粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土力學(xué)性能影響

付 杰，馬菊榮，劉海峰

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川750021)

粉煤灰是在火力發(fā)電廠煙道中收集的粉末，是一種工業(yè)廢料，在堆積占地的同時(shí)帶來(lái)嚴(yán)重環(huán)境污染，但作為混凝土摻合料，在節(jié)約水泥熟料的同時(shí)粉煤灰顆粒能夠均勻分布到水泥漿體中，填充混凝土孔隙，從而增強(qiáng)混凝土密實(shí)度。研究表明，粉煤灰能減水和改善混凝土和易性，提高后期強(qiáng)度，對(duì)改善混凝土性能發(fā)揮著重要作用［1-2］，所以合理利用粉煤灰，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

我國(guó)是沙漠比較多的國(guó)家之一，隨著西部大開(kāi)發(fā)，中砂資源日漸匱乏，已不能滿(mǎn)足工程建設(shè)需要，如能利用沙漠砂替代中砂作為細(xì)骨料配制混凝土，不但節(jié)約中砂資源，還能合理利用沙漠砂資源，減少環(huán)境污染，有利于沙地地區(qū)和沙漠地區(qū)發(fā)展。因此，在這些地區(qū)探索利用沙漠砂替代建筑用砂配制混凝土是必要的。許多研究者對(duì)沙漠砂混凝土性能進(jìn)行了研究［3-13］。張國(guó)學(xué)等［6-8］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)沙漠砂可以配制應(yīng)用于一般土木工程的抹面砂漿和混凝土;陳美美等［9］、王彩波等［10］和宋建夏等［11］研究沙漠砂對(duì)混凝土力學(xué)性能影響;陳云龍等［12］通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出用沙漠砂配制高強(qiáng)混凝土是可行的，并給出沙漠砂高強(qiáng)混凝土最優(yōu)配合比;楊維武等［13］研究沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響。但針對(duì)粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土力學(xué)性能的影響目前還沒(méi)有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。

本文進(jìn)行不同粉煤灰摻量和沙漠砂替代率沙漠砂混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，分析粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度的影響，給出粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，為沙漠砂在工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥采用寧夏賽馬廠生產(chǎn)42.5R 普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)性能指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);粗骨料采用寧夏鎮(zhèn)北堡生產(chǎn)人工碎石，采用兩級(jí)配，小石粒徑為5 ～10 mm，大石粒徑為10 ～25 mm，組成比例為小石∶大石=2∶8;中砂采用鎮(zhèn)北堡人工水洗山砂，細(xì)度模數(shù)為2.95;沙漠砂取自毛烏素沙漠南緣寧夏鹽池縣，表觀密度2 624 kg/m3，空隙率40.95%，含泥量0.14%，細(xì)度模數(shù)0.194;粉煤灰采用寧夏大壩電廠生產(chǎn)Ⅰ級(jí)粉煤灰，含水率0.2%，燒失量2.8%;減水劑采用北京幕湖外加劑有限公司生產(chǎn)高性能減水劑，減水率高達(dá)25%～30%以上;實(shí)驗(yàn)用水采用當(dāng)?shù)仫嬘盟?/p>

2 實(shí)驗(yàn)方案

混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值為C45，選定水膠比0.34，砂率30%，水泥用量和膠凝材料總量為560 kg/m3，減水劑添加量占總膠凝材料的0.3%，以0、10%、15%粉煤灰等量替代水泥，在同一粉煤灰摻量下，用沙漠砂替代率為0、20%、30%、40%、60%、80%和100%沙漠砂替代中砂，制作沙漠砂混凝土試件。試件成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試件經(jīng)機(jī)械攪拌后在振動(dòng)臺(tái)上振搗成型，24 h 后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行28 d 抗壓強(qiáng)度和28 d 劈裂拉伸強(qiáng)度測(cè)試。

3 結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

3.1.1 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

沙漠砂混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，每組抗壓強(qiáng)度3 個(gè)測(cè)試值相對(duì)于中間值的最大誤差均小于15%，表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性小，數(shù)據(jù)測(cè)試無(wú)異常，真實(shí)可靠，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表1 抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of compressive strength

3.1.2 沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表1 和圖1 可知，當(dāng)粉煤灰摻量為0 時(shí)，相對(duì)于普通中砂混凝土(沙漠砂替代率為0)抗壓強(qiáng)度，沙漠砂替代率為20%、30%、40%、60%、80%和100%時(shí)，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加4.9%、-1.2%、-2.5%、-6.4%、-7.1%和-11.0%;當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，對(duì)于普通中砂混凝土抗壓強(qiáng)度，沙漠砂替代率為20%、30%、40%、60%、80%和100%時(shí)，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加11.1%、3.0%、-5.2%、-10.7%、-13.2%和-15.1%;當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí)，相對(duì)于普通中砂混凝土抗壓強(qiáng)度，沙漠砂替代率為20%、30%、40%、60%、80%和100%時(shí)，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加0.7%、-1.0%、-1.4%、-1.7%、-11.0%和-12.1%。由此可以看出，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨著沙漠砂替代率的增加均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，沙漠砂替代率為20%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。這是由于中砂粒徑較大，沙漠砂粒徑較小，使混凝土內(nèi)部填充均勻，增加混凝土強(qiáng)度，但沙漠砂本身是由松散母巖風(fēng)化而成，自身強(qiáng)度略小于中砂，所以當(dāng)沙漠砂替代率較大時(shí)，隨著沙漠砂替代率增加，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

