1. 引言
在“十四五”规划推动高质量发展与绿色发展的背景下，混凝土行业亟需探索资源节约与环境友好的可持续发展路径。传统混凝土生产依赖的天然河砂资源日益匮乏，不仅加剧了资源压力，也带来了显著的环境负担[1]。宁夏地区蕴藏丰富的沙漠砂资源，若能有效替代部分天然砂，将有助于缓解区域砂资源供需矛盾、降低建筑领域碳排放，并推动绿色建材技术的发展[2]-[4]。
沙漠砂具有颗粒圆滑、级配集中、比表面积大、含泥量较高等特点[5] [6]，这些特性直接影响其拌合物的工作性、力学性能与耐久性。现有研究表明，沙漠砂替代率是影响混凝土性能的关键因素之一。肖香琭[7]沙漠砂替代率对混凝土力学性能的影响，发现混凝土力学性能随着沙漠砂替代率的增加先升高再降低，其中沙漠砂替代率为30%时，混凝土力学性能最佳。马龙等[8]探究了沙漠砂替代率对再生骨料混凝土性能的影响，认为40%及以下的沙漠砂替代率可提升再生骨料混凝土力学性能。贡力等[9]研究了硫酸盐侵蚀–冻融循环耦合环境中沙漠砂混凝土劣化机制，沙漠砂掺量超过40%时，混凝土损伤程度不断增加；郭雨雨等[10]认为30%的沙漠砂替率可以改善骨料颗粒级配，优化混凝土孔隙结构，提高了混凝土密实性。张萌等[11]研究了沙漠砂取代率对碱激发混凝土工作性能、力学性能的影响，发现掺入20%的沙漠砂改善了混凝土力学性能。尽管沙漠砂混凝土的基础性能已在实验室中得到广泛研究，但其在实际工程中的规模化应用效果、长期性能及配套施工工艺仍有待深入探讨。
为此，本文以宁夏红崖子奶牛场干草棚建设项目为依托，开展沙漠砂混凝土的现场制备与施工试验，重点研究其施工工艺参数优化与质量控制方法，系统评估其路用性能，以推动沙漠砂混凝土从实验室研究向工程实践的转化。
2. 材料与方法
2.1. 原材料
水泥为宁夏石嘴山赛马水泥厂生产的P·O 42.5 R水泥；粉煤灰为宁夏大坝电厂生产的I级粉煤灰；细骨料为细度模数为3.4的机制砂与毛乌素沙漠砂(图1)，沙漠砂不仅实现了就地取材、降低运输成本，也符合资源循环与环保理念；沙漠砂的高温适应性与抗风化能力，使其特别适用于宁夏地区干燥多风的气候条件。粗骨料为旺元砼业提供的5 mm~25 mm碎石；拌合水为宁夏当地自来水；减水剂为萘系液体减水剂，减水率为15%~25%。试验配合比见表1。
Figure 1. Mu Us desert sand
图1. 毛乌素沙漠砂
Table 1. Experimental mix proportion (kg/m3)
表1. 试验配合比(kg/m3)
设计强度 |
水泥 |
粉煤灰 |
沙漠砂 |
机制砂 |
石子 |
水 |
减水剂 |
C30 |
253.5 |
136.5 |
239.2 |
558.1 |
1056.8 |
156.0 |
12.5 |
C35 |
273.0 |
117.0 |
228.1 |
532.1 |
1093.9 |
156.0 |
11.7 |
2.2. 试验方法
2.2.1. 地面预处理
施工前进行详细的地面勘察与测量，确保地面平整度与坡度符合排水设计要求。对存在沉降、裂缝或障碍物的区域进行修复与清理，并进行注水润湿处理(图2)，以增强地基与混凝土层的粘结性能，防止后期开裂。
Figure 2. Ground preprocessing: (a) ground leveling; (b) water injection to moisten
图2. 地面预处理：(a) 地面整平；(b) 注水润湿
2.2.2. 混凝土搅拌工艺
混凝土搅拌是施工过程中至关重要的一步，它直接影响着最终混凝土的质量和性能。在混凝土搅拌过程中，按照预先确定的配合比设计，提前准备好水泥、石子、粉煤灰和沙漠砂等原材料进行适量的搅拌，以确保混凝土拥有所需的强度、耐久性和其他性能特点。在搅拌过程中采用二次投料法与分段搅拌工艺，严格控制搅拌时间与速度，确保各组分散布均匀(图3)。搅拌过程中实时监测环境温湿度，以保证混凝土拌合物的稳定性。
Figure 3. Concrete mixing and transportation
图3. 混凝土搅拌与运输
2.2.3. 浇筑与表面处理
采用分层浇筑与高频振捣工艺，确保混凝土密实度，避免蜂窝、孔洞等缺陷。在抹面阶段，针对沙漠砂混凝土易失水干缩的问题，控制抹面时机与次数，采用机械与人工相结合的方式保证表面平整(图4)。
Figure 4. Vibration smoothing of test section
图4. 试验段振动抹平
2.2.4. 养护与硬化控制
为了防止混凝土在早期干燥过快，红崖子奶牛场干草棚项目养护过程通常涉及覆盖保湿膜，这有助于减缓水分蒸发，保持混凝土的湿度，促使水泥颗粒充分水化。同时，混凝土表面应定期喷水养护(图5)，达到保湿的作用。根据气候条件和混凝土的特性，需要每天多次喷水或湿润，以确保养护期间水分的持续供应。
