風(fēng)積砂混凝土強(qiáng)度及耐久性試驗(yàn)研究

劉旭軍, 魏平平, 李睿妮, 余 彥

(1.青海省機(jī)場(chǎng)建設(shè)指揮部,青海 海東 810000;2.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司,陜西 西安 710082)

0 引 言

在改革開(kāi)放之后,中國(guó)經(jīng)濟(jì)逐步騰飛,自此之后,混凝土需求量飛速增長(zhǎng)。制備混凝土的主要原料即水泥與砂,當(dāng)前混凝土中砂的主要來(lái)源是河砂與機(jī)制砂。河道采砂行為通常會(huì)污染水源、弱化濕地調(diào)節(jié)功能并間接影響水體生物多樣性等。近些年,隨著環(huán)保政策的落實(shí)與細(xì)化,多數(shù)地區(qū)已經(jīng)禁止開(kāi)采河砂。河砂減少后機(jī)制砂逐漸成為當(dāng)前制備混凝土材料的主力軍,一定程度上解決了河砂匱乏以及價(jià)格高昂的問(wèn)題。但機(jī)制砂通常也伴隨著許多環(huán)境問(wèn)題,在混凝土用料中級(jí)配較差,因此風(fēng)積砂逐漸走入大眾視野。

作為世界上沙漠覆蓋面積最大的國(guó)家之一,中國(guó)有著近80.89萬(wàn)km2沙漠面積,對(duì)于國(guó)土面積的占比約為8.43%,主要分布在西北、華北和東北的干旱、半干旱地區(qū)。國(guó)內(nèi)專家從工程中逐漸認(rèn)識(shí)到風(fēng)積砂材料的特殊性,通常對(duì)其進(jìn)行處理才能作為建筑結(jié)構(gòu)。[1,2]Khay等[3]在路面建設(shè)中引入撒哈拉沙漠風(fēng)積砂,擴(kuò)充了路用的混凝土材料。Zhang等[4]研究表明,可以用適量風(fēng)積砂代替河砂以達(dá)到技術(shù)需要滿足實(shí)際工程需求的混凝土配制方法。鄧焙元、劉清等[5]根據(jù)對(duì)風(fēng)積砂的物理及化學(xué)特性、風(fēng)積砂的基本力學(xué)性能和風(fēng)積砂混凝土微觀結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面的分析,對(duì)我國(guó)風(fēng)積砂混凝土的性能研究進(jìn)展做介紹,為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。韓霞、劉清等[6]利用風(fēng)積砂替代部分同等體積的天然河砂配制自密實(shí)混凝土,確定顆粒級(jí)配、風(fēng)積砂取代率、砂率、粉煤灰和水膠比作為影響因素,根據(jù)4類水平因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),對(duì)自密實(shí)混凝土立方體進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。鄭木蓮、王倩倩等[7]對(duì)新疆古爾班通古特、塔克拉瑪干等地區(qū)風(fēng)積砂的表面特性、微觀形貌、抗剪性能、孔隙性、粒度分布及元素組成進(jìn)行了深入研究,研究證明,風(fēng)積砂可以作為良好的建筑材料。李玉根、張慧梅等[8]針對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)風(fēng)積砂代替河砂配制風(fēng)積砂混凝土,從微觀角度研究其基本力學(xué)性能和影響機(jī)制,研究表明,適量風(fēng)積砂可以改善混凝土抗壓強(qiáng)度,機(jī)制主要對(duì)顆粒級(jí)配進(jìn)行了優(yōu)化,以及混凝土內(nèi)部的孔徑分布范圍和結(jié)構(gòu)的改善。武海榮、金偉良等[9-11]研究?jī)鋈谘h(huán)條件下環(huán)境參數(shù)變化對(duì)混凝土凍融損傷的影響規(guī)律,需求提出對(duì)現(xiàn)場(chǎng)凍融情況、現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下混凝土凍融損傷之間的關(guān)系、混凝土抗凍特性三方面的數(shù)量化需求。杜鵬、姚燕等[12]認(rèn)為凍融是造成混凝土損傷和劣化的最重要因素之一,混凝土在凍融損傷作用下的壽命預(yù)測(cè)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。

