牛景行，王智，赵红艳，明嗣东，邓轩，程建军
(1 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；
2 重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045)
随着大量新建工程项目的实施，建筑资源的消耗与日俱增，建筑用砂石骨料供需矛盾日益突出，据统计，我国基建行业每年生产混凝土消耗的天然骨料为50亿～80亿t，天然骨料资源趋于枯竭[1]，同时废旧建筑物的拆除也产生了大量的建筑废弃混凝土[2-3]，因此，如何缓解不可再生的砂石资源的过度消耗，以及减少建筑垃圾大量堆积带来的生态环境破坏问题，对构建人与自然和谐发展的社会环境具有重要的意义。混凝土材料的发展趋势之一是所谓的再生混凝土(RC)，既具有资源再利用的优势，又能在一定程度上解决部分环保问题[4]。沙漠砂混凝土[5]，也称风积沙混凝土[6]，是近年发展起来的一种以沙漠砂部分替代混凝土中天然细集料的新型混凝土材料。
有研究成果表明废弃建筑拆除产生的混凝土可以生产再生粗骨料(RCA)，进而制备再生混凝土[7]；
对于废弃混凝土的再利用，欧美和日本等发达国家的研究较早[8]。近年来，国内众多学者针对再生混凝土力学性能的试验研究结果表明，与相同配合比的普通混凝土相比，掺入再生粗骨料的再生混凝土的抗冻性能[3]、抗压强度[9]、劈裂抗拉强度[10]、耐久性[11]等均有不同程度的降低，但基本能满足工程应用的要求。寻找可利用的建筑用细砂成为众多学者关注的焦点问题之一。针对不同地区沙漠砂的工程性质及沙漠砂混凝土力学性能，国内外学者的研究成果表明沙漠砂具备工程特征，可作为细骨料用于拌制混凝土[12-13]。
新疆地区沙漠砂(DS)资源丰富，利用沙漠砂生产再生混凝土用于基建领域，开发具有节能环保、资源利用的新型建筑材料，对当地经济发展具有重要的现实意义。因此，本文利用古尔班通古特沙漠砂部分取代天然河砂，利用废弃混凝土生产再生粗骨料部分取代天然骨料，配置沙漠砂再生混凝土(DSRC)，为沙漠砂和再生粗骨料的工程应用提供了新的途径，并通过力学性能试验分析研究沙漠砂取代率和再生粗骨料取代率对沙漠砂再生混凝土力学性能的影响规律，提出满足工程使用要求的取代率参数，旨在为沙漠砂再生混凝土的工程应用提供理论依据。
1.1 原材料
水泥为P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，来自石河子天业水泥厂；
拌和用水为石河子市自来水；
减水剂为聚羧酸减水剂，来自石河子市长虹混凝土外加剂厂，减水率为15%。试验用中砂为建材市场采购的玛河水洗砂，细度模数为2.93，堆积密度为1 565 kg/m3；
沙漠砂(古尔班通古特沙漠砂)为新疆石河子市150团场表面风积砂，如图1-a所示，其平均粒径为0.183 mm，细度模数为0.334。通过X射线荧光光谱(XRF)分析了沙漠砂的化合物组成，结果见表1。
表1 沙漠砂化学成分 单位：%
图1 沙漠砂和再生粗骨料
天然粗骨料为天然碎石，最大粒径为30 mm，连续级配；
再生粗骨料来源于石河子新旺工程检测中心废弃混凝土试块，经锤式破碎机破碎筛分后所得，如图1b、c所示。
再生粗骨料破碎分级后粒径分为5～20 mm和20～30 mm两种，质量比为2∶8，再生粗骨料含泥量为3.03%，实测压碎值为14.7%。依据GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》和GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》对试验所用天然粗骨料和再生粗骨料的基本性能进行测定，结果见表2。
