沙漠砂高强混凝土力学性能研究.pdf

2 0 1 5年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 No 2 F e b r u a r y 沙漠砂高强混凝土力学性能研究 刘海峰 ， 付 杰 ， 马菊荣 ， 杨维武 ， 陈云龙 ( 宁夏大学土木与水利工程学院 ， 银川 7 5 0 0 2 1 ) 摘要 ： 通过正 交试验 ， 分析 了粉 煤灰掺量 、 沙漠砂 替代率 、 砂 率和水胶 比对沙漠砂 高强混凝土 7 d 、 2 8 d 、 5 6 d和 1 0 0 d抗 压 强度 的 影 响 ； 在 正 交 试 验 基 础 上 ， 保 持 砂 率 和 水 胶 比不 变 ， 进 一 步 揭 示 沙 漠 砂 替 代 率 和 粉 煤 灰 掺 量 对 沙 漠 砂 高强混凝土 2 8 d抗 压强度和劈裂拉 伸强度的影响规律。试验研究表 明。 随着 沙漠砂替代 率增加 沙漠砂 高强混凝 土抗压强度和劈裂拉伸强度呈现先增 大后减 小趋势 ， 沙漠砂 替代率为 2 0 时 ， 沙漠砂 高强混凝 土抗 压强度 和劈裂拉 伸 强度均达到 最大值 ： 随着粉 煤灰掺量增加 ， 沙漠砂 高强混凝土抗压 强度和劈 裂拉 伸 强度 先增 大后 减小 ， 粉 煤灰掺 量 为 1 5 时 ， 沙 漠砂 高 强 混 凝 土 抗 压 强 度 和 劈 裂 拉 伸 强 度 达 到 最 大值 ， 为 沙 漠砂 在 工 程 中的 应 用提 供 指 导 和借 鉴 。 关键词 ： 沙漠砂 ； 高强混凝 土； 正交试验 ； 粉煤灰掺 量； 沙漠砂替代率 Ab s t r a c t ：T h e o r t h o g o n a l e x p e ri me n t i s c a r r i e d o u t t o a n a l y z e t h e i n fl u e n c e o f w a t e r b i n d e r r a t i o ，fl y a s h d o s a g e ， s a n d r a t i o a n d d e s e r t s a n d r e p l a c e me n t r a t i o o n t h e 7 d ， 2 8 d ，5 6 d a n d l O O d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f h i g h s t r e n g t h d e s e rt s a n d e o n e r e t e On t h e b a s i s o f t h e o p t i ma l mi x t u r e r a t i o f r o m o r t h o g o n a l e x p e r i me n t ， t h e r e g u l a t i o n o n t h e i n f l u e n c e o f fl y a s h d o s a g e a n d d e s e r t s a n d r e p l a c e me n t r a t i o o n t h e 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth o f h i g h s t r e n gth d e s e rt s a n d c o n c r e t e i s f u r t h e r a n a l y z e d E x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t wi t h t h e i n c r e a s e o f d e s e rt s a n d r e p l a c e me n t r a t i o ， t h e 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f h i g h s t r e n g t h d e s e r t s a