠砂的比表面積和顆粒粒徑等因素會影響混凝土的強度形成過程；細顆粒多的沙漠砂中，硫化物和硫酸鹽的存在會提高混凝土的強度；當混合砂細度模數相同時，沙漠砂的吸水率為混凝土強度的主要影響因素。

關鍵詞：沙漠砂；物理化學性質；對比分析；混凝土；強度

中圖分類號：TU521.1文獻標志碼：文獻標識碼A

Physicochemical properties of desert sand and their effects on concrete strength

NIU? Jinghang1，2，WANG? Zhi1*，PAN? Zhouyang2，WANG? Yuan1，JIANG? Linbo1，CHEN? Haiyan1

（1 College of Materials Science and Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China;

2 College of Water Conservancy and Architecture Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract： The physical properties，particle gradation characteristics，apparent morphology，elemental and mineral composition，and chemical properties of desert sand（DS） in typical desert areas were thoroughly tested，and the key application technologies of DS as concrete fine aggregate were analyzed and studied in order to explore the performance differences of DS from different sources and its influence on concrete.According to the findings，the surface of DS is smooth，the particle size distribution range is constrained，the particles are also fine，and the fineness modulus is primarily between 0.5 and 1.0.The water absorption，mud content and mineral composition of DS have strong regional characteristics，but the voidage ratio is generally larger，more than 44%.The specific surface area and particle size of desert sand will affect the formation process of concrete strength.The presence of sulfides and sulfates in fine DS will increase the strength of concrete.When the mixed sand fineness modulus is the same，the water absorption rate of DS is the main factor affecting the concrete strength.

Key words： desert sand;physicochemical properties;comparative analysis;concrete;strength

近年來，在基建領域大規模發展和環保要求逐漸嚴格的背景下，建設用砂供需矛盾日益突出［1］，因此，尋找有效的砂石替代材料成為建筑行業關注的焦點問題之一［2］。第5次《中國荒漠化和沙化狀況公報》顯示中國荒漠化土地面積為261.16萬km2，其中西北五省和內蒙古是中國沙漠化最集中的地區，約占總量的80%。以沙漠中可用的沙漠砂（desert sand，DS）占比為20%計［3］，可知我國西北部地區蘊藏著巨大的沙漠砂資源，而將沙漠砂用于建材領域和服務于西北地區工程建設具有顯著的經濟價值及社會意義。

關于沙漠砂的工程應用，主要涉及地基處理和路基填筑、水渠護坡以及制備混凝土等方面。以沙漠砂混凝土（desert sand concrete，DSC）為例，眾多學者的試驗研究結果表明，沙漠砂地區性差異明顯，不同地區的沙漠砂在物理性質、化學成分以及力學性能方面均有所不同［4-8］，導致來源不同的沙漠砂配制的混凝土在工作性能、力學性能和耐久性等各個方面均存在一定的差異［8］。目前，關于沙漠砂資源化的研究主要以單一來源的沙漠砂為主，對不同地區沙漠砂物化性質的對比分析研究鮮有文獻，因此，本文研究選用寧夏、甘肅和新疆3個地區共計8個典型沙漠砂樣品，通過全面的材性測試和對比分析沙漠砂的基本物化性能，并通過試配混凝土探究沙漠砂作為混凝土細骨料的關鍵技術指標，旨在為沙漠砂的研究和應用提供一定的借鑒。

1 試驗概況

1.1 原材料

沙漠砂可部分代替河砂用于混凝土［5］。為了更直觀的分析不同來源的沙漠砂對混凝土的影響，本文共收集了8個沙漠砂樣品進行全面的材性測試，所有樣品都取自當地沙漠邊緣或半流動小沙丘，具體取樣信息如表1所示。