表2 粗骨料的基本性能
1.2 配合比设计
为探究沙漠砂和再生粗骨料对混凝土性能的影响，本研究以沙漠砂掺量和再生粗骨料掺量为试验变量。定义沙漠砂取代率r1为混凝土中沙漠砂掺量与全部细集料质量之比，共考虑4种沙漠砂取代率，即r1分别为0、20%、40%、60%；
定义再生粗骨料取代率r2为混凝土中再生粗骨料掺量与全部粗骨料质量之比[10]，共考虑4种再生粗骨料取代率，即r2分别为0、20%、40%、60%。当r1=0、r2=0时为普通混凝土，并作为基准混凝土。沙漠砂再生混凝土配合比见表3。DSRC表示沙漠砂再生混凝土，其后第1个数字表示沙漠砂取代率(%)，第2个数字表示再生粗骨料取代率(%)，DSRC-0-0表示普通混凝土。各试块水胶比、灰砂比均分别为0.5、0.53，水泥、水、减水剂的材料用量均分别为350、175、1.75 kg/m3。
表3 混凝土试块材料用量 单位：kg/m3
按照普通混凝土用细集料粗细和颗粒级配要求，以沙漠砂部分替代天然河砂，得到不同参配比例下细集料级配曲线，如图2所示。由于沙漠砂粒径极小，在级配组成中替代的是粒径在0.3 mm以下的部分细集料。由图2可以看出，随着沙漠砂掺量的增大，细集料级配曲线往左上方偏移，说明砂偏细，在混凝土拌合过程中会增加水泥用量，可通过掺加减水剂来降低水泥用量。
试验用天然粗骨料为连续级配，而再生粗骨料受限于目前的破碎工艺，达不到连续级配的要求，本试验用再生粗骨料按粒径分为5～20 mm和20～30 mm两种，按质量比7∶3替代天然粗骨料，得到不同再生粗骨料参配比例下粗骨料级配曲线(图3)显示：随着再生粗骨料替代率的增大，粗骨料中粒径20 mm以上和10 mm以下的颗粒占比均相应减小，粒径为10～20 mm的颗粒占比增大，并且满足GB/T 14684—2011《建设用砂》中对普通混凝土用粗集料连续级配的粒径要求。
图2 细集料级配曲线
图3 粗骨料级配曲线
1.3 试块制备与试验方法
试块的制作在石河子大学水利建筑工程学院结构大厅进行。沙漠砂再生混凝土采用机械拌和，倒入150 mm×150 mm×150 mm的模具中，振捣成型，24 h后拆模，在标准养护条件下养护至一定的试验龄期(7 d和28 d)，依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测定试块立方体抗压强度和劈裂抗拉强度，主要设备为实验室的长柱数控压力机，量程为5 000 kN。
2.1 沙漠砂再生混凝土试块破坏形态
在立方体抗压强度试验加载过程中，随着荷载的增大，沙漠砂再生混凝土试块内部的应力也不断增大。当荷载增加到一定的程度时试块表层逐渐出现裂缝，起初裂缝分布在试块侧面表层上下端，为基本垂直方向裂缝；
随着荷载的增大，裂缝由上下端部向试块的高度中央发展，且向中间靠拢(裂纹演变过程如图4所示)，最后形成上、下2个倒正相连的“八”字型裂缝；
随着荷载的进一步增大，裂缝逐渐贯通，并向试块内部发展，试块表层混凝土逐渐剥落，最终形成倒正相连的四角锥形，如图5所示(r1=20%，r2=40%)。
图4 沙漠砂再生混凝土抗压破坏裂纹演变过程
