风积沙混凝土的基本力学性能试验研究.pdf

2 0 1 5年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 201 5 No 1 1 No v e mb e r 风积沙混凝土的基本力学性能试验研究 包建 强 ， 邢永 明 ， 刘 霖 。 ( 1 内蒙古工业大学理学院 ， 呼和浩特 0 1 0 0 5 1 ； 2 呼和浩特职业学院建筑工程学院 ， 0 1 0 0 5 1 ； 3 内蒙古工业大学土木工程学院， 呼和浩特 0 1 0 0 5 1 ) 摘要 ： 用 风 积 沙 按 一 定 的 比例 ( 质 量 比 为 0、 1 0 、 3 0 、 5 0 、 7 0 、 9 0 ) 替 代 相 同质 量 河砂 ， 经 过 配合 比设 计 ， 制 成风积 沙混凝 土 ， 测定其和 易性 ； 然后再制作成 不 同尺寸立 方体 、 棱柱体试件 ， 测定其抗压强度和劈 裂抗拉 强度 ， 确 定风积 沙最佳替代 比例 。 试验 结果表明 ， 当风积 沙替代 比例 为 3 0 时 ， 风 积沙混凝 土的和易性 良好 ， 能够 满足施 工要 求， 不 同尺寸试件 的抗 压强度值 和抗拉强度值都达 到最 大值 。进 一步分析试验结果 建立 了风 积沙混凝土不 同尺 寸 立方体抗压强度之 间的数 学关系、轴 心抗 压强度和标准立方体抗压强度的数 学关 系以及抗拉 强度 和标准立方体抗 压强度之 间的数 学关系， 研 究结果为风积沙混凝土的设计和应 用提供一 定的理论依据 。 关键 词 ： 风积 沙； 混凝土 ； 和 易性 ； 力学性能 Ab s t r a c t ：T h r o u g h t h e d e s i g n o f mi x t u r e r a t i o ，t o ma k e u p t h e a e o l i a fi s a n d c o n c r e t e ， r i v e r s a n d i s r e p l a c e d wi t h t h e s a me q u a l i t y a e o l i a n s a n d a c c o r d i n g t o c e r t a i n p r o p o rt i o n ( ma s s r a t i o i s 0 ， 1 0 ， 3 0 ， 5 0 ， 7 0 ， 9 0 ) ， i t s w o r k a b i l i t y i s d e t e r mi n e d An d t h e n g r o u p s o f c u b e s w i t h d i f f e r e n t d i me n s i o n s a n d p ris m s p e c i me n s a r e p r e p a r e d Th e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d t e n s i l e s t r e n g t h a r e d e t e rm i n e d T h e b e s t r e p l a c e me n t r a t i o o f a e o l i a n s a n d i s d e t e rm i n e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t wh e n t h e r e p l a c e me n t r a t i o o f t h e a e o l i a n s a n d i s 3 0 ，i t s wo r k a b i l i t y i s b e s t a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f d i f f e r e n t s i z e s p e c i me n s a r e l a r g e s t F u r t h e r a n a l y z i n g t e s t r e s u l t s ，t h e ma t h e ma t i c a l r e l a t i o n s h i p o f t h e a e o l i a n s a n d c o n c r e t e i s s e t u p b e t we e n t h e