Figure 5. Regular moisturizing maintenance
图5. 定期湿润养护
3. 结果与讨论
3.1. 现场试验结果
混凝土无离析、泌水现象，适配“分层浇筑 + 高频振捣”的施工需求；经抹面与保湿养护，混凝土表面平整光滑，无蜂窝、孔洞、干缩裂缝，外观质量符合工程验收标准。标准养护28 d后，混凝土抗压强度达到设计要求，满足宁夏红崖子奶牛场室外道路及干草棚地面的承载需求；抗渗试验中，混凝土在0.6 MPa压力下6 h内无渗水现象，抗渗等级满足工程要求，可抵御宁夏季节性雨水渗透；经25次冻融循环后，混凝土质量损失率 ≤ 3%，强度损失率 ≤ 10%，无明显剥落、裂缝，适配宁夏冬季低温环境。
3.2. 材料检验与质量控制
针对材料选择与检验环节，我们需进一步加强对沙漠砂等关键材料的选择和检验工作。首先，在材料选择阶段，要建立严格且全面的筛选标准，结合项目所在地的气候条件、工程设计要求，深入研究沙漠砂的物理化学特性，从源头上把控材料品质。在检验环节，不仅要依据现行国家标准和行业规范，运用先进的检测设备与科学的检测方法，对沙漠砂的颗粒级配、含泥量、坚固性等指标进行精准检测，还要建立常态化抽检机制，定期对库存材料和进场材料进行复查，形成多维度、全过程的质量管控体系，确保沙漠砂等材料质量稳定可靠且完全符合工程建设要求，为项目的顺利推进和长期安全运行筑牢根基。
3.3. 配合比与工艺协同优化
沙漠砂混凝土因砂粒特性、物理化学性能与普通混凝土存在差异，为充分发挥其优势并保障工程质量，需紧密结合沙漠砂混凝土的特点，系统且全面地优化施工工艺。在混凝土搅拌环节，充分考虑沙漠砂颗粒细、表面积大、吸水性强等特性，精确调整配合比，优化搅拌时间与搅拌速度，通过采用二次投料法、分段搅拌等技术，让水泥、水、骨料以及外加剂充分融合，确保混凝土各组分分布均匀。在浇筑过程中，依据沙漠砂混凝土流动性和凝结时间特点，合理规划浇筑路线与高度，运用分层浇筑、斜向浇筑等方式，配合高频振捣棒、附着式振捣器等设备，控制振捣时间与频率，避免过振或漏振，以此保证混凝土的密实性，消除内部孔洞、蜂窝等缺陷。在混凝土表面处理阶段，针对沙漠砂混凝土易出现表面失水快、干缩裂缝等问题，及时采取有效的养护措施，同时优化抹面工艺，严格把控抹面时间与次数，从而确保混凝土的表面质量，使混凝土结构具备良好的外观和耐久性，为工程的长期稳定运行奠定坚实基础。
3.4. 全过程质量监控与维护
为切实保障工程质量与安全，需建立系统且完善的定期检查混凝土使用状况和维护的机制。首先，制定详细的检查周期，针对不同环境条件和使用年限的混凝土结构，设定差异化的检查频率。在检查过程中，采用先进的检测技术，如超声波检测、雷达扫描等，对混凝土的内部缺陷、强度变化、裂缝发展等状况进行全面且精准地检测。同时，安排专业技术人员通过目视观察、敲击检测等传统手段，仔细检查混凝土表面是否存在剥落、侵蚀、碳化等现象，并做好详细记录。一旦发现混凝土出现强度下降、裂缝扩展等可能出现的问题，迅速组织专家团队进行评估分析，制定科学合理的处理方案，及时开展修补、加固等维护工作。通过这样规范化、科学化的机制，延缓混凝土的老化和损坏进程，从而显著延长混凝土的使用寿命，确保建筑工程长期稳定运行。
3.5. 本研究的贡献与创新点
以红崖子奶牛场工程为依托，首次在宁夏地区验证了沙漠砂混凝土在道路与工业建筑中的适用性，提供了可复制的工程案例；提出“无预处理沙漠砂 + 二次投料搅拌 + 保湿养护”的一体化工艺，兼顾性能与经济性，适配西北干旱地区；建立“材料–过程–后期”全过程监控机制，为沙漠砂混凝土工程质量保障提供技术框架。
3.6. 研究局限与未来方向
未深入探索40%~60%高替代率下的工程性能，无法验证实验室结论在工程中的适用性；未开展SEM、XRD等微观分析，无法从水化产物、界面过渡区角度解释性能变化机制。未来开展高替代率(40%~60%)沙漠砂混凝土的工程试配，结合微观分析验证强度提升机制；长期跟踪工程性能，建立沙漠砂混凝土在干旱地区的耐久性评价体系；完善相关施工规程与质量标准，推动沙漠砂混凝土从“案例应用”向“规模化推广”转化。
4. 结论
(1) 沙漠砂混凝土在宁夏地区实际工程中具备良好的适用性，能够满足C30强度与施工性能要求。
(2) 通过配合比优化、工艺控制与全过程质量管理，可有效提升混凝土的密实性、表面质量与耐久性。
(3) 后续应进一步研究高替代率下沙漠砂混凝土的长期性能与微观机理，完善相关施工规程与标准，推动其在大体积混凝土与高性能结构中的广泛应用。
基金项目
宁夏农垦建设有限公司技术开发合同“低碳、环保型砼系列建筑材料的研究与开发”(技术合同登记号：2022640101000054)。