通过观察抗压破坏界面(图6a)可以看出，沙漠砂再生混凝土试块的破坏形式主要是压剪破坏，以水泥凝胶体和粗骨料之间界面过渡区的界面粘结破坏为主，但也有少部分的粗骨料断裂破坏现象(图6a红框所示)，这与肖建庄等[9]研究结果有所不同。其原因可能是，在利用小型锤式破碎机破碎废弃混凝土块生产再生粗骨料的过程中，高速撞击导致再生粗骨料内部含有损伤和微裂纹，导致再生粗骨料本身强度较低。
图5 沙漠砂再生混凝土典型抗压破坏形态
在劈裂抗拉强度试验加载过程中，加载初期试块表面没有明显的变化，且未发现裂缝；
随着荷载的增大，试块内部的应力不断增加，试块表面中央开始出现竖向裂缝;当荷载继续增加时，试块中部的裂缝宽度逐渐增大，并逐渐向上下加载面垫条附近发展，最终试块沿破裂线全截面处“突然拉裂”成两段(图7)，发生脆性破坏。
图6 抗压试验破坏界面
图7 劈裂抗拉试验破坏结果
劈裂抗拉试验破裂面(图8)显示：沙漠砂再生混凝土劈裂面(图8a)的破坏与普通的再生混凝土劈裂破坏(图8b)不同，以水泥凝胶体与粗骨料之间的界面粘结破坏为主，基本未观察到粗骨料本身的断裂破坏，而普通再生混凝土试块的断裂面有较多的再生粗骨料被劈裂(图8b)。原因可能是由于沙漠砂的掺入，降低了水泥凝胶体与粗骨料之间的界面粘结强度。沙漠砂再生混凝土劈裂面破坏与普通混凝土劈裂破坏类似，裂缝绕过了粗骨料表面，粗骨料很少发生断裂破坏。
图8 劈裂抗拉试验破坏界面
2.2 试验结果
试验中每个配合比均制作3个试块，最终测试结果取3个测试值的平均值。按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》相关要求对试验数据进行处理，可得沙漠砂再生混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度等性能指标，试验结果如表4所示。
表4 力学性能试验结果
由表4可见：各个取代率下沙漠砂再生混凝土劈裂抗拉强度ft和立方体抗压强度fcu的比值在0.06～0.09之间，即ft约为fcu的1/16～1/11，与普通混凝土同龄期下抗压强度和劈裂抗拉强度之间的关系相近；
ft/fcu值和混凝土龄期基本呈正相关，表明沙漠砂再生混凝土与普通混凝土类似，随着龄期的增长，抗拉强度的增加略快于抗压强度的。
2.3 混凝土抗压强度
混凝土试块抗压强度随集料取代率变化曲线(图9)显示：
(1)沙漠砂取代率对混凝土的抗压强度有较大的影响；
总体而言，与基准混凝土(普通混凝土)相比，适量(40%以内)沙漠砂的掺入能提高混凝土的抗压强度，这与李志强等[5]利用正交试验进行沙漠砂混凝土配合设计的研究结果一致。其原因可能是因为沙漠砂较强的吸水性使得胶凝材料的水胶比有所降低，同时微细颗粒的沙漠砂能更好填充集料中的空隙，使混凝土内部结构更加致密。随着沙漠砂取代率的进一步增大(超过40%)，混凝土抗压强度呈现下降趋势。其原因可能是随着沙漠砂掺量的增大，中砂在细集料中所占比例过小，致使混凝土级配变差，试块强度降低，除此之外，沙漠砂本身风化程度高，坚固性差，其掺量过高会降低砂浆的强度，进而引起砂浆与石子之间的粘结力下降，导致混凝土强度降低[14]。
图9 抗压强度与集料取代率的关系
(2)不同龄期的混凝土强度随着沙漠砂掺量的增加呈现相近的变化规律，并且沙漠砂的掺加对不同龄期混凝土强度的贡献是不同的。当沙漠砂掺量为20%和40%时，混凝土早期强度(7 d)分别提高32%和31%，当沙漠砂掺量提高至60%，混凝土早期强度仍提高了8%，可见对于早期强度(7 d)而言，沙漠砂的掺加使混凝土的强度明显提高；
