江苏淮安美赞建材科技有限公司 223001
摘要：随着工程建设数量的增多，混凝土用量逐年增加，作为混凝土主要原料的河砂逐年减少，供需矛盾突出，可用低价、储量大的风积沙替代河砂，解决资源枯竭问题。基于此，文章设定不同风积沙代替河砂的质量分数，设计不同混凝土配合比，对比分析其力学特性，探究风积沙代替河砂混凝土的最佳方案。
关键词：风积沙；河砂；混凝土；力学特性
前言
风积沙是指在风的吹动作用下，沉淀形成的沙层，具有来源广、成本低等特点，将其用于混凝土制备中，既可减少河砂开采，也可消耗大量风积沙，减少土地荒漠化程度，推动社会可持续发展。但因风积沙相关研究较少，并未明确风积沙代替河砂混凝土的可行性及应用效果，需实施深入分析。
1. 风积沙代替河砂混凝土的力学特性实验
1.1实验材料
按照标准规范选择满足混凝土制备要求的原材料，具体如下：
（1）水泥。P•O42.5R普通硅酸盐水泥，3d抗压强度为23.5MPa，28d抗压强度为56.1MPa。
（2）粗集料。选择连续级配（5-20mm、5-10mm、10-20mm）的碎石。
（3）细集料。选择风积沙与河砂两类。风积沙采集于某天然沙漠地表，细度模数为2.4；河砂为中砂，细度模数为2.1。风积沙与河砂含泥量均满足混凝土制备要求。
（4）外加剂。选择高效减水剂，在混凝土拌合时减水效果最高可达23%。
1.2混凝土配合比
按照相关标准要求，明确各个原材料的配比，配置C40强度的混凝土。其中，水添加量为195kg/m³、水泥添加量为435kg/m³、细集料添加量为565kg/m³、粗集料添加量为1205kg/m³、减水剂添加量为0.02kg/m³。制备的混凝土水灰比为0.45，砂率为0.32。在混凝土配合比设计中，风积沙的代替量分别为0%、10%、30%、50%、70%、100%，具体添加量分别为0、56.5kg/m³、169.5kg/m³、282.5kg/m³、395.5kg/m³、565kg/m³。其中，风积沙代替0%河砂的混凝土即为普通混凝土。
1.3力学特性测定方法
按照上述设定配合比，分别制作混凝土试件，试件包括立方体与棱柱体两类。立方体试件的规格为100mm×100mm×100mm，棱柱体试件的规格为150mm×150mm×300mm。力学特性用抗压强度与劈裂抗拉强度两项指标表示，在试件制作完成后，根据国标规定，于规定龄期，测定混凝土试件的力学特性，测定时间分别为3d、7d、14d、21d、28d、35d、42d[1]。同时，使用电子显微镜，观察混凝土试件的界面区结构和微观形貌，分析风积沙代替河砂对混凝土力学特性的影响机制，探究风积沙代替河砂的可行性与代替效果[2]。
2. 风积沙代替河砂混凝土的力学特性分析
2.1力学性能结果与分析
根据实验结果，风积沙代替河砂的量与混凝土抗压强度间存在“倒U型”关系。在风积沙代替河砂的量为10%、30%时，风积沙代替河砂的量增多，混凝土试件的抗压强度升高。当风积沙代替河砂的量为30%时，抗压强度最大。在超过30%后，风积沙代替河砂的量增多，混凝土试件的抗压强度降低。同时，随着龄期的增长，风积沙代替河砂混凝土的抗压强度升高，且在14d前，混凝土抗压强度的升高速度较快，14d后混凝土抗压强度变化相对平缓。该规律与普通混凝土类似，可以判断风积沙能够代替河砂制备混凝土，使混凝土的力学特性达到要求。
同时，和普通混凝土相比，除风积沙100%代替河砂的混凝土，其余混凝土的3d、7d、14d、21d抗压强度均高于普通混凝土。随着龄期的延长，普通混凝土的抗压强度增加，到28d时，普通混凝土的抗压强度高于风积沙代替10%河砂的混凝土，低于其余配比的混凝土；此后，普通混凝土的抗压强度变化稳定，始终低于风积沙代替30%及以上河砂的混凝土。细化来说，和普通混凝土相比，风积沙代替30%河砂混凝土3d抗压强度超过约15%；7d抗压强度超过约12%；28d抗压强度超过约8%；42d抗压强度超过约6.8%。
劈裂抗拉强度的测定结果规律与抗压强度一致，这里不再赘述。基于上述实验结果，可从风积沙的结构特点分析其出现的原因。风积沙和河砂的差异在于细度模数，风积沙代替河砂的比例不同，混凝土中细集料的细度模数、比表面积出现变化，影响混凝土的力学特性。总的来说，在风积沙代替30%河砂时，制备的混凝土强度最高。
2.2电子显微镜观察结果分析
在电子显微镜下，观察混凝土试件的裂缝、MHP（水化产物）微观形貌。裂缝观察结果显示：在风积沙代替河砂的量为0%与100%时，混凝土结构中存在结合裂缝，最高可达3μm，且存在显著薄弱区，甚至存在连通大孔隙；风积沙代替30%河砂的混凝土致密性最高，仅有少量裂缝，孔隙极小，混凝土结构没有显著薄弱区。MHP微观形貌显示：普通混凝土结构内孔隙较多，且水化产物聚集，呈片状或网状分布，密实度中等偏上；风积沙代替30%河砂的混凝土内没有显著孔洞，水化物为整体，密实度最高。综合上述观察结果，可总结风积沙代替河砂的量对混凝土力学特性的影响机制：
（1）增强机制。风积沙的粒径小于河砂，在混凝土中由风积沙代替河砂，可优化混凝土细集料的级配，增强原料间的密实度。在振捣作用下，集料不断转移，形成最佳嵌挤状态。同时，风积沙的结构更趋向于圆形，在混凝土结构中具有“滚珠”效应，减少集料间的摩擦力，提高浆液流动性，使更多浆液用于包括粗集料，避免混凝土结构内部存在孔隙，增强混凝土的结构强度与密实度。另外，在混凝土成型过程中，存在“微区泌水”现象，易在粗集料下方形成水囊，导致混凝土结构内部存在孔隙，而风积沙可削弱该效应，减少大气泡的产生，增强混凝土结构致密性。
（2）削弱机制。在风积沙代替河砂的量增多后，混凝土的细集料以风积沙为主，影响风积沙上述作用的发挥。在混凝土拌合、振捣过程中，细集料甚至会被粗集料挤出，加剧“微区泌水”效应，加大混凝土结构空隙，降低强度与密实度。同时，过多的风积沙会降低混凝土水灰比，减少粗集料包裹的浆液，降低混凝土的致密性。
结论
综上所述，风积沙代替河砂会使混凝土内的细集料比表面积出现变化，进而影响混凝土抗压强度等力学特性。通过本文的分析，在风积沙代替30%的河砂制备混凝土时，混凝土的力学性能最强。在实际工程施工中，要想使用风积沙代替河砂，施工单位需按照本文实验流程分析最佳风积沙配比，发挥风积沙优势，在保障混凝土质量的同时，减少成本、节约资源。
参考文献
[1]邓焙元,刘清,韩风霞,等.风积沙自密实混凝土力学性能试验[J].中国科技论文,2021,16(02):164-172.
[2]刘懿东.风积砂混凝土力学性能及耐久性试验研究[D].西安科技大学,2020.