高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土力學(xué)性能研究

田 帥，劉海峰，宋建夏

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

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷加速，高層建筑物越來越多，而且高度不斷增加，同時，新型建筑材料在高層建筑物中也得到廣泛應(yīng)用，這些均增加建筑物發(fā)生火災(zāi)的概率。目前，火災(zāi)已成為發(fā)生概率最大，造成損失最嚴(yán)重的一種災(zāi)害［1］。高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，造成大量的人員和財產(chǎn)損失。因此，對高強(qiáng)混凝土高溫后的力學(xué)性能進(jìn)行研究是非常必要的。

我國工程用砂儲量有限，經(jīng)過大量基礎(chǔ)工程建設(shè)后，中、粗砂資源已經(jīng)不能滿足當(dāng)今工程建設(shè)需要，在寧夏等西北地區(qū)存在大量沙漠砂資源，為了能夠充分利用當(dāng)?shù)氐纳衬百Y源，降低建設(shè)工程成本，利用當(dāng)?shù)刎S富的沙漠砂資源配制適合工程應(yīng)用的沙漠砂混凝土是非常必要的［2］。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對高強(qiáng)混凝土高溫后的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究［1-4］，對沙漠砂混凝土及高強(qiáng)沙漠砂混凝土的力學(xué)性能也進(jìn)行了許多研究［5-8］，但目前還沒有相關(guān)文獻(xiàn)對高強(qiáng)沙漠砂混凝土高溫后的力學(xué)性能進(jìn)行研究，本文通過設(shè)計正交試驗，利用自然冷卻方式，研究水膠比，粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對室溫、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和900 ℃六個溫度后高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，觀察高溫后沙漠砂高強(qiáng)混凝土試件的外觀顏色變化，測量其質(zhì)量變化，為高強(qiáng)沙漠砂混凝土的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 實驗材料

1.1 水泥

實驗采用寧夏賽馬廠生產(chǎn)的P.O42.5R 普通硅酸鹽早強(qiáng)水泥，其性能指標(biāo):水泥細(xì)度為4.7%，初凝時間135 min，終凝時間174 min，經(jīng)測定其3 d 和28 d 抗折強(qiáng)度為6.6 MPa 和8.7 MPa，3 d 和28 d 抗壓強(qiáng)度為33.4 MPa 和54.8 MPa。

1.2 細(xì)骨料

1.2.1 沙漠砂

實驗采用寧夏鹽池毛烏素沙地特細(xì)砂，其物理性能指標(biāo)和化學(xué)組成成分如表1 和表2 所示。

表1 沙漠砂物理性能指標(biāo)Tab.1 Physical performance index of Mu Us desert sand

表2 毛烏素沙漠砂化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of Mu Us desert sand

1.2.2 中砂

中砂是產(chǎn)自寧夏鎮(zhèn)北堡的人工水洗砂，孔隙率41.9%，含泥量0.6%，細(xì)度模數(shù)2.95。

1.3 粗骨料

粗骨料是產(chǎn)自寧夏鎮(zhèn)北堡的機(jī)械碎石，其物理性能指標(biāo)如表3 所示。

表3 天然粗骨料物理性能指標(biāo)Tab.3 Physical performance index of natural coarse aggregate

1.4 粉煤灰

粉煤灰是寧夏大壩電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，其物理性能指標(biāo)如表4 所示。

表4 粉煤灰物理性能指標(biāo)Tab.4 Physical performance index of fly ash

1.5 減水劑

實驗采用北京幕湖外加劑有限公司生產(chǎn)的粉末狀聚羧酸系高性能減水劑，減水率達(dá)到25%～30%以上。

1.6 水

實驗中拌合物用水及養(yǎng)護(hù)用水均為自來水。

2 實驗方案設(shè)計

混凝土強(qiáng)度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值為C60，為了減少試驗次數(shù)，采用3 因素3 水平正交試驗，正交試驗方案如表5 所示，砂率選用35%，減水劑用量為膠凝材料的0.3%。

表5 正交試驗方案表L9(34)Tab.5 Orthogonal experiment table L9(34)

試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試件拆模后放置在溫度控制在(20±2)℃，濕度控制在95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行高強(qiáng)沙漠砂混凝土的高溫試驗。制備試件時，正交各組在每一溫度等級下制備5 塊試件。