當(dāng)前,我國(guó)在風(fēng)積砂應(yīng)用方面的研究仍以內(nèi)蒙古、新疆地區(qū)為主,且實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)積砂集中運(yùn)用于路基工程,沒(méi)有大范圍應(yīng)用于工程建筑當(dāng)中,并且利用率較低,針對(duì)風(fēng)積砂混凝土的研究更是鳳毛麟角。本文所選取的研究對(duì)象沙漠砂來(lái)自榆林地區(qū)的毛烏素沙漠,對(duì)不同置換率、不同砂率混凝土進(jìn)行宏觀力學(xué)性能分析,并研究抗凍性能及規(guī)律。本文的研究成果可為實(shí)際工程中風(fēng)積砂混凝土的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 風(fēng)積沙混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)不同齡期下混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定,研究混凝土在不同置換率、凍融次數(shù)下的強(qiáng)度及劣化性能,研究成果為風(fēng)積砂混凝土的工程應(yīng)用提供一定參考意義。本文試驗(yàn)針對(duì)風(fēng)積砂混凝土,設(shè)置為2種不同的砂率(30%,35%),分別置換0%、15%、45%、100%的風(fēng)積砂,對(duì)其在不同齡期(3d、7d、14d、28d)時(shí)的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究,分析得出養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)風(fēng)積砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)8組,水膠比為0.40,砂率為30%(LA、LB、LC、LD)、35%(LE、LH、LJ、LK),風(fēng)積砂置換率分別為0%、15%、45%、100%,聚羧酸減水劑的摻量是膠凝材料的0.25%,本試驗(yàn)中水泥作為膠凝材料,減水劑摻入量即為水泥的0.25%,詳細(xì)置換率見(jiàn)表1。

表1 C30混凝土風(fēng)積砂置換率/(kg/m3)

根據(jù)以上配比制作試塊8組,每組試塊中1 000mm×1 000mm×1 000mm的試塊為15個(gè),留備用3塊。試件制作過(guò)程如圖1所示。

圖1 風(fēng)積砂混凝土抗壓試驗(yàn)過(guò)程

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

進(jìn)行抗壓試驗(yàn)的相關(guān)步驟,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同齡期風(fēng)積砂混凝土試樣抗壓強(qiáng)度

由表2所示,水膠比固定不變時(shí),不影響試塊抗壓強(qiáng)度隨置換率的提高呈現(xiàn)出先增后減趨勢(shì)砂率的變化,強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)關(guān)系;在同等條件下,隨著砂率的提高,混凝土強(qiáng)度有所提高,但增幅有限。前期抗壓強(qiáng)度的增速高于后期,主要因?yàn)轱L(fēng)積砂存在較大比表面積的情況,同體積下需水率大于基準(zhǔn)組,進(jìn)而在水膠比一定時(shí),加入風(fēng)積砂能夠減少水化時(shí)長(zhǎng),因此初期的抗壓強(qiáng)度較快,并于后期趨近平緩。

評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為抗壓強(qiáng)度時(shí),置換率在水膠比為0.4時(shí)的最優(yōu)比為35%,抗壓性能在風(fēng)積砂置換率45%時(shí)最好。

2 風(fēng)積砂混凝土凍融劣化試驗(yàn)

為研究?jī)鋈诃h(huán)境中混凝土試塊砂率、風(fēng)積砂置換率在不同條件下的損傷演化規(guī)律,分析得到分級(jí)置換率的合理區(qū)間,本文從質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模型三個(gè)角度對(duì)風(fēng)積砂混凝土凍融性能進(jìn)行分析,得到具有良好抗凍性能置換率的試塊。

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試塊置換率見(jiàn)前文,試凍后置換率在15%、45%時(shí)抗凍性較差,因此將10次凍融循環(huán)視為一級(jí)凍融循環(huán)終止條件一般為:①已達(dá)到300次循環(huán);②相對(duì)動(dòng)模量減小至60%以下質(zhì)量損失超過(guò)5%。

終止條件中相對(duì)動(dòng)彈性模量指達(dá)到規(guī)定循環(huán)凍融次數(shù)后,將試件取出并擦干表面水分涂抹凡士林,用非金屬超聲檢測(cè)儀測(cè)量?jī)鋈诤箫L(fēng)積砂混凝土的聲時(shí)。質(zhì)量損失即為質(zhì)量損失率,指凍融循環(huán)后質(zhì)量減少值和原值的比,抗壓強(qiáng)度同上。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)不同砂率和不同風(fēng)積砂置換率風(fēng)積砂混凝土凍融后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得到凍融次數(shù)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 風(fēng)積砂混凝土不同砂率凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