n d c o n c r e t e fi r s t l y i n c r e a s e s ， t h e n d e c l i n e s W h e n d e s e r t s a n d r e p l a c e me n t r a t i o a mo u n t s t o 2 0 ， t h e 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f h i g h s t r e n g t h d e s e rt s a n d c o n e r e t e r e a c h e s ma x i mu m W i t h t h e e n h a n e e me n t o f fl y a s h d o s a g e ，t h e 2 8 d c o n- p r e s s i v e s t r e n g t h a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth of h i g h s t r e n gth d e s e rt s a n d c o n c r e t e a l s o i n c r e a s e s fi rst l y ，t h e n d e c l i n e s Wh e n fl y a s h d o s a g e a mo u n t s t o 1 5 ，t h e 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h of h i g h s t r e n g t h d e s e rt s a n d c o n c r e t e r e a c h e s ma x i mu m， wh i c h p r o v i d e s g u i d a n c e f o r t h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n o f d e s e rt s a n d Ke y wo r d s ： De s e r t s a n d ； Hi g h s t r e n g t h c o n c r e t e ； O rth o g o n al e x p e r i me n t ；F l y a s h d o s a g e ； De s e rt s a n d r e p l a c e me n t r a t i 0 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 01 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 5) 0 2 2 1 一O 5 0前 言 粉煤灰是 煤经高温燃烧后形成 的一 种类 火 山 灰质混合材料。在混凝土中掺加粉煤灰 以取代相 同 质量或体积水泥 ， 不仅能使粉煤灰变废为宝 ， 而且 可以显著改善混凝土和易性 ， 在保护环境 和节省资 源方面取得很大社会效益和经济效益_ l j 。 砂是制备混凝土必不可少的组份之一 ， 在经过 大规模基础工程建设后 。 中、 粗砂资源无论从储量 、 质量 和可 持 续发 展 的 角度 看 ， 都 不 能 满 足 当今 建 设 规模需要。在西部地区和沙漠地 区 工程用砂需求 越 来 越 大 ， 采 购 和运 费 居 高不 下 ， 增 加 了建设 成 本 。 如果 能够利用沙漠砂替代建筑用砂制备 出适合 于 工程应用 的混凝土 ， 对 于降低 工程造价 、 保 护当地 基金 项 目： 国家 自然基金 项 目( 1 1 1 6 2 0 1 5 、 5 1 3 6 8 0 4 8 ) ； 区级大 学生创新 试验( 2 0 1 4 0 1 3 5 ) 。 环境和合理开发利用 自然资源都具有重要意义2 1 。 虽然 国内外研究者对沙漠砂混凝土力学性能进行 了许多研究_2 - 8 。 