摻粉煤灰沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究*

孫晨，秦?fù)碥?，馬龍飛，潘昌遠(yuǎn)，喬恒煊

（1. 新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)建筑科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處在迅猛發(fā)展階段，大量基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的建設(shè)必然需要大量的混凝土材料，作為制作混凝土所需要的細(xì)骨料——天然砂也必將得到大量的使用，建筑工程用砂資源短缺的矛盾日益突出。天然砂不僅有限，且開采成本較高，尤其是在表層砂石逐步枯竭的當(dāng)下，要想獲取天然砂石就必須進(jìn)行深度的開掘，不僅增加了生產(chǎn)投資成本，而且還對(duì)周邊環(huán)境造成極大的危害。過(guò)度開采河砂對(duì)環(huán)境造成的影響已十分惡劣，包括河床整體下切、破壞河水流域生態(tài)環(huán)境、壩體基礎(chǔ)坍塌和洪水等[1]。此外，大量開采河砂也會(huì)破壞基礎(chǔ)設(shè)施（路基坍塌、橋梁基礎(chǔ)侵蝕等）、使沿海生態(tài)系統(tǒng)失穩(wěn)以及對(duì)旅游考古遺址存在的潛在破壞等[2]。

新疆有豐富的沙漠砂資源，其沙漠總面積為 35.156萬(wàn)平方公里。沙漠砂資源的挖掘潛力非常大，如果沙漠砂能夠取代或部分取代建筑工程用砂應(yīng)用于土建工程中，則對(duì)自然資源、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展等方面具有較大的影響。同時(shí)，沙漠砂替代天然砂對(duì)新疆地區(qū)荒漠化治理也起到一定的積極作用。

由于沙漠砂級(jí)配差，并且砂的顆粒比普通砂更細(xì)，因此為了更好地利用沙漠資源，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沙漠砂也做了一定的研究，國(guó)外的一些學(xué)者配制出高強(qiáng)度的混凝土[3-6]。我國(guó)的一些學(xué)者如郭威[7]等做了密實(shí)度試驗(yàn)、李志強(qiáng)[8]等做了不同沙漠砂取代率下的抗壓強(qiáng)度的影響試驗(yàn)、孫帥[9]等做了高溫下劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)。本文采用塔克拉瑪干沙漠地區(qū)沙漠砂，研究在不同水膠比、沙漠砂取代率和不同粉煤灰摻量下對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

（1）水泥：新疆烏魯木齊天山水泥廠生產(chǎn)的天山牌 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分見(jiàn)表 1。

（2）摻合料：粉煤灰來(lái)自于新疆烏魯木齊市的紅雁池發(fā)電廠，化學(xué)成分見(jiàn)表 1。

表1 膠凝材料化學(xué)成分 %

（3）粗骨料：新疆地區(qū)的卵石，粒徑在 5～20mm之間，級(jí)配連續(xù)，石子的體積密度為 2700kg/m3。

（4）細(xì)骨料：新疆地區(qū)的水洗中粗砂，細(xì)度模數(shù)為 2.97，表觀密度 2487.5kg/m3。

（5）沙漠砂：取自塔克拉瑪干沙漠，為新疆巴州輪臺(tái)縣塔河油田沙漠公路 62 公里處背風(fēng)浮砂，平均粒徑 0.963mm，細(xì)度模數(shù)為 0.855，相關(guān)化學(xué)成分如表 2所示。

表2 中粗砂及沙漠砂主要化學(xué)成分 %

表3 沙漠砂混凝土各材料用料表

（6）外加劑：取自烏魯木齊市南山的混凝土攪拌站的減水劑母液（聚羧酸系），減水率為 25%～30%。

（7）水：澆筑及養(yǎng)護(hù)用水均為烏魯木齊市自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及試件制作

試驗(yàn)采用正交的試驗(yàn)方法，取水膠比（A）、沙漠砂取代率（B）、粉煤灰摻量（C）為試驗(yàn)三個(gè)影響因素，每個(gè)因素下又考慮四個(gè)水平。由于沙漠砂吸水率較大，造成混凝土流動(dòng)性降低，因此采用增大砂率的方法來(lái)提高混凝土的流動(dòng)性，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，選取砂率為 35%。膠凝材料的 0.6% 為減水劑的用量。選取 L16(43)，材料的用量表如表 3 所示。試件為邊長(zhǎng)150mm 的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。經(jīng) 24 小時(shí)后進(jìn)行脫模，在(20±2)℃ 的溫度以及相對(duì)濕度為 (97±1)% 的條件下對(duì)試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，隨后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)選擇 YAW-3000 型力試驗(yàn)機(jī)，最大的量程是 3000kN，加載速率為 0.6MPa/s，試驗(yàn)裝置如圖 1 所示。試驗(yàn)測(cè)試根據(jù)國(guó)家目前相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)分別測(cè) 3d、7d 和 28d 的抗壓強(qiáng)度值。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在剛加荷載時(shí)，表面并沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，但荷載逐漸增大后，邊緣的部位開始出現(xiàn)裂縫，并且當(dāng)荷載持續(xù)增大時(shí)，裂縫開始延伸開展且其寬度也漸漸變大，最后在試件表面貫通，繼而試件被壓壞，期間伴隨著較大的聲響，其破壞后的界面如圖 2 所示。由圖 2 可以看出，抗壓破壞的形式主要為粗骨料與水泥砂漿之間的界面過(guò)渡區(qū)發(fā)生的破壞。