根據(jù)圖3,試塊在砂率一定時(shí),凍融次數(shù)逐漸增加抗壓強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì),但風(fēng)積砂置換率的不同遞減的趨勢(shì)也大相徑庭。不置換與45%以下置換的試塊伴隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加大致均呈斜向下直線遞減的趨勢(shì),且降低區(qū)間較小,但幅度很大。即所能承受凍融循環(huán)次數(shù)不多,故抗凍性較差。而完全置換后試塊的降低速率明顯降低,下降較為平緩,并且降低區(qū)間較大,達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)需要的時(shí)間明顯提升,即能夠承受多次凍融循環(huán),有較好的抗凍性。LA經(jīng)過(guò) 125次凍融循環(huán)時(shí),試塊抗壓強(qiáng)度減小了17%,LB、LC可承受次數(shù)更小,在55次循環(huán)時(shí),分別減小了12%、11%,而LD在200次循環(huán)時(shí)抗壓強(qiáng)度僅減小了4%,遠(yuǎn)低于破壞標(biāo)準(zhǔn)25%,LE循環(huán)150次后,抗壓強(qiáng)度降低了21%,LH、LJ在65次時(shí),依次降低了11%、13%,而LK經(jīng)歷凍融循環(huán)250次時(shí),僅減小了3%,遠(yuǎn)小于破壞標(biāo)準(zhǔn)25%。根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)可知,對(duì)其砂率進(jìn)行適當(dāng)提高能夠改善試塊的抗凍性,且在大置換率情況下,風(fēng)積砂的摻入能夠大幅提高其抗凍性能,但置換率低反會(huì)對(duì)抗凍性造成不良影響。原因?yàn)橐腼L(fēng)積砂會(huì)造成內(nèi)部孔隙數(shù)量增加,而孔隙所增加的面積與普通混凝土孔隙面積相比較小,即增加的多數(shù)為小孔隙數(shù)量。因此混凝土抵抗變形和受荷的有效斷面面積會(huì)變大,換言之,定量的風(fēng)積砂置換后會(huì)提高其抗壓強(qiáng)度。但此時(shí)處于大小孔并存狀態(tài),封閉小孔隙數(shù)量不能抵制內(nèi)部?jī)雒洃?yīng)力,抗凍性不足導(dǎo)致強(qiáng)度迅速降低。繪制風(fēng)積砂混凝土不同砂率凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 風(fēng)積砂混凝土不同砂率凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

根據(jù)圖3,砂率不變時(shí),隨凍融次數(shù)增加混凝土對(duì)測(cè)聲時(shí)有明顯增大趨勢(shì)。而增大區(qū)間并不一致,砂率30%的情況下,LB、LC由于增大區(qū)間較小,在經(jīng)歷凍融循環(huán)55次后達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)而基準(zhǔn)組LA達(dá)到破壞時(shí)經(jīng)歷了125次,若將河砂以風(fēng)積砂全部置換的LD組經(jīng)過(guò)200次循環(huán)后才達(dá)到破壞,局部摻入風(fēng)積砂的試塊與基準(zhǔn)組相比凍融性較差,而完全置換的試塊相較于基準(zhǔn)組性能較好。在35%砂率下,LH、LJ增大區(qū)間較小,達(dá)到破壞時(shí)經(jīng)過(guò)了65次,基準(zhǔn)組LE經(jīng)過(guò)150次后破壞,而完全置換組LK在250次循環(huán)時(shí)才破壞,與30%砂率的情況一致。據(jù)此現(xiàn)象可以得出,混凝土局部置換風(fēng)積砂會(huì)降低混凝土的抗凍性,若全部置換會(huì)大幅提高混凝土抗凍性,35%砂率的試塊抗凍性整體上會(huì)比30%砂率時(shí)的抗凍性好?？梢?jiàn)合理提高砂率,試塊的抗凍性會(huì)提高,原因是砂率的提高在一定程度減少了水泥用量,水泥中細(xì)骨料占比有了一定的提高。天然狀態(tài)下,風(fēng)積砂相較于河砂更為細(xì)膩、光滑,能夠降低粗細(xì)骨料間的摩擦,對(duì)于試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言可抵消部分應(yīng)力,此外,也可對(duì)粗骨料間的孔隙有更好的填充作用,使其擁有更加緊實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),因此有良好的抗凍性。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)不同砂率、不同風(fēng)積砂置換率混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和凍融劣化試驗(yàn),得到不同因素對(duì)風(fēng)積砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,具體如下:

(1) 風(fēng)積砂置換率對(duì)抗壓強(qiáng)度造成的影響為先增后減,原因是砂率過(guò)低時(shí),水泥漿體溢出嚴(yán)重,但風(fēng)積砂長(zhǎng)期遭受風(fēng)沙打磨吹蝕,摩擦力較小,能夠較好地和石子粘結(jié),填充更多空隙,提高其密實(shí)度。置換率過(guò)高時(shí),水泥漿體不足,無(wú)法減小摩阻力,流動(dòng)性降低,造成內(nèi)部產(chǎn)生空隙較多。河砂被完全置換時(shí),變相降低了粗骨料的使用量。評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為抗壓強(qiáng)度時(shí),置換率在水膠比為0.4時(shí)的最優(yōu)比為35%,抗壓性能在風(fēng)積砂置換率45%時(shí)最好。

(2) 在凍融環(huán)境下,伴隨凍融次數(shù)增加。試塊質(zhì)量、強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì),而混凝土測(cè)聲時(shí)呈增大趨勢(shì)。聲時(shí)曲線均為上升趨勢(shì),且在置換率45%以下,上升區(qū)間較小,抗凍性較差,完全置換河砂后,上升區(qū)間明顯擴(kuò)大,且抗凍性較好。砂率35%試塊各個(gè)指標(biāo)均優(yōu)于砂率30%的試塊,證明試塊砂率的合理性提高能夠改善試塊性能。