但针对沙漠砂替代率和粉煤灰掺量 对 沙 漠 砂 高 强 混 凝 土 力 学 性 能 的影 响 目前 研 究 较 少 。 本文通过正交试验 ， 分析 了粉煤灰掺量 、 沙漠 砂替代率 、砂率和水胶 比对沙漠砂高强混凝土 7 d 、 2 8 d 、 5 6 d和 1 0 0 d抗 压 强 度 影 响 ；在 正 交 试 验 基 础 上 ， 保 持 砂 率 和 水 胶 比不 变 ， 进 一 步 分 析 沙 漠 砂 替 代率 和粉煤灰掺量对 沙漠砂高强混凝土 2 8 d抗压 强 度 和 劈裂 拉 伸 强度 的影 响 ， 揭 示 沙 漠砂 替 代 率 和 粉煤灰掺量对沙漠砂 高强混凝 土 2 8 d抗压强度 和 劈裂拉伸强度的影 响规律 。 为沙漠砂在工程 中的应 用提供指导和借鉴。 1 试 验原 材 料 水泥采用宁夏产 4 2 5级普通硅酸盐水泥 主要 一 21 2 0 1 5年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 6期 技术性能指标均符合国家相关标准规定 ： 粗骨料采 用 宁夏镇北堡生产 的人工碎石 ， 采用两级配 ， 即小 石粒径 5 1 0 ra m， 大石粒径 1 0 2 5 m m， 其组成 比例为 小石： 大石= 2 ： 8 ：中砂采用 宁夏镇北堡人工水洗山 砂 ， 细 度 模 数 为 2 9 5 ； 沙漠 砂 取 自毛 乌 素 沙 漠南 缘 宁 夏 盐 池 县 ，表 观 密 度 为 2 6 2 4 k g m。 ，空 隙 率 为 4 0 9 5 ， 含 泥量 为 0 1 4 ， 细度模 数 为 0 1 9 4 ， 其 化 学 组成成分如表 1 所示 ： 粉煤灰采用 宁夏某电厂生产 的 I 级粉煤灰 ， 含水率为 0 2 ， 烧失量为 2 8 ； 减 水 剂采 用 北 京 某 外 加 剂 有 限 公 司 生 产 的 高性 能 减 水剂 ， 减水率 2 5 3 0 以上 ； 试验用水为当地饮用 水 。 2正 交试验 试 验 主 要研 究 水胶 比 、 粉 煤 灰 掺 量 、 砂 率 和 沙 漠砂替代率对高强混凝土抗压强度的影响 ， 混凝土 强度设计标准值为 C 6 0 ， 为了减少试验次数 ， 设计 4 因素 3水平 L 9 ( 3 ) 正交试验 。正交试验方案如表 2 所示 ， 正交试验混凝土配合 比如表 3 所示。 表 1 沙漠砂化学组成成分 表 2 正交试验方案表 L 9 ( 3 ) 试件成型尺寸为 1 0 0 mm x 1 0 0 m mx 1 0 0 ram， 试件 经机械搅拌后在振动台上振捣成型， 2 4 h后脱模 ， 在 标准养护室内养护至规定龄期 ， 在万能试验机上进 行 7 d 、 2 8 d 、 5 6 d和 1 0 0 d抗 压 强 度测 试 ， 试 验 结 果 如 表 4所示 。 对试验结果进行极差分析 ， 结果如表 5和图 1 图 4所示 由表 5中 R值大小可以看 出， 对于沙漠砂高强 混凝土 7 d抗压强度 ，粉煤灰掺量 B对 沙漠砂高强 混凝 土 7 d抗 压强 度影 响 最大 ， 水 胶 比 A 次之 ， 砂 率 C第 三 ，沙漠砂替 代率 D最小 ，其最优组 合为 ： A1 B 1 C1 D 2 ； 对于沙漠砂高强混凝土 2 8 d抗压强度 ， 水胶 比 A 对 沙 漠砂 高 强 混 凝 土 2 8 d抗 压 强 度 影 响 最大 ， 砂率 C次之 ， 沙漠砂替代率 D第三， 粉煤灰掺 量 B最小 ， 其最优组合为 ： A1 B 1 C 1 D 2 ； 对于沙漠砂 高强混凝土 5 6 d抗压强度 ， 砂率 C对沙漠砂高强混 凝 土 5 6 d抗压 强 度 影 响 最 大 水 胶 比 A 次 之 ， 沙 漠 砂替 代 率 D第 三 ， 粉 煤 灰 掺量 B最 小 ， 其最 优 组 合 为 ： A1 B I C 1 D 2 ；对 于沙 漠 砂 高 强混 凝 土 l O O d抗 压 强度 ，砂率 C对沙漠砂高强混凝土 l O O d抗压强度 影响最大 ， 粉煤灰掺量 B次之 ， 沙漠砂替代率 D第 三 ， 水 胶 比 A最小 ， 其最 优组 合 为 ： A1 B 1 C 1 D 2 。 