对于后期强度(28 d)来说，沙漠砂掺量为20%时混凝土强度提升幅度较大(9%)，掺量为40%时有所提升(2%)，而掺量为60%时，与普通混凝土相比，沙漠砂混凝土的强度下降了7%。上述结果表明在同样的沙漠砂参配比例(60%)下不同龄期的混凝土强度变化是完全不同的，其原因分析如下：一方面对于早期强度而言，更多取决于沙漠砂在混凝土集料中所发挥的填充作用，使得混凝土的结构更加密实，因此混凝土的强度提高了；
而对于后期强度而言，在28 d龄期下，普通混凝土或少掺量的沙漠砂混凝土的水化产物充分填充了混凝土孔隙，但60%沙漠砂掺量的混凝土由于沙漠砂掺量过大，会因为沙漠砂本身较大的比表面积，影响了水泥水化反应产物的生成。另一方面由于沙漠砂和中砂的细度模数差距较大，沙漠砂的掺入使得混凝土具有一定的复合材料的性质，高掺量的沙漠砂导致混凝土界面过渡区数量增大，而界面过渡区数量的增加对复合材料抗压强度的降低有很大的影响[15]。
(3)对于沙漠砂混凝土早期强度(7 d)而言，20%掺量和40%掺量相差无几，而对于后期强度(28 d)来说，20%掺量沙漠砂混凝土的强度明显高于40%掺量的。其原因分析如下：7 d龄期时，2种沙漠砂掺量的混凝土的密实效果是相近的，而28 d龄期时，掺量为20%的沙漠砂既能更好填充孔隙，又不影响水泥水化反应，因此强度提升幅度较大。掺量为40%的沙漠砂混凝土的强度更接近普通混凝土，说明沙漠砂带来的填充效应近似的替代了水泥水化产物对强度的贡献，或者说过高的沙漠砂掺量影响了水泥水化反应对强度的贡献。
(4)再生粗骨料取代率对再生混凝土的抗压强度有很大的影响。总体而言，再生混凝土抗压强度随着再生粗骨料的增加而降低。当再生粗骨料取代率为20%、40%和60%时，再生混凝土早期(7 d)抗压强度分别降低7%、13.5%和25.7%，后期(28 d)抗压强度分别降低8.2%、11.7%和31%，表明再生粗骨料的加入会使混凝土的抗压强度降低，且再生粗骨料取代率越大，抗压强度降低的程度也越大。再生混凝土抗压强度下降的原因可能是由于再生粗骨料表面附着有旧砂浆，导致其与新砂浆之间的粘结作用较为薄弱，也有可能是再生粗骨料的高孔隙率导致试块在承受轴向压力时容易形成应力集中，导致试块提前破坏。
2.4 混凝土劈裂抗拉强度
图10 劈裂拉伸试验示意图
图11 劈裂抗拉强度与集料取代率的关系
本试验混凝土试块劈裂抗拉强度随集料取代率规律变化曲线(图11)显示：沙漠砂的掺入对混凝土劈裂抗拉强度有一定的影响，表现为随着沙漠砂掺量的增大，混凝土劈裂抗拉强度呈现先增大后减小的趋势，这一结果在李志强等[16]的试验研究中也得到了验证，但就影响程度来说，本试验中沙漠砂取代率对混凝土劈裂抗拉强度的影响更为明显。与基准混凝土相比，当沙漠砂取代率为20%和40%时，混凝土早期(7d)劈裂抗拉强度分别增长41.2%和35.3%，后期(28d)分别提高13.8%和6.9%，表明在一定的替代率范围内，沙漠砂对混凝土劈裂抗拉强度的提高作用随着替代率的增大而降低，并且沙漠砂对混凝土早期劈裂抗拉强度的影响比后期的大。当沙漠砂取代率为60%时，混凝土早期劈裂抗拉强度(7d)略有提高(5.9%)，后期强度(28d)降低17.2%，这一变化规律和混凝土抗压强度的变化规律相同。
再生混凝土不同龄期下劈裂抗拉强度与再生粗骨料取代率的关系(图11)显示：总体而言，再生混凝土劈裂抗拉强度随着再生粗骨料的增加而降低。对于早期(7d)劈裂抗拉强度，当再生粗骨料取代率为20%、40%和60%时，较之基准混凝土分别降低23.5%、29.4%和35.3%，表明再生粗骨料取代率越大，再生混凝土劈裂抗拉强度降低越多；