在沙漠砂樣品材性分析的基礎上，配制混凝土進行強度試驗，試驗所用原材料如表2所示。

1.2 試驗方法

依據GB/T 14684—2022《建設用砂》對砂樣進行物理性質和有害物質含量測試；通過賽默飛世爾瑞士公司生產的ARL Perform′X型X射線熒光光譜儀（XRF）定量分析沙漠砂的化合物組成和元素含量；通過荷蘭PANalytical B.V.公司生產PANalytical X′ Pert Powder型粉末X射線衍射儀（XRD）測試技術分析沙漠砂的礦物組成；利用BT-9300HT型激光粒度分布儀對沙漠砂進行粒徑分布分析；通過國產ES1050型高清數碼顯微鏡和賽默飛世爾美國公司生產的Quattro S型環境掃描電子顯微鏡（SEM）對沙漠砂進行形貌觀測。此外，采用下面方法測定沙漠砂的pH值：取天然沙漠砂樣品10g，加水50mL，通過HJ-6B雙數顯恒溫磁力攪拌器攪拌3min，設定轉速1 500 r/min，靜置1h后，?。?0±5）mL懸濁液，再次攪拌3min，用pH計測試懸濁液pH值。

1.3 配合比設計

以表1所列沙漠砂和選用湖北的特細砂為中砂替代物，復配形成混合砂拌制混凝土，替代率以細度模數占比為依據，以沙漠砂為例，即QDS=750×（MDS/M中砂），其中QDS為單位體積沙漠砂摻量，750為理論計算的細骨料用量，MDS和M中砂分別為沙漠砂和中砂的細度模數；復配后細骨料細度模數見表3。由表3可知：所有混合砂均屬于中砂，符合生產實際中混凝土用細骨料的細度要求。

混凝土設計強度等級為C30。以理論配合比為基礎，通過控制混合砂細度模數進行調整，以達到改善骨料級配、提高砂漿包裹性和確保新拌混凝土工作性的目的。在拌和過程中根據新拌混凝土工作性實際表現適時調整減水劑摻量，避免離析現象。新拌混凝土漿體包裹性較好，和易性良好，基本達到預拌混凝土施工要求，具體工作性如表4所示。

經過以上措施對拌和過程進行控制，形成的混凝土水膠比、灰砂比分別為0.51、0.42，單位體積水泥、水、粉煤灰用量分別為230、162、85kg/m3，大、小碎石用量分別為727、311kg/m3，其他材料用量如表5所示。DSC為摻配沙漠砂的混合砂混凝土；VFSC為摻配特細砂的混合砂混凝土。

1.4 試件制備及養護

本試驗設計了8組沙漠砂混凝土和1組特細砂混凝土，根據表5所示配合比制備混凝土試件。成型24h后脫模，在標準條件下養護，依據GB/T 50081—2019分別測定7d、28d、60d抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 沙漠砂物理性質

根據GB/T 14684—2022《建設用砂》對砂樣進行物理性質測試，結果如表6所示。

由表6可知：沙漠砂的表觀密度在2 650～2 800kg/m3之間，滿足GB/T 14684—2022《建設用砂》規定；堆積密度在1 300～1 500kg/m3之間，除了5號和8號外，其余均滿足GB/T 14684—2022《建設用砂》相關規定；沙漠砂的平均粒徑在0.2mm左右，細度模數最小為0.163，最大為1.090，都在1.6以下，屬特細砂或粉砂；對比天然河砂34%的空隙率［6］，沙漠砂的空隙率明顯偏高。沙漠砂的含泥量分散性較大，其中5號和7號砂樣含泥量均超過了10%，這與其他研究［6，9-10］中沙漠砂含泥量普遍小于3%的結果有較大差異。此處含泥量指的是沙漠砂中粒徑小于75μm的顆粒含量，結合沙漠砂的形成過程［2］及沙漠砂微細顆粒相關研究［4］可知，沙漠砂中小于75μm的顆粒主要成分是微硅粉，因此在對沙漠砂的含泥量進行分析時，應該區別于常規細集料含泥量對混凝土性能的影響。