综 上 所 述 沙 漠 砂 高 强 混 凝 土 的 最 优 组 合 为 ： A1 B 1 C 1 D 2 。 即水胶 比 0 2 4 、 粉煤灰掺量 1 0 、 砂率 3 0 、 沙漠砂替代率 3 0 。 3 沙 漠砂 替 代率 和 粉煤 灰 掺量 对 沙漠 砂 高 强 混凝 表 3 正交试验混凝土配合 比 一 22 刘海 峰 ， 付杰 ， 马菊 荣 ， 等 沙漠砂 高 强混凝 土力学 性能研 究 表 4正交试 验结果 6 8 6 6 凸_ 商 6 4 骥 6 2 6 O 5 8 Al A2 A3 Bl B2 B 3 C1 CZ C 3 Dl 1 ) 2 D3 因素水平 图 1 各 因素对 7 d抗压强度 的影 响 土抗 压 强度 和劈 裂拉 伸 强度 的影 响 在正交试验确定的最优组合基础上 ， 进一步分 析沙漠砂替代率 和粉煤 灰掺量对沙漠砂高强混凝 A1 A2 A3 B1 B 2 B3 C1 C 2C 3 D1 D2 D3 因素水平 图 2 各 因素对 2 8 d抗 压强度的影响 A1 A2 A3 B1 B2 B3C1 C2 C3 D1 D2 D3 因素水平 图 3各 因素 对 5 6 d抗 压 强 度 的 影 响 A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C 2C 3 D1 D2 D3 因素水平 图 4各 因素 对 1 0 0 d抗 压 强度 的影 响 土抗压强度和劈裂拉伸强度 的影 响规律 。水胶 比 0 2 4 、 砂率 3 0 保持不变 ， 减水剂添加量占总胶凝材 料 的 O 4 ，用替代率为 0 、 1 5 、 2 5 粉煤灰等量替 代水泥 ， 在同一粉煤灰掺量下 ， 用替代率为 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 6 0 、 8 0 和 1 0 0 的沙漠砂替代 中砂 ， 制 作 沙漠砂混凝 土试件 。试 件成型 尺寸为 1 0 0 mm 1 0 0 m mx 1 0 0 mm， 试件经机械搅拌后在振动台上振捣 成 型 ， 2 4 h后脱模 ，在标准养护 室内养护至规定 龄 期 ， 在 万 能 试验 机 上 进 行 2 8 d抗 压 强 度 和 2 8 d劈裂 拉伸强度测试。沙漠砂高强混凝土 2 8 d抗压强度和 劈裂拉伸强度试验结果如表 6所示 。 由表 6和图 5可知 沙漠砂高强混凝土抗压强 度 随着沙漠砂替代率 的增加呈现先增大后减小趋 势 ， 沙漠砂替代率为 2 0 时 ， 抗压强度达到最 大值 。 这是 由于中砂粒径 较大 ， 而沙漠砂粒径较小 ， 可使 一 2 3一 仍 B d 嚼 P 8 B d 、 嘿 p 9 B d W ， 想 坦 8 _【 2 0 1 5年 第 2期 混凝 土 与水泥 制 品 总第 2 2 6期 表 6试验结果 憩 出 沙漠砂替代率 图 5 沙漠砂替代率与抗压强度关系 曲线 混 凝 土 内部 填 充 均匀 ， 增 加 混 凝 土 强 度 但 沙 漠 砂 本身是 由松散母 岩风化 而成 ，自身强度略小于 中 砂 。 因而当沙漠砂替代率较大时 ， 随着沙漠砂替代 率增加 ， 沙漠砂混凝土抗压强度逐渐降低。 由表 6和 图 6可 以看 出，随着粉煤灰掺量增 加 ， 沙漠砂高强混凝土抗压强度先增大后减小。粉 煤灰掺量为 1 5 的沙漠砂高强混凝 土抗压强度高 于粉煤灰掺量为 0和粉煤灰掺量 为 2 5 的沙漠砂 高强混凝土。这是 因为 ： 一是粉煤灰微细颗粒 能够 一 2 4 一 均匀分布在水泥浆体中， 充分填充混凝土中的空隙 和毛细孔 ， 增大密实度从 而提高混凝 土强度_9 _ 叫 ： 二 是较大量掺入粉煤灰后增加了水化产物 ， 使混凝土 过 于粘 稠 ， 导致 流 动性 下 降 。 同时 粉煤 灰 掺量 大 ， 水 泥用 量 少 ，生成 较 高强 度 胶凝 产 物 的量 相对 较 少 ， 因而强度降低。 暖 幽 螺 粉煤 灰 掺 量 图 6 粉煤灰掺量与抗压强度 关系曲线 由表 6和 图 7可 以看 出 沙 漠砂 高 强 混凝 土 劈 裂拉伸强度随沙漠砂替代率增加呈现先增大后减 小趋势 ， 沙漠砂替代率为 2 0 H ， 劈裂拉伸强度达 到最大值。