陕北地区风积砂混凝土耐久性劣化研究

Plenty of Aeolian sand in Northern Shaanxi will be used in construction as the prohibition of exploiting river sand, while the research on Aeolian sand concrete durability properties is too poor to guide the engineering practice, which limited the use in the project. In this research, Aeolian sand in Northern Shaanxi is used as the raw material to ascertain the optimal mix ratio of Aeolian sand concrete, whose working and mechanical properties can meet the actual requirements of Engineering. The indoor fast test, natural exposure test and micro characterization techniques such as SEM will be used to study the impact of Aeolian sand concrete durability under freezing-thawing and carbonation as well as their alternate cycles based on the optimal mix ratio. The durability deterioration rule of Aeolian sand concrete under freeze-thaw, carbonization and their alternate cycles is analyzed by indoor fast test, and the deterioration mechanism is revealed from physical, mechanical and chemical.Natural exposure test will be carried out to establish the relationship between indoor fast test and natural exposure test results and calculate the durability deterioration calculation model of Aeolian sand concrete in Northern Shaanxi. The conclusion drawn from this thesis will not only broaden the source of engineering sand but also provide scientific basis and guidance value for the construction of cities and ecological environment.

国家出台禁采河沙令，陕北广袤分布的风积砂成为建筑用砂新来源，但陕北地区环境下风积砂混凝土耐久性能研究非常薄弱，严重影响了风积砂在实际工程中的大范围使用。本项目以陕北地区地表风积砂为原料试配混凝土，确定出工作性能、力学性能最优的风积砂混凝土配合比。基于最优配合比，采用室内快速试验、自然暴露试验与SEM等微观表征相结合的方法，研究冻融、碳化及交替作用下风积砂混凝土耐久性能的劣化。通过室内快速试验，分析冻融、碳化及共同作用下风积砂混凝土耐久性的劣化规律，从物理、力学和化学角度揭示劣化机理。开展自然暴露试验，对比室内快速试验与自然暴露试验结果，构建陕北地区风积砂混凝土快速试验与自然暴露试验间的对应关系，提出陕北地区风积砂混凝土耐久性能劣化计算模型。本项目研究成果可拓宽陕北地区建筑用砂来源，并为风积砂在城市工程建设的良好应用及生态环境建设提供科学依据与理论指导价值。

拓宽建筑用砂来源，实现风积砂的资源化利用，对工程实践有重要指导意义。以毛乌素沙漠表层风积砂为原材料替代河砂开展配合比试验，研究了风积砂掺量等对混凝土基本技术指标的影响规律，获得了工作性能及力学性能良好的风积砂混凝土配比，从多尺度揭示了风积砂对混凝土力学性能的影响机理。基于配合比试验结果，开展了耐久性劣化试验，研究了风积砂混凝土冻融劣化规律及碳化规律。建立了冻融损伤风积砂混凝土内水分传输模型及冻胀破坏力学模型，结合损伤力学理论及扫描电镜（SEM）、核磁共振仪（NMR）、X射线单晶衍射仪（XRD）等表征设备，从多尺度揭示了风积砂混凝土耐久性劣化机理。基于损伤等效原则，确立了室内快速试验与自然暴露试验间的对应关系，建立了风积砂混凝土自然冻融寿命预测模型。. 研究表明，风积砂影响混凝土的力学性能、抗碳化性能及抗冻性能。风积砂掺量为20—30%时，混凝土工作性能及力学性能最优越，碳化深度最小。风积砂影响混凝土力学性能的机理可以归因于物理、化学两个方面。物理机理在于其粒径细小，改善了混凝土的颗粒级配及内部孔隙结构；化学机理在于其具有一定的化学活性，可以加快水泥水化反应速度，改变水化产物微观形貌。经预测，风积砂混凝土在有水环境中的自然冻融寿命约为21年，在无水环境中的自然冻融寿命在54.96—61.56年间，风积砂掺量为100%时，混凝土抗冻性最佳。风积砂混凝土的冻融损伤以物理作用为主，外界持续不断的水分传输是造成混凝土冻融损伤的根本原因。受冻融作用影响，混凝土表面剥落严重，ITT结构劣化明显，孔隙结构演化复杂。风积砂影响混凝土抗冻性的机理在于其改变了混凝土内孔隙结构、空气泡含量及水分传输路径，进而影响其毛细吸水特性及孔隙相对饱和度。. 研究成果有望为实现风积砂资源化利用及解决我国西北沙漠地区建筑用砂供需结构性矛盾提供思路，预期经济及社会效益较好。