試驗采用的升溫設(shè)備是洛陽華旭利爾電爐有限公司生產(chǎn)的CSL-26-17 型高溫爐。高溫試驗采用200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃和900 ℃五個溫度等級，圖1 為各試件的升溫曲線，T0為設(shè)定溫度，T0=10 t0，t1-t0=1 h。升溫速率選用10 ℃/min，待溫度升至設(shè)定溫度后，恒溫1 h 后切斷高溫爐電源，打開爐門，用夾具將試件取出，采取自然冷卻方式對試件進(jìn)行冷卻。靜置24 h后對試件進(jìn)行外觀特征觀察，質(zhì)量變化和抗壓強(qiáng)度測試。為了進(jìn)行比較，進(jìn)行了室溫條件下高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度試驗。圖2 為ZJ-2 組試件在不同高溫后3 次測得的應(yīng)力應(yīng)變曲線?？箟簭?qiáng)度試驗結(jié)果如表6。

圖1 各試件的升溫曲線Fig.1 Heating curve of all specimens

圖2 ZJ－2 組試件高溫后應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of ZJ-2 specimen after different high temperature

表6 正交試驗結(jié)果Tab.6 Results of orthogonal experiment

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 試件外觀

試件經(jīng)高溫后，其外觀發(fā)生了不同程度的變化，如圖3 所示。通過對高溫后的試件進(jìn)行觀察研究，總結(jié)其外觀特征如表7。

圖3 ZJ－2 組高溫后試件Fig.3 Specimens of ZJ-2 group after high temperature

表7 試件外觀特征Tab.7 Surface characteristics of the specimens

3.2 質(zhì)量損失

試件經(jīng)過自然冷卻后靜置24 h，測試其質(zhì)量，取其平均值作為該組試件的平均質(zhì)量，高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土試件的質(zhì)量損失率如表8 和圖4 所示。

表8 高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土質(zhì)量損失Tab.8 Mass loss of high strength desert sand concrete after high temperature %

由表8 和圖4 可知，與室溫下試件質(zhì)量相比，高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土試件都有不同程度質(zhì)量損失。這是由于經(jīng)過高溫后，高強(qiáng)沙漠砂混凝土內(nèi)部發(fā)生了水分蒸發(fā)、C-S-H 凝膠脫水分解，Ca(OH)2和CaCO3發(fā)生化學(xué)分解等現(xiàn)象［9-12］。經(jīng)過自然冷卻后，各組試件的質(zhì)量損失隨著溫度的升高而逐漸增大，質(zhì)量損失率呈現(xiàn)遞增趨勢。

3.3 抗壓強(qiáng)度

3.3.1 抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的關(guān)系曲線如圖5 所示。由圖5 可知，與室溫下高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度相比，經(jīng)過200 ℃高溫后，各組高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度均有所降低;400 ℃高溫后，混凝土試件抗壓強(qiáng)度有所升高，其抗壓強(qiáng)度已高于室溫(20 ℃左右)下高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度;600 ℃后，隨著溫度升高，各組高強(qiáng)沙漠砂混凝土試件抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

圖4 高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土質(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate of high strength desert sand concrete after high temperature

圖5 高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.5 Relation between the compressive strength of high strength desert sand concrete and temperature

3.3.2 極差分析

對試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表9 和圖6 ～11 所示。

表9 實驗結(jié)果極差分析Tab.9 Range analysis of experimental results

由表9 和圖6 ～11 可以看出，對于高強(qiáng)沙漠砂混凝土室溫下抗壓強(qiáng)度，水膠比A 對沙漠砂高強(qiáng)混凝土室溫下抗壓強(qiáng)度影響最大，粉煤灰摻量B 次之，沙漠砂替代率C 最小，其最優(yōu)配合比為:A1B1C2;對于高強(qiáng)沙漠砂混凝土200 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度，水膠比A 對200 ℃高溫后沙漠砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大，沙漠砂替代率C 次之，粉煤灰摻量B 最小，其最優(yōu)配合比為:A1B1C2;對于高強(qiáng)沙漠砂混凝土400 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度，水膠比A 對400 ℃高溫后沙漠砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大，沙漠砂替代率C 次之，粉煤灰摻量B 最小，其最優(yōu)配合比為:A1B2C1;對于高強(qiáng)沙漠砂混凝土600 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度，粉煤灰摻量B 對600 ℃高溫后沙漠砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大，水膠比A 次之，沙漠砂替代率C最小，其最優(yōu)配合比為:A1B1C1;對于高強(qiáng)沙漠砂混凝土800 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度，沙漠砂替代率C 對800 ℃高溫后沙漠砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大，粉煤灰摻量B 次之，水膠比A 最小，其最優(yōu)配合比為:A1B2C2;對于900 ℃高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度，沙漠砂替代率C 對900 ℃高溫后沙漠砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大，水膠比A 次之，粉煤灰摻量B 最小，其最優(yōu)配合比為:A3B2C3。