3.1.3 粉煤灰摻量對(duì)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表1 和圖2 可以看出，當(dāng)沙漠砂替代率為0 時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加12%和4.1%;當(dāng)沙漠砂替代率為20%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加18%和-0.7%;當(dāng)沙漠砂替代率為30%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加16.7%和4.2%;當(dāng)沙漠砂替代率為40%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加9.0%和5.2%;當(dāng)沙漠砂替代率為60%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加9.3%和6.8%;當(dāng)沙漠砂替代率為80%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土的抗壓強(qiáng)度分別增加4.7%和-0.3%;當(dāng)沙漠砂替代率為100%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加6.8%和2.8%，所以隨著粉煤灰摻量增加，沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度先增大后減小。粉煤灰摻量為10%沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度高于粉煤灰摻量為0 和粉煤灰摻量為15%沙漠砂混凝土。這是因?yàn)?，一是粉煤灰微?xì)顆粒能夠均勻分布在水泥漿體中，充分填充混凝土中空隙和毛細(xì)孔，增大密實(shí)度從而提高混凝土強(qiáng)度［14-15］;二是較大量摻入粉煤灰增加水化產(chǎn)物，使混凝土過(guò)于黏稠，導(dǎo)致流動(dòng)性下降，同時(shí)粉煤灰摻量大，水泥用量少，生成較高強(qiáng)度膠凝產(chǎn)物相對(duì)少，強(qiáng)度會(huì)降低。

圖1 沙漠砂替代率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.1 Relation between desert sand replacement ratio and compressive strength

圖2 粉煤灰摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.2 Relation between fly ash dosage and compressive strength

3.2 劈裂拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

3.2.1 劈裂拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各組試件28 d 劈裂拉伸強(qiáng)度、平均劈裂拉伸強(qiáng)度和最大誤差如表2 所示，各組數(shù)據(jù)測(cè)試值無(wú)異常，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.2.2 沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度的影響

由表2 和圖3 可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量為0 時(shí)，相對(duì)于普通中砂混凝土(沙漠砂替代率為0)劈裂拉伸強(qiáng)度，沙漠砂替代率為20%、30%、40%、60%、80%和100%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為6.2%、-9.5%、-15.7%、-22.3%、-28.3%和-32.5%;當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，相對(duì)于普通中砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度，沙漠砂替代率為20%、30%、40%、60%、80%和100%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度分別增加7.9%、-2.6%、-4.0%、-10.5%、-16.4%和-20.9%;當(dāng)粉煤灰摻量為15%時(shí)，相對(duì)于普通中砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度，沙漠砂替代率為20%、30%、40%、60%、80%和100%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度分別增加5.9%、-0.6%、-2.7%、-3.4%、-16.2%和-24.4%。由此可以看出，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度隨沙漠砂替代率增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，沙漠砂替代率為20%時(shí)劈裂拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。

3.2.3 粉煤灰摻量對(duì)沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度的影響

由表2 和圖4 可知，當(dāng)沙漠砂替代率為0 時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度分別增加17.6%和13.0%;當(dāng)沙漠砂替代率為20%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度分別增加19.5%和12.8%;當(dāng)沙漠砂替代率為30%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度分別增加26.5%和24.1%;當(dāng)沙漠砂替代率為40%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度分別增加33.8%和30.4%;當(dāng)沙漠砂替代率為60%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度分別增加40.6%和35.5%;當(dāng)沙漠砂替代率為80%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度分別增加37.1%和32.1%;當(dāng)沙漠砂替代率為100%時(shí)，相對(duì)于粉煤灰摻量為0 的混凝土，粉煤灰摻量為10%和15%時(shí)，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度分別增加38.0%和26.8%。所以隨著粉煤灰摻量增加，沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度先增大后減小。粉煤灰摻量為10%沙漠砂混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度高于粉煤灰摻量為0 和粉煤灰摻量為15%沙漠砂混凝土。

表2 劈裂拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of splitting tensile strength

圖3 沙漠砂替代率與劈裂拉伸強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3 Relation between desert sand replacement ratio and splitting tensile strength

圖4 粉煤灰摻量與劈裂拉伸強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.4 Relation between fly ash dosage and splitting tensile strength

4 結(jié) 論

通過(guò)不同粉煤灰摻量和沙漠砂替代率沙漠砂混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，分析粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度影響，給出粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對(duì)沙漠砂混凝土力學(xué)性能影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著沙漠砂替代率增加，沙漠砂混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，沙漠砂替代率為20%時(shí)，沙漠砂混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度均達(dá)到最大值;隨著粉煤灰摻量增加，沙漠砂混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度先增大后減小，粉煤灰摻量為10%時(shí)，沙漠砂混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度均達(dá)到最大值，為沙漠砂在工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。

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