沙漠砂混凝土抗冻耐久性优化与寿命预测研究——以腾格里与毛乌素砂为例

本研究针对高寒地区混凝土结构耐久性不足及河砂资源短缺问题，以中国西部腾格里沙漠砂(TDS)和毛乌素沙地砂(MSS)为替代骨料，通过冻融循环试验结合NMR、SEM等技术，揭示了不同掺量下沙漠砂混凝土(DSC)的宏观性能退化规律与微观机制，并基于Weibull分布建立寿命预测模型。研究发现45% TDS掺量混凝土表现出最优抗冻性(质量损失率0.19%，相对动弹性模量91.94%)，理论寿命达104年，为寒区基础设施建设和资源可持续利用提供技术支撑。

　　

在全球基础设施建设快速发展的背景下，混凝土作为最主要的建筑材料面临着双重挑战：一方面天然河砂资源日益枯竭，另一方面传统混凝土在高寒地区冻融环境下的耐久性不足。据统计，全球沙漠面积占陆地总面积的21%，而中国西北地区年均冻融循环达118次，极端低温至-26.6℃。如何利用丰富的沙漠砂(DS)资源替代河砂，同时提升混凝土在严酷环境下的服役性能，成为当前土木工程材料领域的重要课题。

针对这一难题，兰州交通大学土木工程学院Li Gong团队在《Results in Engineering》发表研究，系统比较了腾格里沙漠砂(TDS)与毛乌素沙地砂(MSS)对混凝土性能的影响。研究人员创新性地将材料宏微观表征与可靠性理论相结合，不仅揭示了沙漠砂改善混凝土抗冻性的内在机制，还首次建立了基于Weibull分布的寿命预测模型，为寒区工程选材提供了量化依据。

研究采用三大关键技术方法：1) 多尺度力学测试（包括冻融循环后的质量损失率、相对动弹性模量和28天抗压强度）；2) 微观表征技术（核磁共振NMR分析孔隙分布，扫描电镜SEM观察界面过渡区）；3) 基于Weibull理论的可靠性建模。实验设计涵盖0%-45%四种替代率，通过200次快速冻融循环模拟西北地区约20年服役环境。

研究结果揭示以下重要发现：

3.1 表观形态分析

冻融循环导致混凝土表面砂浆剥落、骨料暴露，其中MSS45试件破坏最严重，出现边角缺损和结构完整性丧失，而TDS45试件仅出现轻微剥落。

3.2 抗压强度分析

TDS掺量与强度呈正相关，TDS45试件28天抗压强度达40.13MPa，比基准组提高18.6%；而MSS45试件强度仅29.45MPa，不符合C30强度标准。

3.3 质量损失率

所有试件初期因水分渗透出现质量增加，200次循环后TDS45质量损失率最低(0.19%)，MSS45最高(0.54%)，差异源于TDS颗粒的优良圆度。

3.4 相对动弹性模量

TDS45试件动弹性模量保留率最高(91.94%)，破坏顺序为MSS45>DS0>MSS15>TDS15>MSS30>TDS30>TDS45，表明TDS显著延缓性能退化。

3.5 孔隙结构

NMR显示TDS45孔隙率最低(1.73%)，且能稳定大孔结构；MSS45孔隙率达2.65%，其高黏土含量导致界面缺陷增多。

3.6 微观结构

SEM证实TDS球形颗粒可优化应力分布，而MSS棱角状颗粒易引发微裂纹；XRD显示两者水化产物相似，性能差异主要源于物理特性。

4.4 寿命预测

Weibull模型预测TDS45理论寿命达104年，是MSS45(53年)的1.96倍，排序为TDS45>TDS30>TDS15>MSS30>MSS15>DS0>MSS45。

这项研究的突破性意义体现在三个方面：首先，首次系统比较了不同成因沙漠砂的性能差异，证实风积成因的TDS在抗冻性方面显著优于人为破坏形成的MSS；其次，建立了孔隙结构演变与宏观性能的关联模型，发现TDS通过优化级配降低有害孔比例(大孔占比<15%)是其耐久性提升的关键；最后，创新的寿命预测方法为寒区工程设计提供了量化工具。研究结果不仅缓解了河砂资源危机，还为沙漠化防治提供了新思路——每使用1吨沙漠砂可减少约0.8吨CO₂排放，兼具生态与经济价值。

未来研究需进一步解决沙漠砂含泥量高、成分波动大的问题。作者建议开发标准化预处理工艺，并开展多因素耦合试验（如冻融-盐蚀协同作用），以推动沙漠砂混凝土在极端环境工程中的规模化应用。这项成果标志着我国在绿色建筑材料领域取得重要进展，为"双碳"目标下的基础设施建设提供了创新解决方案。