圖1 試驗(yàn)裝置

圖2 破壞后圖片

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表 4 所示。

表4 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 和易性因素指標(biāo)極差分析

現(xiàn)從流動(dòng)性、保水性、粘聚性三個(gè)方面對(duì)沙漠砂混凝土工作性能進(jìn)行量化分析。先對(duì)保水性和粘聚性進(jìn)行賦值（好=5、較好=4、一般=3、較差=2、差=1）量化，而坍落度值是流動(dòng)性體現(xiàn)的一個(gè)范圍區(qū)間，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)其和易性的量化值進(jìn)行極差分析，詳見(jiàn)表 5。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知影響坍落度因素排序?yàn)椋悍勖夯覔搅?C＞水膠比 A＞沙漠砂取代率 B；影響粘聚性因素排序?yàn)椋荷衬叭〈?B＞水膠比 A＞粉煤灰摻量 C；影響保水性因素排序?yàn)椋核z比 A=粉煤灰摻量 C＞沙漠砂替代率 B。

表5 和易性因素指標(biāo)極差分析表

3.2 抗壓強(qiáng)度極差分析

通過(guò)對(duì) 3d、7d 和 28d 齡期下抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表 6。根據(jù)表 6 結(jié)果分析，影響 7d 和 28d混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度因素程度排序均為：水膠比 A＞粉煤灰摻量 C＞沙漠砂替代率 B；影響 3d 沙漠砂混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度因素程度排序均為：沙漠砂替代率 B＞水膠比 A＞粉煤灰摻量 C。

3.3 抗壓強(qiáng)度方差分析

抗壓強(qiáng)度方差分析表如表 7 所示。從表中可以看出水膠比對(duì)沙漠砂混凝土 7d、28d 強(qiáng)度值影響十分顯著，對(duì)其 3d 強(qiáng)度影響較顯著；粉煤灰摻量對(duì) 28d 強(qiáng)度影響十分顯著，對(duì) 7d 強(qiáng)度影響較為顯著，對(duì) 3d 強(qiáng)度影響不顯著；沙漠砂替代率對(duì)其 3d 強(qiáng)度影響十分顯著，對(duì)28d 影響為一般顯著，對(duì) 7d 影響為不顯著。

3.4 最優(yōu)配合比確定

綜合各因素對(duì)不同齡期塔克拉瑪干沙漠砂混凝土抗壓強(qiáng)度以及工作性分析：A 因素對(duì)其抗壓強(qiáng)度、和易性指標(biāo)為主要因素，通過(guò)表 4 與可以看出當(dāng) A 因素取 A1時(shí)，其抗壓強(qiáng)度、和易性均達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，故建議水膠比取為 A1；當(dāng) B 因素取 B2 時(shí)，沙漠砂混凝土的和易性均得到了良好的改善，且提高了其 28d 抗壓強(qiáng)度，故建議沙漠砂摻量取值為 B2；當(dāng) C 因素取值為 C2 時(shí)，其坍落度、保水性、粘聚性處于較好狀態(tài)，且各齡期抗壓強(qiáng)度也比較高，故此處建議粉煤灰摻量為 C2，即10% 粉煤灰摻量。

表6 抗壓強(qiáng)度極差分析表

表7 抗壓強(qiáng)度方差分析表

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)塔克拉瑪干沙漠砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)分析,可以得到以下結(jié)論：

（1）由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大而減小、隨著沙漠砂取代率的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)、隨著粉煤灰摻量的增加整體呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。

（2）由極差分析可知影響 7d 和 28d 沙漠砂混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度因素程度排序均為：水膠比 A＞粉煤灰摻量 C＞沙漠砂替代率 B；影響 3d 沙漠砂混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度因素程度排序?yàn)椋荷衬疤娲?B＞水膠比A＞粉煤灰摻量 C；影響坍落度因素排序?yàn)椋悍勖夯覔搅?C＞水膠比 A＞沙漠砂取代率 B；影響粘聚性因素排序?yàn)椋荷衬叭〈?B＞水膠比 A＞粉煤灰摻量 C；影響保水性因素排序?yàn)椋核z比 A=粉煤灰摻量 C＞沙漠砂替代率 B。

（3）綜合分析后可以得出最佳配合比為A1B2C2，即水膠比為 0.35、沙漠砂取代率為 20%、粉煤灰摻量為 10%。