c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f d i f f e r e n t s i z e s ，b e t we e n a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d s t a n d a r d c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d b e t we e n t e n s i l e s t r e n g t h a n d s t a n d a r d c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ，I h 。 r e s u l t s o f t h e s t u d y p r o v i d e c e rt a i n t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f t h e a e o l i a n s a n d c o n c r e t e Ke y wo r d s ： Ae o l i a n s a n d ； C o n c r e t e ； W o r k a b i l i t y ； Me c h a n i c a l p r o p e rt i e s 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 1 1 一 O 8 0 4 0前 言 随着国内各 种基础建设投资力度 的不断加大 和城市化进程的迅速发展 ， 作为主要建筑材料之一 的混凝土被大量应用于工程 中。 砂的需求量也 13益 增加 。然而 ， 如果都使用天然砂 ， 势必会因天然砂的 过 度 开 采 而 使 农 田 、 河 道 遭 受 到 严 重 破 坏 使 土 地 沙化 ， 破坏生态环境 ； 另一方面 ， 我 国沙漠的总面积 约 6 3 7万 k m ， 占全国陆地 的 6 8 左右 。 有大量 的 风 积 沙 ， 主要 分 布 在 西 部 的新 疆 、 甘 肃 、 内蒙 古 、 宁 夏及青海等省区l 1 l 。目前 ， 国内外针对风积沙的应用 研究 ， 主要是将风积沙作为筑路材料和渠道换垫材 料【2 J ， 也有一些学者将风积沙掺入水泥砂浆 中， 研究 其流动性和强度特性 ， 作为普通混凝土的组成材料 来研 究 相对 较少 。 本文用风积沙按一定 比例 ( 质量 比为 0 、 1 0 、 3 0 、 5 0 、 7 0 、 9 0 ) 替代相同质量河砂 ， 经过配合 基 金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 1 1 3 6 2 0 0 6 ) 。 一 8 一 比设计 制成风积沙混凝土 ， 测定其 和易性 ； 然后再 制作成不 同尺寸立方体 、 棱柱体试件 ， 测定其抗压 强度和劈裂抗拉强度 ，确定 风积沙的最佳替代 比 例。并且建立了风积沙混凝土的不同尺寸立方体抗 压强度之间的数学关系 、 立方体抗压强度和轴心抗 压强度 的关 系以及抗压 强度 和抗拉 强度之 间的数 学关系 ， 研究结果可为风积沙混凝土 的设计和应用 提供一定的参考 。如果能把风积沙混凝土大量应用 于实际工程 中。 既可以节约河砂等不可再生资源的 开采 ， 又能充分利用风积沙 ， 减少风积沙对环境 的 污染 。 1 试 验 方案 1 1 试验 材 料 本 试 验 采用 的水 泥 为 P 0 4 2 5级 普 通 硅 酸 盐 水 泥 ，水 泥 的 比表 面 积 3 0 0 m 2 k g ；初 凝 时 间 4 5 m i n 。 终凝时间6 0 0 mi n ： 该水泥 的 3 d抗压强度为 2 3 6 MP a ， 2 8 d抗压强度为 4 5 9 MP a 。粗骨料为碎石 ， 颗 粒 级 配 良好 ，最 大 粒 径 为 3 1 5 m m，表 观 密 度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 包建强 ， 邢永 明， 刘 霖 风积沙混凝土的基本力学性能试验研究 2 6 5 g c m 。 细 骨料 分别 为河 砂 和风 积沙 ， 河 砂 为天 然 河 沙 ， 细度模数 为 2 6 2 ， 区中砂 ， 颗粒级配 良 好 ， 表观 密度 2 6 1 g c m 。 ， 含泥 量小 于 O 9 。 