機(jī)制砂混凝土高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

張彥，韓陽，鞏存蕊，劉曙光

(1.河南工業(yè)大學(xué)，河南鄭州 450052;2.鄭州市建筑設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450052)

機(jī)制砂混凝土高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

張彥1，韓陽1，鞏存蕊1，劉曙光2

(1.河南工業(yè)大學(xué)，河南鄭州 450052;2.鄭州市建筑設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450052)

近年來，由于天然砂資源匱乏，機(jī)制砂作為天然砂的替代材料得到廣泛應(yīng)用。通過機(jī)制砂混凝土試塊的高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)，分析了不同受熱溫度對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明:與天然砂混凝土高溫性能相似，隨著經(jīng)歷溫度的升高，機(jī)制砂混凝土高溫后殘余力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低，且在同配比條件下具有稍高的殘余力學(xué)強(qiáng)度。

機(jī)制砂;混凝土;高溫;抗壓強(qiáng)度;劈裂抗拉強(qiáng)度

1 引言

砂是混凝土基本材料之一。隨著我國土木工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，特別是混凝土結(jié)構(gòu)的大量采用，砂石的使用量與日俱增。由于天然砂的不可再生性，隨著用砂量的急劇增多，天然砂資源日趨枯竭，不少地區(qū)出現(xiàn)了用砂緊缺甚至無砂可用的情況。另外，我國很多地區(qū)都出現(xiàn)了因?yàn)E采濫挖天然砂所導(dǎo)致的大面積水土流失、河道淤積、防洪堤壩損毀等惡劣后果，并由此造成了嚴(yán)重的生態(tài)問題。為此，國務(wù)院出臺(tái)一系列禁采或限采天然河砂的規(guī)定，并加強(qiáng)了監(jiān)督管理和打擊力度。我國多山，尾礦資源豐富，合理利用巖石和尾礦生產(chǎn)機(jī)制砂不僅有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且有助于生態(tài)平衡和環(huán)境保護(hù)［1］。機(jī)制砂還具有級(jí)配易控、成本低廉、節(jié)省水泥等優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)制砂替代天然砂已勢(shì)在必行。

目前，對(duì)機(jī)制砂混凝土基本力學(xué)性能已經(jīng)有了一定的研究，但對(duì)于機(jī)制砂混凝土高溫力學(xué)性能的研究還很少［2－3］。通過機(jī)制砂混凝土和普通混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的對(duì)比試驗(yàn)，分析機(jī)制砂混凝土高溫后性能變化的規(guī)律，為機(jī)制砂混凝土的高溫性能提供試驗(yàn)依據(jù)，以促進(jìn)機(jī)制砂混凝土在工程中的推廣與應(yīng)用。

2 試驗(yàn)材料及試件

試驗(yàn)所用機(jī)制砂產(chǎn)自河南焦作，顆粒呈灰黑色，形狀粗糙尖銳、多棱角，針片狀多。按照《建筑用砂》GB/T14684－2011標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行了基本性能測(cè)試，細(xì)度模數(shù)為3.2～3.4，亞甲藍(lán)(mb)小于

1.4 石粉含量6%～7%。

天然砂產(chǎn)自河南魯山縣，外觀呈黃色，細(xì)度模數(shù)2.7～2.9，含泥量＜3%，泥塊含量＜1%;機(jī)制砂與天然砂的顆粒級(jí)配、表觀密度、堆積密度、泥塊含量等性能指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用砂》GB/T14684－2011。

水泥:采用河南太陽石集團(tuán)生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，3天抗壓強(qiáng)度30MPa，28d抗壓強(qiáng)度為56MPa;

粗骨料:石灰石質(zhì)碎石，粒徑5mm～20mm，壓碎指標(biāo)8%，針片狀3%，泥塊含量0.5%以內(nèi);粗骨料各項(xiàng)參數(shù)均符合規(guī)范要求;

拌合用水:自來水;

粉煤灰:Ⅱ級(jí)粉煤灰，洛陽首龍集團(tuán)生產(chǎn);

減水劑:EAST－SAF－IV緩凝高效減水劑，河南銀州新型建材廠生產(chǎn)。

取相同配合比制作普通混凝土試件和機(jī)制砂混凝土試件(機(jī)制砂替代率100%)。試件尺寸為100 mm立方體，配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比(kg)