由表 6和图 8可知 ， 随着粉煤灰掺量增 64 6 0 嚣 5 6 鐾 5 2 辑 4_ 8 44 40 皇 皤 垂 献 沙漠砂替代率 图 7 沙漠砂替代率 与劈裂拉伸强度关 系曲线 0 2 0 3 O 4 0 6 0 8 ( ) 1 0 0 粉煤灰掺量， 图 8 粉煤灰掺量与劈裂拉伸强度关系 曲线 ( 下 转第 2 8页 ) 2 0 1 5年 第 2期 混凝 土与水 泥制 品 总第 2 2 6期 大 ， 水 泥 石 中 出现 几 率 最 大 的孔 隙 ( 或 称 最 可 几 孔 径) 向尺寸增大的方向移动 ， 即水泥水化后所形成 的粗 大 毛 细孔较 多 ，在相 对 湿度 较 低 的环 境 下 ， 水 分 蒸发 较快 ， 质 量损 失也 较大 。 2 4 规律 总 结 从图 2 图 4发现 ， 不同配合 比、 不同试件在相 同龄期 时 ， 若质量损失率相 同而收缩较大 。 或者收 缩率相同而质量损失率较小 ， 则砂浆试件开裂时间 较短 ， 开裂敏感性增大。裂缝 的产生主要是砂浆 中 实时拉应力超过其抗拉强度所引起的。砂浆的自由 收缩 只是判定砂浆开裂 的一个参考值 ， 因此 ， 仅仅 依 据 2 8 d自由收缩值 来判定砂浆开裂敏感性是不 准确的。但若把砂浆初始开裂时间和干缩一 质量损 失之 间 联 系起来 ， 作 为双参 数 评 价机 制 砂 砂浆 开 裂 敏感性 ， 则既准确又切实可行 。这条规律不仅适用 于天然砂砂浆同 ， 对机制砂砂浆也同样有效。 3结论 ( 1 ) 随着石粉含量增加和水灰 比增大 ， 机制砂 砂浆开裂时间延长 ， 开裂敏感性降低 。在质量损失 率相 同时 ， 干缩率小的开裂时间长 ： 在干缩率相 同 时 ， 质量损失率大的开裂敏感性低。 ( 2 ) 干 缩一 质量 损 失 关 系 和椭 圆环 开 裂 时 间可 作为评价砂浆开裂敏感性 的双参数 这不仅适用于 河砂砂浆 ， 对机制砂砂浆亦同样有效。 参 考 文 献 ： 1 何真 ， 李宗津， 李文莱 一种椭 圆环约束 开裂 自动监测试 验装置 P 中国实用新 型专利， 专利号 ： Z L 0 2 2 8 4 0 4 5 1 2 Z H E ， X M Z h o u a n d Z J L i N e w e x p e r i m e n t a l m e t h o d f o r s t u d y i n g e a r l y a g e c r a c k i n g o f c e m e n t - b a s e d ma t e r i a l s A C I Ma t e r J ， 2 0 0 4 ， 1 0 1 ( 1 ) ： 5 0 - 5 6 3 马保 国 海洋高性能混凝土 的研究 D 】 武 汉： 武汉理 T大 学。 2 0 0 0 4 袁润 章 胶凝 材 料学【 M 武汉 ： 武 汉T 业 大学 出版 社， 2 0 0 3 5 富文权 ， 韩素芳 混凝土工程 裂缝分析与控 制 【 M】 北京： 中 国铁 道 出 版 社 。 2 0 0 2 6 陈美 祝 水泥基 材料组分 对早期水化 及收缩 开裂影 响的 研究【 D 武汉： 武汉大学， 2 0 0 4 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 2 5 作者简介 ： 胡晓曼 ( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 硕士 、 T程 师。 通讯 地址 ： 合 肥市高新 区红枫路 5 5号 联 系电话 ： 1 3 8 5 6 9 7 0 9 7 3 E- ma i l ： h u x mO 7 2 7 1 6 3 c o m ( 上接 第 2 4页 ) 加 ，沙漠砂 高强混凝土劈裂拉伸强度先增大后减 小。粉煤灰掺量为 1 5 的沙漠砂高强混凝土劈裂拉 伸 强度 高 于 粉煤 灰 掺 量 为 0和 粉 煤 灰 掺 量 为 2 5 的沙漠砂高强混凝土。 4结论 通过设计正交试 验研 究 了水胶 比、粉煤灰掺 量 、砂率和沙漠砂替代率对沙漠砂高强混凝土 7 d 、 2 8 d 、 5 6 d和 1 0 0 d 抗压强度 的影 响。 