圖6 各因素對高強(qiáng)沙漠砂混凝土室溫下抗壓強(qiáng)度影響Fig.6 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after room temperature

圖7 各因素對高強(qiáng)沙漠砂混凝土200 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響Fig.7 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 200 ℃

圖8 各因素對高強(qiáng)沙漠砂混凝土400 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響Fig.8 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 400 ℃

圖9 各因素對高強(qiáng)沙漠砂混凝土600 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響Fig.9 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 600 ℃

圖10 各因素對高強(qiáng)沙漠砂混凝土800 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響Fig.10 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 800 ℃

圖11 各因素對高強(qiáng)沙漠砂混凝土900 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響Fig.11 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 900 ℃

3.3.3 方差分析

對正交試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，實驗采用4 因素3 水平L9(34)正交實驗，含空白列，采用重復(fù)實驗的方法對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表10。

表10 正交試驗方差分析Tab.10 Variance analysis of orthogonal test

由表10 可知，水膠比和粉煤灰摻量對沙漠砂高強(qiáng)混凝土室溫下抗壓強(qiáng)度影響高度顯著，沙漠砂替代率對高強(qiáng)沙漠砂混凝土室溫下抗壓強(qiáng)度影響不顯著;粉煤灰摻量、水膠比和沙漠砂替代率對高強(qiáng)沙漠砂混凝土200 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響高度顯著;水膠比對高強(qiáng)沙漠砂混凝土400 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響高度顯著，粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對高強(qiáng)沙漠砂混凝土400 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響不顯著;粉煤灰摻量對高強(qiáng)沙漠砂混凝土600 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響高度顯著，沙漠砂替代率和水膠比對高強(qiáng)沙漠砂混凝土600 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響不顯著;沙漠砂替代率對高強(qiáng)沙漠砂混凝土800 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響高度顯著，粉煤灰摻量和水膠比對高強(qiáng)沙漠砂混凝土800 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響不顯著;水膠比、沙漠砂替代率和粉煤灰摻量對高強(qiáng)沙漠砂混凝土900 ℃高溫后抗壓強(qiáng)度影響均不顯著。

3.4 最優(yōu)配合比

本次正交實驗考察多個溫度下水膠比、粉煤灰摻量、沙漠砂替代率對高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，各個溫度下的最優(yōu)組如表11 所示。

表11 不同溫度下高強(qiáng)沙漠砂混凝土的最優(yōu)配合比Tab.11 Optimal mixture ratio of desert sand concrete with different temperature

由于高強(qiáng)沙漠砂混凝土試件在經(jīng)過800 ℃和900 ℃高溫后爆裂較多，實驗數(shù)據(jù)離散性較大，在確定高強(qiáng)沙漠砂混凝土的最優(yōu)配合比時不予考慮。由表11 可知，因素A 的最好水平為A1;由表10 可知，粉煤灰摻量對400 ℃高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不顯著，結(jié)合表11，因素B 的最好水平為B1;由表10 可知，沙漠砂替代率對400 ℃和600 ℃高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響均不顯著，以能合理利用沙漠砂資源并滿足強(qiáng)度要求為原則取因素C 的最好水平為C2，故最優(yōu)方案確定為A1B1C2。

4 結(jié) 語

本文保持砂率35%不變，通過設(shè)計正交試驗，分析水膠比、粉煤灰摻量和沙漠砂替代率對室溫、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和900 ℃高溫后沙漠砂高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，通過極差分析和方差分析確定了沙漠砂高強(qiáng)混凝土的最佳組合。綜合考慮室溫、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和900 ℃高溫后高強(qiáng)沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度，高強(qiáng)沙漠砂混凝土的最佳組合為水膠比0.28、粉煤灰摻量10%、沙漠砂取代率30%，為沙漠砂在工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)和借鑒。

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