风积 沙取 自内蒙古库布齐沙漠 ， 细粒 ( 0 0 7 5 0 2 5 m m) 颗 粒含 量 占 7 8 8 ，颗粒级配不 良，其基本物理性能见表 1 。水为普通 自来水。 1 2 试验配合 比 本 试 验 采 用 C 3 0普 通 混 凝 土 的 配 合 比作 为 基 准组 ， 混凝土坍落度设计 为 7 5 9 0 ra m。 分别 以质量 比为 O 、 1 0 、 3 0 、 5 0 、 7 0 和 9 0 的风积沙代 替相 同质量的河砂来配制风积沙混凝土 ， 其基准配 合比见表 2 。 表 1 风积沙 的基本 物理特性 指标 表 2 试验 配合 比 k g m 1 3 试 验 内容 试验主要研究用六种不同替代率( 质量比为 0 、 1 0 、 3 0 、 5 0 、 7 0 、 9 0 ) 的风积沙替代天然河砂 来 配制普通混凝土 ， 对不同替代率 的混凝土拌合物 都进行和易性 的测定 ， 然后分别将混凝土拌合物浇 筑 成1 5 0 ram x l 5 0 mm x l 5 0 mm、 1 0 0 mm 1 0 0 ram x 1 0 0 mm两种尺寸立方体试件 以及 1 5 0 mm 1 5 0 mm 3 0 0 mm的棱柱体试件。按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普 通 混凝土力学性能试验方法标准 中的相关规定进 行 抗 压 强 度试 验 和 劈 裂抗 拉 强 度试 验 ， 依 据 抗压 强 度 指标和劈裂抗拉强度指标来确 定风积沙 的最佳 替代 率 并进一 步分析试验结果 ， 建立风积沙混凝 土的不 同尺寸立方体抗压强度之间的数学关系 、 立 方 体抗压强度和轴 心抗压 强度的关系 以及抗压强 度 和抗拉强度之间的数学关系。 2试 验方 法 2 1 测 定 和易 性 试验 方法 ， 根据 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ( 普通混凝土拌合物性 能试验方法标准 ，用坍落度试验方法对风积沙混 凝土 的和易性进行测定 。 2 2 测 定抗 压 强度 试 验方 法 抗 压强 度 试 验 采用 的试 件 尺 寸有 3种 ， 分 别 为 1 5 0 mm1 5 0 mmxl 5 0 mm、 1 0 0 mmxl O O mmx l O O mm 两 种 尺寸立方体试件 以及 1 5 0 m mx l 5 0 m mx 3 0 0 m m 的 棱柱体试件 ； 试验 中风积沙的替代率为 6种 ， 共 1 8 组 ； 每组 3个试件 ， 共 5 4个试件。 试验采用 1 0 0 0 0 k N 电液 伺服 压力 机 测定 试件 的抗 压强 度 以 0 4 0 5 MP a s的速度连续而均匀地对试件加载 ，当试件 临近破坏 ， 变形开始加速时 ， 减小加荷速率 试件破 坏时记录荷载值 ， 然后计算试件抗压强度值 。试验 过程严格按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2中的相关规定来 进行 ， 以减少人 为误 差 。 2 3 测定劈裂抗拉强度试验方法 劈 裂 抗 拉 强 度 试 验 采 用 1 5 0 ram x l 5 0 m m 1 5 0 ram的标 准立方体试件 ，风积沙 的替代率 为 6 种 ， 每组 3个试件 ， 合计 1 8个试件 ； 采用 5 0 k N液压 万能试验机测定抗拉强度 。试验过程严格按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2中的相关规定进行 尽量减少人为 误差 。 以 0 0 4 0 0 6 MP a s的速 度连 续而 均匀 地对 试 件加载 ， 当试件 临近破坏 ， 变形开始加速时 ， 减小加 荷速率 ， 试 件破坏 时记 录荷载值 ， 然后 计算抗拉强 度值 。 3试验 结 果及分 析 3 1 不 同替代率风积沙混凝土和易性的测定 试验测得不 同替代率风积沙混凝 土的坍落度 值及其黏聚性 、 保水性情况见表 3 。 分 析 表 3数 据 可 以得 到 当风 积 沙替 代 率 在 1 0 、 3 0 、 5 0 时 ，混凝土坍落度值都比 O替代率 时高 ， 替代率为 3 0 时 ， 坍落度值最大 ， 为 8 8 m m， 并 且风 积 沙混 凝 土 的黏 聚性 和 保 水性 良好 ， 无 分 层 和 泌水现象 ，能够满足施工要求 ；当替代率为 7 0 、 9 0 时 ， 混凝土坍落度值都比 0替代率时低 ， 且达不 表 3 风积沙混凝土 的坍落度值 、 黏聚性和保水性 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 1 期 混凝土与水泥制 品 总第 2 3 5期 到设计要求 ， 有分层和泌水现象 ， 和易性较差 ， 不能 满 足施 工要 求 。 