对于后期(28d)劈裂抗拉强度，当再生粗骨料取代率为20%、40%和60%时，较之基准混凝土分别降低20.7%、24.1%和41.4%，表明随着再生粗骨料掺量的增加，再生混凝土劈裂抗拉强度越来越低。
综合以上分析可知：无论是抗压强度还是劈裂抗拉强度，当沙漠砂替代率为20%时都能得到较好的结果。因此，基于抗压强度和劈裂抗拉强度的沙漠砂最佳参配比例是20%。刘海峰等[17]也得出了相同的结论，而与杜勇刚等[18]、李帅雄等[19]、陈俊杰等[20]的研究成果相比，该掺配比例略微偏低。
2.5 沙漠砂再生混凝土力学性能分析
由本文2.3和2.4中结果及分析可得基于立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的最佳沙漠砂取代率为20%，在此基础上对DSRC-20系列数据进行分析，得到沙漠砂再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度随再生粗骨料取代率的变化规律(图12)显示：沙漠砂再生混凝土和普通再生混凝土强度的变化规律一致，随着再生粗骨料取代率的增大，其强度呈下降趋势，当再生粗骨料取代率从20%增大到40%时，以28d龄期为例，其立方体抗压强度降低3%，劈裂抗拉强度降低11%，相对而言，抗拉强度降低更多，但无论是抗压强度还是抗拉强度，均能满足设计强度要求。因此，在满足材料强度要求和考虑资源充分利用两个因素的情况下，推荐沙漠砂取代率为20%，再生粗骨料取代率为40%。在此配合比下，沙漠砂再生混凝土28d立方体抗压强度为32.9MPa，是普通混凝土立方体抗压强度(34.2MPa)的96.2%；
沙漠砂再生混凝土28d劈裂抗拉强度为2.5MPa，是普通混凝土劈裂抗拉强度(2.9MPa)的86.2%。
图12 沙漠砂再生混凝土强度与粗骨料取代率的关系
本研究在水灰比、减水剂等相同的情况下，考虑了4种沙漠砂掺量和再生粗骨料掺量，进行了立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验，对试验数据分析得到如下结论：
(1)与普通混凝土相比，沙漠砂的掺入基本上能提高混凝土的抗压强度，当沙漠砂取代率为20%时，其对混凝土抗压强度的提升作用最为明显，随着沙漠砂掺量的进一步增大，沙漠砂对混凝土抗压强度的提升作用逐渐降低。对于混凝土试块的劈裂抗拉强度而言，随着沙漠砂取代率的增大呈现先增大后减小的趋势，当沙漠砂取代率为20%时，劈裂抗拉强度达到最大值。表明基于沙漠砂再生混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的最佳沙漠砂取代率为20%。
(2)关于沙漠砂再生混凝土强度和再生粗骨料取代率的关系，无论是立方体抗压强度还是劈裂抗拉强度，都随着再生粗骨料取代率的增大呈下降趋势，且强度的降低程度基本和再生粗骨料取代率成正相关。
(3)在满足材料强度要求和考虑资源充分利用两个因素的情况下，推荐的沙漠砂取代率为20%，再生粗骨料取代率为40%。在此配合比下，沙漠砂再生混凝土28d立方体抗压强度为32.9MPa，为普通混凝土(34.2MPa)的96.2%；
沙漠砂再生混凝土28d劈裂抗拉强度为2.5MPa，为普通混凝土(2.9MPa)的86.2%。
(4)在合理的粗细骨料掺配比例下，沙漠砂再生混凝土的力学性能可以满足工程使用要求。
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