按照混凝土制作規(guī)程制作成型后，試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，在相同的條件下養(yǎng)護(hù)28天取出，放置兩周后進(jìn)行高溫試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)，觀察試件高溫作用后外觀的變化并記錄分析高溫后的力學(xué)性能，對(duì)比機(jī)制砂混凝土和普通混凝土試件高溫后力學(xué)性能變化趨勢(shì)。

3 試驗(yàn)方法

對(duì)試件分組如表2所示，分別進(jìn)行高溫前后的力學(xué)性能試驗(yàn)。試塊靜置兩周，使其水分得以揮發(fā)，再進(jìn)行高溫試驗(yàn)。高溫作用后受損傷混凝土的真實(shí)力學(xué)強(qiáng)度，應(yīng)為混凝土內(nèi)部均勻受熱后的殘余力學(xué)強(qiáng)度。因此應(yīng)使混凝土受熱均勻，內(nèi)外無溫度梯度。根據(jù)對(duì)混凝土試塊恒溫受熱的內(nèi)部溫度測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)恒溫時(shí)間為6h［4］，以確保試塊內(nèi)外溫度達(dá)到一致。

表2 混凝土試件分組

混凝土試件的高溫加熱利用研制的KSL－30－12YSM雙門快速高溫爐，采用硅碳棒加熱方式。升溫速率采用10℃/min，以避免快速升溫造成混凝土的爆裂損傷。分別將試塊加熱至300℃、500℃和700℃，并恒溫6h后，使試塊自然冷卻。然后按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT50081－ 2002進(jìn)行混凝土試塊的力學(xué)性能試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 高溫后試件外觀變化

不同受熱溫度后機(jī)制砂混凝土試件表觀如圖1和表3所示。常溫下的天然砂混凝土試塊與機(jī)制砂混凝土試塊表面均平整光滑，呈深灰色。經(jīng)歷300℃高溫作用后，天然砂混凝土試塊與機(jī)制砂混凝土試塊表面顏色均無明顯變化，但機(jī)制砂混凝土試塊表面出現(xiàn)數(shù)目較少的細(xì)裂紋，而天然砂混凝土試塊表面裂紋則較多且裂紋寬度較大。500℃高溫后兩者表面顏色均有顯著變化，表面裂紋均增多，機(jī)制砂混凝土試塊裂紋集中在邊角，中心處裂紋少;而天然砂混凝土試塊表面裂紋分布較均勻，同時(shí)機(jī)制砂混凝土試塊與天然砂混凝土試塊體積均產(chǎn)生了較小的膨脹疏松現(xiàn)象。700℃高溫后，試塊表面均變?yōu)榛野咨?，邊角開裂形成較寬裂縫且有掉皮現(xiàn)象出現(xiàn)，機(jī)制砂混凝土試塊表面裂紋細(xì)小但數(shù)量繁多，天然砂混凝土試塊裂紋則較寬，有些裂紋貫通形成了一定深度和寬度的裂縫。機(jī)制砂混凝土與天然砂混凝土骨料膨脹造成的星形裂紋明顯，疏松嚴(yán)重。

表3 機(jī)制砂混凝土經(jīng)不同高溫后表面特征

圖1 不同受熱溫度后機(jī)制砂混凝土試件表觀

4.2 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

高溫后混凝土材料內(nèi)部會(huì)發(fā)生不同程度的損傷，混凝土抗壓強(qiáng)度也會(huì)有所降低［5］。表4為不同溫度后混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

從破壞形態(tài)上看，隨著壓力的增大，各試塊出現(xiàn)裂縫的時(shí)間和裂縫形式不盡相同。機(jī)制砂混凝土破壞面角錐形態(tài)不如普通混凝土明顯，在受熱溫度較低時(shí)，呈短柱破壞形態(tài)，初步認(rèn)為是石粉的存在加強(qiáng)了機(jī)制砂混凝土內(nèi)部的粘聚力，且減弱了試驗(yàn)機(jī)加壓板對(duì)機(jī)制砂混凝土的約束作用。

(1)常溫狀況下，加載初期，試塊表面沒有裂縫出現(xiàn)，直到加載值很大快要接近極限破壞值時(shí)，裂縫迅速貫通，承載力急劇下降，試件突然破壞，且伴有很大的響聲，在破壞前變形不大，沒有預(yù)兆，屬脆性破壞。

圖2 不同高溫后試塊受壓破壞形態(tài)