3 2 不同风积沙替代率对混凝 土抗压强度 、 抗拉强 度 的影 响 通过整理试验测试数据 。 得到风积沙混凝土不 同尺寸的试件 龄期为 2 8 d时 的抗 压强度和抗拉 强 度 ， 见 表 4 。 绘制不 同替代 率下风积沙混凝土 的不 同尺寸 立方体抗压强度 、 轴心抗压强度随替代 率的变化情 况 ， 见图l ， 抗拉强度与替代率的关系见图 2 。 由表 4以及 图 1 、 图 2可看出 ， 风积沙混凝土不 同尺寸试件的抗压强度 、 抗拉强度都随风积沙替代 率的增加先增大后减小 在替代率为 3 O 时达到最 大值 。 当替代率为 1 0 、 3 0 、 5 0 时， 其对应的抗压 表 4 风积沙混凝土 的抗压 强度 和抗 拉强度试验值 4 5 4 0 姜 3 5 越 吲 3 0 2 5 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l 【 砌 风积沙替代率， 图 1 风积沙替代率对混凝土抗压强度 的影 响 强度 、 抗拉强度都 比 0替代率 的高 ； 而当替代率 为 7 O 、 9 0 时 ， 风积沙混凝 土的抗 压强度 、 抗拉 强度 低于 O替代 率的普通混凝土。这主要因为当风积沙 替代率较小时 ， 在混凝土形成过程 中， 较细的风积 沙能更好地填充砂石之 间的空隙 ， 使混凝土 的强度 有所提高 ： 当风积沙替代 率较高时 。 虽然风积沙填 充 了空隙 。 但 由于风积沙 比表面积较大 ， 需要的水 泥浆量大幅度增加 ， 导致了混凝土的水 泥量相对不 足 引起了混凝土强度 的下降。综上所述 ， 风积沙的 最佳替代率为 3 0 。 3 3 风积沙混凝土不同试件尺寸强度之间的关系 根据表 4中的试验数据 。 对不 同试件尺寸强度 之间的关系进行数学公式拟合 ， 分别 得到了边长为 l O O m m 的立方体试 件抗压强度与标准立方体抗压 强度之间的数学关系 ， 见公式 ( 1 ) ； 棱柱体试件抗压 强度与标准立 方体抗压强度之间的数学关系 ， 见公 式 ( 2 ) ； 劈裂抗 拉强度与标准立方体抗压 强度之间 一 1 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 o 风积沙替代率， 图 2 风积 沙替 代率对混凝土抗拉强度的影响 的数 学关 系 ， 见公 式 ( 3 ) 。 1 = 1 0 3 1 5 0 ( 1 ) 1 5 7 6 9 f ； 1 ( 2 ) 1 5 0 = 0 0 0 3 6 1 5 0 。 ( 3 ) 式 中； 。 卯为边长为 1 5 0 mm立方体试件抗压强 度值 ， MP a ； 厶 。 。 为边长为 l O O m m立方体试件抗压 强度 值 ， MP a 为棱 柱体抗 压 强度值 ， MP a 卯 为边长为 1 5 0 mm立方体试件抗拉强度值 。 MP a 。 根据拟合公式和表 4中的试 验数据 ， 绘制 出风 积沙混凝土两种尺寸立方体试件抗压 强度之间的 关系曲线和实测值对 比图 ， 见图 3 ； 轴心抗压强度 与 标准立方 体抗压强度 之间的关系曲线和实测值对 比图 ， 见图 4 ； 抗拉强度与标准立方体抗压强度之 间 的关系曲线和实测值对 比图， 见图 5 。 由公 式 ( 1 ) 公 式 ( 3 ) 及 图 3 图 5可 以看 出 ， 风 积沙混凝土的边长为 l O O mm立方体抗压强度 、 轴心 抗压强度 与标 准立 方体抗 压强度的关 系呈线性关 5 4 3 2 1 O B d 毫 鳗靼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 包建强 ， 邢永明， 刘霖 风积沙混凝土的基本力学性能试验研究 宝 45 算值 3 0 3 5 4 O l MP a 图 3 丘 。 。 与厶， 。 强度的关系拟合曲线及试验值 宝 3 5 l MP a 值 图 4 厶- 与厶 - s o 强度 的关 系拟合 曲线及试验值 ! -， c 1 M上 ， 图 5 。 与丘 。 强度的关系拟合 曲线 及试 验值 系 且都随标 准立方体抗压强度的增 大而增大 ， 比 例 系数 为 1 3 0 8和 0 7 6 9 ； 风 积 沙混 凝 土 的抗 拉 强 度 与标准立方体抗压强度呈幂函数关系 ， 且 随标准立 方体 抗 压强 度 的增 大而 递增 。 