2.2 沙漠砂化學性質

2.2.1 沙漠砂化學組成

通過XRF定量分析沙漠砂的化合物組成和元素含量，X射線光管的工作電壓為20 kV，工作電流為5mA，結果見表7。

由表7可知：沙漠砂的化學成分與普通河砂［11］類似，以SiO2為主，含量在60%以上；沙漠砂中含有少量的堿金屬氧化物Na2O和K2O等，表明沙漠砂具有一定的堿含量，這會影響混凝土的水泥水化反應。另外，沙漠砂中含有一定量的Si、Al、Ca等元素化合物，說明沙漠砂具有一定的活性潛力，但SiO2、Al2O3、CaO等對水泥水化作用的具體影響與其存在狀態密切相關，尚需進一步研究。所取砂樣中，位于新疆阿勒泰北屯市的沙丘砂（4號）SiO2含量最高，超過了82%，明顯高于其他砂樣（60%～75%左右）；SiO2含量最低的是來自和田的塔克拉瑪干沙漠砂（7號），這一結果在秦擁軍［9］的研究中也有體現。除此之外，沙漠砂樣品中其他氧化物的相對含量不盡相同，大部分沙漠砂中Al2O3含量明顯高于其他氧化物，但是來自新疆精河縣的沙丘砂（6號）和來自喀什達瓦昆的沙漠砂（8號）中，CaO含量高于Al2O3含量；來自新疆北屯的4號沙漠砂中Fe2O3的含量明顯低于其他來源的砂樣（僅為1.19%）。

2.2.2 沙漠砂礦物成分分析

將沙漠砂手工研磨制成粉末，以通過400目篩的沙漠砂微粉制得樣品，通過XRD測試技術分析其礦物組成，結果如圖1所示。

由圖1a可知：不同來源的沙漠砂在礦物組成上具有很強的相似性。沙漠砂的礦物成分以石英石為主，其峰形尖銳，說明天然沙漠砂中無定形二氧化硅的含量非常有限［12］。此外，沙漠砂中還含有一定量的長石以及少量的其他礦物，但不同來源的沙漠砂具體礦物組成存在一定的差異。

圖1b為新疆北屯半流動沙丘砂的XRD譜圖，可見其礦物種類較少，除了主要成分石英石之外，還有一定量的鈉長石。圖1c為塔克拉瑪干沙漠砂的礦物組成圖，除了石英石和鈉長石、鈣長石之外，還有一定量不知名的鈉硅鐵鋁礦物以及少量的鉬鐵礦、鉬酸鋰和錳鎂氧化物晶體，相比較而言，該砂樣具有更為豐富的礦物組成，這一點在鄭木蓮等［8］的研究中也有體現。

以上關于沙漠砂礦物組成分析的結果證實了在文獻［12-15］中得到的有關結果，即沙漠砂的主要礦物成分為石英石晶體和長石類礦物，且不同地區的沙漠砂在礦物組成上不盡相同。

2.2.3 沙漠砂酸堿性及有害物質含量

根據GB/T 14684—2022《建設用砂》測定沙漠砂中硫化物及硫酸鹽含量和氯化物含量，并測試沙漠砂的酸堿性，結果如表8所示。

由表8可知：沙漠砂的pH值最小為7.825，其余大部分在9左右，呈堿性，原因可能是沙漠砂中含有少量的堿性化合物（如K2SiO3［15］等），部分溶于水后導致溶液呈堿性；大部分沙漠砂的pH值略高于天然河砂的pH值（8.16）［16］；砂樣的氯化物含量基本可以忽略不計；砂樣的硫化物及硫酸鹽含量都比較高，超過了GB/T 14684—2022《建設用砂》中關于有害物質含量小于0.5%的規定。