(2)加熱至300℃和500℃的試塊，隨著荷載的增加，有細(xì)裂紋沿試塊縱向發(fā)展，并且裂紋不斷發(fā)展，試塊橫向稍有膨脹，最后裂紋貫通整個(gè)試件，承載力達(dá)到最高，試件破壞。此時(shí)破壞方式仍是縱向短柱型破壞。

(3)受700℃高溫作用的混凝土試塊，裂縫在加載初期就開始沿試塊縱向、橫向發(fā)展，溫度裂縫(高溫所致的微裂紋)在荷載作用下寬度急劇增大，且由試塊表面向內(nèi)部貫穿，試塊橫向變形明顯。當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，混凝土試塊邊界破壞，這時(shí)試塊承壓面減小，試塊還能承受一定的荷載，應(yīng)變的增長大大超過應(yīng)力的增長，試塊裂縫交錯(cuò)，最終出現(xiàn)不適合繼續(xù)承載的大變形，試塊破壞。觀察破壞后的試塊發(fā)現(xiàn)，骨料本身也已經(jīng)出現(xiàn)了破壞。

表4 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(MPa)

圖3 不同高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度

4.3 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，因此拉應(yīng)力的大小是決定結(jié)構(gòu)開裂的關(guān)鍵，高溫作用后，混凝土內(nèi)形成了不均勻的溫度場，混凝土材料受熱膨脹，使得拉應(yīng)力分布不均，造成構(gòu)件裂縫增大增多，直接導(dǎo)致混凝土高溫后強(qiáng)度下降［6］。表5為不同溫度后混凝土立方體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 不同高溫后混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

表5 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(MPa)

5 結(jié)論

(1)常溫下，相同配合比的機(jī)制砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度比天然砂混凝土稍高。

(2)高溫后機(jī)制砂混凝土與天然砂混凝土抗壓強(qiáng)度均有不同程度下降，所受溫度越高，下降幅度越大。機(jī)制砂混凝土在300℃、500℃高溫后抗壓強(qiáng)度降低很快，折減程度大于天然砂混凝土，700℃高溫后強(qiáng)度損失基本與天然砂混凝土相一致;可見機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度受溫度影響更為明顯。

(3)機(jī)制砂混凝土同天然砂混凝土相似，隨著經(jīng)歷溫度的提高，殘余劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì);機(jī)制砂混凝土隨受熱溫度的提高，劈裂抗拉強(qiáng)度衰減程度較天然砂混凝土大，即機(jī)制砂混凝土高溫后的殘余劈裂抗拉性能劣于天然砂混凝土。

［1］機(jī)制砂在建筑砂漿、普通混凝土及高性能混凝土中的應(yīng)用研究［M］.河南省建筑科學(xué)研究院，2012.

［2］呂劍鋒，郭向勇，李章建.機(jī)制砂C60高強(qiáng)混凝土耐火性能及其改善措施的研究［J］.建筑發(fā)展導(dǎo)向，2007(5):39－43.

［3］陳正發(fā)，劉桂鳳，徐建民.機(jī)制砂混凝土在高溫后的強(qiáng)度和耐久性研究［J］.混凝土，2011(10):46－48.

［4］過鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計(jì)算［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［5］任紅梅.肖建莊.我國混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.混凝土，2004(11):15－21.

［6］劉永軍，李宏男.建筑結(jié)構(gòu)抗火性能研究回顧及展望［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào).2006(06):219－226.

Experimental Study on the Mechanics Performances of the Concrete with Manufactured Sand after High Temperature

ZHANG Yan1，HAN Yang1，GONG Cun－rui1，LIU Shu－guang2
(1.Henan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450052，China; 2.Zhengzhou Architectural Design Institute，Zhengzhou，Henan 450052，China)

In recent years，due to the lack of natural sand resources，the manufactured sand is widely used as an alternative material of it.This paper analyzes the effects of high temperature on the compressive strength and splitting tensile strength of the concrete with manufactured sand by the mechanical tests after high temperature.The results indicate that:similar to the high temperature performances of concrete with natural sand，residual mechanical strength of manufactured sand concrete drift down as the concrete samples experienced increases in temperature.And at the same proportion condition，concrete with manufactured sand has a slightly higher residual strength.

manufactured sand;concrete;high temperature;compressive strength;splitting tensile strength

TU528

:A

:1009－3842(2012)04－0001－04

2012－06－07

國家自然科學(xué)基金(50678060)

張彥(1985－)，女，黑龍江鶴崗人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)防災(zāi)方面的研究。E－mail:zy13633716355@126.com