通过极差分析得 到了沙漠砂高强混凝土的最优组合。在此基础上 ， 进 一 步分 析 沙漠 砂 替 代 率 和粉 煤 灰 掺 量 对 沙 漠 砂 高强混凝 土 2 8 d抗压强度和劈裂拉伸强度 的影响 规律。试验研究表明， 随着沙漠砂替代率增加 ， 沙漠 砂 高 强混 凝 土 2 8 d抗 压 强 度 和 劈 裂 拉 伸 强 度 均 呈 现先增大后减小趋势 ，沙漠砂替代率为 2 0 时 ， 沙 漠砂 高强混凝 土抗压强度和劈裂拉伸强度均达到 最大值 ； 随着粉煤灰掺量增加 ， 沙漠砂高强混凝土 抗压强度和劈裂拉伸强度先增大后减小 ， 粉煤灰掺 量为 1 5 时 ， 沙漠砂高强混凝土抗压强度和劈裂拉 伸强 度 达到 最 大值 ， 为 沙漠 砂 在 工程 中的 应用 提 供 了指导和借鉴。 参考文献 ： 1 李清 富， 孙振华， 张海洋 粉 煤灰和硅粉对 混凝土强度影 一 2 8一 响的试验研究【 J 1 混凝土， 2 0 1 l f 5 ) ： 7 7 7 9 2 陈云龙， 马菊荣， 韩莉， 等 掺粉 煤灰 、 沙漠砂高强混 凝土 抗压强度研究 J 】 混凝土， 2 0 1 4 ( 7 ) ： 8 0 8 4 3 任世漫， 张泸， 陈静 特细砂高强混凝土 的配制研究l J J _ 重 庆建筑大学学报， 1 9 9 8 ， 2 0 f 1 ) ： 5 6 6 2 4 Z h a n g G u o x u e ， S o n g J i a n x i a ， Y a n g J i a n s e n ， e t e P e r for m a n c e o f mo r t a r a n d c o n c r e t e ma d e wi t h a fi n e a g g r e g a t e o f d e s e r t s a n d J B u i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ， 2 0 0 6 ， 4 1 ( 1 1 ) ： 1 4 7 8 1 4 8 1 【 5 张国学， 宋建夏， 杨维武， 等 沙漠砂对水泥砂浆和混凝土性 能的影响叽 宁夏大学学报： 自然科学版， 2 0 0 3 ， 2 4 f 1 ) ： 6 3 6 5 6 】 陈美美， 宋建夏， 赵文博， 等 掺 粉煤灰 、 腾格里沙漠 砂混 凝土力学性能的研究I J 1 宁夏工程技术， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 6 1 6 3 7 】 宓永宁， 孙 荣华， 张玉 清， 等 特 细砂配制 混凝 土 的试 验 研究l J J 混凝土， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 5 6 5 9 8 杨维武， 陈云龙， 马菊荣， 等 沙漠砂替代率对高强混凝土抗 压强度影响研究【J J 科学技术与工程， 2 0 1 4 ， 1 4 ( 1 9 ) ： 3 0 6 3 0 9 9 】 王 秀源 超细粉 煤灰在高 性能混凝 土 中的作 用效应 分析 J 广东建材， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 3 2 3 3 1 O 王娜， 李斌 撒哈拉 沙漠砂高强度混 凝土 配合 比设 计及 研究 J 混凝土， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 1 3 9 1 4 0 收 稿 日期 ： 2 01 4 1 2 2 3 作者简介 ： 刘 海峰( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 博士。 通讯 地址 ： 银 川市 宁夏 大学北校 区土木与水利工程学院 联 系电话 ： 1 5 2 0 2 6 8 3 6 1 8 E - ma i l ： l i u h a i f e n g l 5 5 7 1 6 3 c o m