2.3 沙漠砂顆粒級配及形貌特征

骨料在混凝土中起著至關重要的作用，從物理力學觀點出發，混凝土中的骨料顆粒應該達到緊密排列的狀態，在骨料顆粒位置安定且位能最小的情況下，混凝土的受力性能最好［17］。從骨料的原始狀態來看，決定顆粒能否緊密排列的因素，一是顆粒級配分布情況，二是表觀形貌及其特征。

2.3.1 沙漠砂顆粒級配組成

沙漠砂是天然砂的四大來源之一［18］，相較其他來源的砂石材料，沙漠砂具有顆粒松散、級配不良等缺點，限制了天然沙漠砂在混凝土材料中的應用。從力學角度來看，作為混凝土細集料時，沙漠砂的粒度分布對混凝土和易性及力學性能都有顯著影響。

利用BT-9300HT型激光粒度分布儀，對沙漠砂進行粒徑分布分析，結果如圖2所示。

由圖2可知：沙漠砂樣品中位徑D50分布于110～230μm之間，最大顆粒粒徑均不超過716μm，其中石河子古爾班通古特沙漠砂粒徑最小，最大顆粒不足450μm；新疆吐魯番庫木塔格沙漠砂粒徑分布最為集中，其最小粒徑小于36μm；所有沙漠砂樣品均具有間斷級配，顆粒粒徑集中分布于100～600μm之間?？傮w而言，沙漠砂的細度模數較小，屬于特細砂甚至粉砂的范疇，作為混凝土材料的細骨料，沙漠砂是一種典型的級配不良材料。綜上可知：在實際生產中，對沙漠砂混凝土的配制有必要通過添加級配良好的細骨料來改善混合砂的級配和結構特性，以形成可接受的級配水平。

2.3.2 沙漠砂形貌特征

通過數碼顯微鏡對沙漠砂進行形貌觀測，其中部分照片（圖3）顯示：沙漠砂顆粒圓潤，表面光滑；不同地區的沙漠砂色差明顯，代表了沙漠砂不同的礦物組成；位于新疆北屯市附近的沙丘砂顏色單一，反應出其較為簡單的礦物組成，這一結果在對砂樣的XRD分析譜圖中也得到了證明（圖1b）。張誠［19］對沙漠砂的礦物組成進行了分析，認為騰格里沙漠砂的礦物組成主要有不透明礦物、角閃石（黑色）、輝石（綠黑色）以及石榴石（紅色）等，而烏蘭布和沙漠砂中含有較多的磁鐵礦（鐵黑色）、赤鐵礦（紅色）、石榴石（紅色）和角閃石（黑色）等，這在圖3中也有一定的體現。

古爾班通古特沙漠砂和塔克拉瑪干沙漠砂的SEM照片（圖4）顯示：相比較而言，塔克拉瑪干沙漠砂具有更明顯的層片狀紋理結構，同時，高放大倍數下的沙漠砂都表現出了表面附著微細晶粒的特征。

2.4 沙漠砂對混凝土強度的影響

2.4.1 沙漠砂混凝土抗壓強度及增長規律

不同養護齡期沙漠砂混凝土強度變化規律（圖5）顯示：以DSC1組為例，圖中62%表示該組混凝土7d齡期的強度可達到28d強度的62%，11%表示當齡期為60d時，混凝土試件的強度在28d強度的基礎上增長了11%。

所有混合砂混凝土均能達到預期的設計強度，且沙漠砂混凝土強度普遍高于特細砂混凝土強度，說明按照本試驗配合比設計流程制備沙漠砂混凝土具有實際可行性。在標準養護條件下，試件強度隨齡期的增加而增長，且強度增長率隨齡期的增大逐漸變緩，這和普通混凝土的強度增長規律一致。

同VFSC組試件一樣，DSC3組和DSC7組在整個試驗齡期內都表現出較大的強度增長速率，對試件原材料進行分析發現，3號和7號砂樣具有明顯較小的比表面積和較大的顆粒粒徑（表6），表現出了較好的顆粒級配，并且其粒度分布范圍較大，微細顆粒含量較高，而微細顆粒引起的非均相成核作用和火山灰效應以及混凝土內部孔隙結構的變化等都會影響水泥水化的過程和不同齡期混凝土的強度［4］。