风积沙混凝土的边长为 1 0 0 m m立方体抗压强 度 、 轴心抗压强度 、 抗拉强度与标 准立方体抗压强 度 的拟合公式计算值都和试验值能够较好 吻合 ， 拟 合 公式和试验结果 可以为风积沙混凝土 的设计 和 施工提供一定的参考 。 4结论 ( 1 )风积沙的替代率在 5 0 以内时 ， 风积沙混 凝土的和易性 良好 ， 替代率为 3 0 时 ， 和易性最好 ； 替代率为 7 O 和 9 0 时， 混凝土出现分层和泌水现 象 ， 坍落度值也小于设计值 。 ( 2 )风积 沙 混凝 土 不 同 尺寸 试 件 的抗 压 强度 、 抗拉强度都随风积沙替代率的增加先增大后减小 ， 在替代率为 3 0 时达到最大值。当替代率为 1 0 、 3 0 、 5 0 时 。 其对应的抗压强度 、 抗拉强度都高于 0 替代率 的普通混凝土；而 当替代率为 7 0 、 9 0 时 ， 风积沙混凝土的抗压强度 、 抗拉强度低于 0代替率 的普通混凝土。综合上述 ， 风积沙 的最佳替代率确 定为 3 0 ， 不能超过 5 0 。 ( 3 )风积沙混凝土的边长为 1 0 0 m m立方体抗压 强度 、轴心抗压强度与标准立方体抗压强度的关系 呈线性关系 ， 且都随标准立方体抗压强度的增大而 增大 ， 比例系数 为 1 3 0 8和 0 7 6 9 ； 风积沙混凝土 的 抗拉强度与标准立方体抗压强度呈幂函数关系 ， 且 随标准立方体抗压强度的增大而递增 ， 其拟合公式 计算值和试验值都能够较好吻合。 参 考 文献 ： 1 董伟， 申 向东 不 同风积沙掺 量对水泥 砂浆流 动度和强 度 的研究 J 硅酸盐通报， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 9 ) ： 1 9 0 0 1 9 0 4 【 2 牟献友， 谷攀 国 内风积 沙工程特性研 究综述 J 内蒙 古农 业大学学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 1 ) ： 3 0 7 3 1 0 【 3 张永辉， 雷军彦， 王永胜 风积沙代替砂 岩配料提 高熟 料早 期强度 J J 中国水泥， 2 0 0 3 ( 9 ) ：7 2 - 7 3 【 4 】 马蕾 ， 梁栋， 樊晓鹏， 等 沙漠砂作为建筑砂浆 细骨料可行性 研究 J 】 低温建筑技术， 2 0 1 2 ， 1 6 6 ( 4 ) ： 9 1 0 5 P S A mb i l y ， C U m a r a n i， K R a v i s a n k a r S t u d i e s o n u l t r a h i g h pe r f o r ma n c e c o n c r e t e i n c o r po r a t i n g c o p pe r s l a g a s t he a g g r e g a t e【 J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 5 ， 7 7 ： 2 3 3 2 4 0 6 1 韩艳 丽， 冯勇， 肖磊 粗细钢渣替代 天然骨料对混 凝土力学 性能的影响 J j 混凝土与水泥制 品， 2 0 1 5 ( 2 ) ： 9 6 - 9 8 【 7 鲍文 博， 张少 峰， 曲利 辉， 等 尾矿砂 P V A水 泥基 复合材料 抗压和抗弯性能试验研究 I J I 混凝土与水泥制品， 2 0 1 3 ( 1 0 ) ： 8 58 8 8 1 郝迎 军， 朱 涵 废 旧橡胶 集料对水 泥基材料 抗开 裂性 能 的 影响l J 1 混凝 土， 2 0 1 4 ( 1 2 ) ： 9 5 - 1 0 0 9 1 王成 宏 混合细骨料水 泥基复合材料试验研究 D 沈阳： 沈 阳工业大学 2 0 1 2 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 0 4 作者 简介： 包建强 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 讲师 。 通讯地址 ： 内蒙古 呼和浩特 市爱 民路 4 9号 联 系电话 ： 1 3 2 3 8 4 2 2 9 6 5 E - ma i l ： b j q _ 3 3 1 6 8 9 1 2 6 c o m l1一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m