除此之外，沙漠砂中的硫化物和硫酸鹽含量也會對混凝土的性能造成一定的影響。結合表8和圖5發現，試驗齡期內強度增長速率較快的DSC3、DSC7和DSC8三組試件所對應的沙漠砂普遍具有較高的硫化物含量（分別為6.4%、3.9%和4.1%），綜合沙漠砂微粉活性激發的相關研究結果［8，20］可知，造成這一現象的原因可能是天然沙漠砂中含有的硫酸鹽類物質在水泥水化過程中能起到激發劑的作用，使得沙漠砂中的微細顆?；钚蕴嵘?，從而提高了混凝土的抗壓強度［20］。

通過以上分析可知，沙漠砂的摻入會引起混凝土強度發展速率的變化，且不同來源的沙漠砂對混凝土強度發展的影響表現不同。

2.4.2 相同細度模數下沙漠砂混凝土抗壓強度

集料的細度對混凝土的力學性能有明顯的影響。本試驗配合比設計是在考慮細集料細度模數的基礎上以新拌混凝土工作性能作為控制指標，因此造成了混合砂細度模數的差異。為了更好的分析沙漠砂物化性能對混凝土強度的影響，結合表3選擇混合砂細度模數均為2.0的2、3、4、6號復配沙漠砂以及9號特細砂配制的混凝土進行分析，以最大限度排除復配細集料細度模數對混凝土強度的影響。

相同細度模數下不同沙漠砂混凝土抗壓強度如圖6所示。由圖6可知：在細度模數相同的情況下，沙漠砂混凝土各齡期抗壓強度均大于對照組VFSC，其中抗壓強度最大的是DSC4組混凝土，結合沙漠砂物理性質測試結果（表6）可知，4號沙漠砂具有較大的堆積密度、較小的空隙率和較大的飽和面干吸水率。在混合砂細度模數相同的情況下，吸水率成為影響混凝土強度的主要因素，綜合表5可知，滿足新拌混凝土工作性的情況下，DSC4組所用減水劑摻量最多為1.90%，相當于在同樣用水量時降低了拌和物的有效水灰比，在一定程度上有助于提高混凝土的抗壓強度。

3 結論

（1）沙漠砂顆粒大小較為均勻，平均粒徑為（0.2±0.06）mm，最大粒徑不超過0.716mm；不同來源的沙漠砂細度模數差異較大，但均屬于特細砂或粉砂的范疇。沙漠砂的含泥量（0.84%～14.02%）和吸水率（0.60%～6.75%）具有較大的分散性。沙漠砂的堆積密度在1 300～1 500kg/m3之間，表觀密度在2 650～2 800kg/m3之間。

（2）天然沙漠砂的pH值在9左右，呈弱堿性；沙漠砂中的氯化物含量基本為0，有機質含量符合GB/T 14684—2022《建設用砂》相關規定，硫化物和硫酸鹽含量較高，不符合GB/T 14684—2022《建設用砂》規定。

（3）沙漠砂中含量最多的3種氧化物分別是SiO2、Al2O3和CaO，其中SiO2占比在60%以上，表明沙漠砂是一種典型的硅質材料。沙漠砂的主要礦物組成是石英石（SiO2晶體）和長石類礦物，此外還有少量的堇青石、鉬鐵礦等。

（4）不同沙漠砂與機制砂復配拌制的混凝土強度形成過程不同，這和沙漠砂比表面積及顆粒粒徑有關；沙漠砂中微細顆粒及硫化物含量對混凝土的強度發展規律有明顯的影響。當混合砂細度模數相同時，天然沙漠砂的吸水率成為影響混凝土強度的主要因素。

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（責任編輯：編輯張忠）