風(fēng)積沙混凝土收縮變形的試驗(yàn)研究

李根峰，申向東，吳俊臣，董　偉，薛慧君，劉　昱

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,呼和浩特　010018)

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風(fēng)積沙混凝土收縮變形的試驗(yàn)研究

李根峰，申向東，吳俊臣，董偉，薛慧君，劉昱

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,呼和浩特010018)

本文選取內(nèi)蒙古庫布齊沙漠的風(fēng)積沙進(jìn)行風(fēng)積沙混凝土的收縮變形試驗(yàn)研究。為了探討風(fēng)積沙摻量對(duì)混凝土收縮變形的影響，按照實(shí)驗(yàn)室配合比，將攪拌好的混凝土制成100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件。在自然養(yǎng)護(hù)條件下，采用非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定方法試驗(yàn)不同風(fēng)積沙摻量下3 d內(nèi)的收縮變形，同時(shí)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，得到表征風(fēng)積沙混凝土收縮變形規(guī)律的收縮率曲線。結(jié)果表明，隨著風(fēng)積沙摻量的增加，風(fēng)積沙混凝土的收縮變形逐漸增大。

風(fēng)積沙混凝土； 自然養(yǎng)護(hù)； 非接觸式； 收縮變形

1　引　言

風(fēng)積沙又名沙漠沙，是被風(fēng)吹，積淀的沙層。其在世界范圍內(nèi)儲(chǔ)量豐富，我國也是風(fēng)積沙分布比較多的國家之一[1]。目前國內(nèi)外對(duì)風(fēng)積沙的主要研究方向是：將風(fēng)積沙作為路基的壓實(shí)材料、風(fēng)積沙代替普通砂(機(jī)制砂)配置砂漿、混凝土及風(fēng)積沙混凝土耐久性方面[2]。如張生輝等利用圖表和回歸分析的方法研究風(fēng)積沙作為路基填料的靜力特性[3]；楊人鳳等進(jìn)行重型擊實(shí)等試驗(yàn)研究風(fēng)積沙的壓實(shí)機(jī)理及壓實(shí)特性[4]；陳忠達(dá)等探討了沙基的壓實(shí)機(jī)理，并提出了沙基干壓實(shí)方法[5]；張長民等通過調(diào)整配合比和摻入外加劑配制沙漠超細(xì)砂混凝土[6]；王宏堂等使用陜北沙漠沙配制C40及其以下混凝土[7]；陳志飛等利用非洲撒哈拉沙漠地區(qū)的沙漠砂與機(jī)制砂混合配置制作了C50混凝土T梁構(gòu)件[8]。

普通混凝土是指以水泥為膠凝材料，砂子和石子為骨料，經(jīng)加水?dāng)嚢琛仓尚汀⒛Y(jié)固化成具有一定強(qiáng)度的“人工石材”，而由風(fēng)積沙全部或部分替代普通砂(或機(jī)制砂)作為細(xì)骨料得到的具有一定強(qiáng)度的“人工石材”稱為風(fēng)積沙混凝土。

收縮是混凝土本身所固有的物理特性。混凝土受到約束時(shí)，收縮會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度后，混凝土產(chǎn)生裂縫。裂縫對(duì)混凝土的耐久性有很大影響，導(dǎo)致混凝土劣化的繼續(xù)進(jìn)行。用風(fēng)積沙替代普通砂拌制的風(fēng)積沙混凝土的工程應(yīng)用也受到其收縮變形因素的影響。

筆者通過查閱大量文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在許多研究人員對(duì)風(fēng)積沙作為公路工程路基等方面進(jìn)行研究，對(duì)風(fēng)積沙混凝土方面研究則相對(duì)較少，關(guān)于風(fēng)積沙混凝土收縮變形的試驗(yàn)研究基本屬于空白。本研究采用非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定方法對(duì)內(nèi)蒙古庫布齊沙漠的風(fēng)積沙配制的混凝土進(jìn)行收縮變形試驗(yàn)研究，進(jìn)而探討風(fēng)積沙混凝土的收縮變形規(guī)律。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

表2　試驗(yàn)用水泥的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

表3　試驗(yàn)用粗骨料的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

表4　試驗(yàn)用粉煤灰的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)用沙采用內(nèi)蒙古庫布齊沙漠地區(qū)廣泛分布的風(fēng)積沙，普通砂取自內(nèi)蒙古呼和浩特市周邊砂場(chǎng)，其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1；試驗(yàn)用水泥為P·O42.5，其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表2；試驗(yàn)用粗骨料采用卵碎石，其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表3；試驗(yàn)用二級(jí)粉煤灰取自呼和浩特市市金橋電廠，其物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表4；試驗(yàn)用水為普通自來水。

2.2試驗(yàn)方法

依據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)中C25混凝土配合比設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，按照風(fēng)積沙摻量為0%、20%、40%、60%、80%和100%設(shè)計(jì)六種配合比見表5，水膠比均為0.55，砂率為0.48，粉煤灰采用等量替代法摻量為20%。根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50082-2009)，采用NJ-NES非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀連續(xù)3 d測(cè)定混凝土的收縮變形并得到收縮率曲線；根據(jù)《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50107-2010)，采用微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(WHY-3000型)、微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(WAW-3000型)分別測(cè)定風(fēng)積沙混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

試件分為100 mm×100 mm×515 mm的收縮變形試件、養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、28 d的100 mm×100 mm×100 mm的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件及養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度試件各六組，每組三塊。

表5　風(fēng)積沙砼(C25)配合比設(shè)計(jì)

3　結(jié)果與討論

3.1試驗(yàn)結(jié)果

不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同風(fēng)積沙摻量的風(fēng)積沙混凝土試件物理性能指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)見表6。

表6　風(fēng)積沙混凝土物理性能指標(biāo)

Note: The data in the table are converted to the conversion factor.

不同風(fēng)積沙摻量的混凝土試件收縮率部分?jǐn)?shù)據(jù)見表7。

表7　不同風(fēng)積沙摻量的混凝土收縮率部分?jǐn)?shù)據(jù)匯總表

續(xù)表

Note:when the concrete shrinkage strain is positive, the concrete shrinkage deformation; when the shrinkage strain of concrete is negative, the expansion deformation of concrete is indicated.

3.2風(fēng)積沙混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度與風(fēng)積沙摻量的關(guān)系

由表6可得風(fēng)積沙混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度與風(fēng)積沙摻量的關(guān)系曲線圖1、2。

圖1　風(fēng)積沙混凝土7 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與風(fēng)積沙摻量的關(guān)系曲線圖Fig.1　Relationship curves of 7 d and 28 d of the aeolian sand concrete, the unconfined compressive strength and the volume of the aeolian sand

圖2　風(fēng)積沙混凝土28 d劈裂強(qiáng)度與風(fēng)積沙摻量的關(guān)系曲線圖Fig.2　Relationship curves of 28 d of the aeolian sand concrete,the unconfined splitting strength and the volume of the aeolian sand

由圖1、2可知，混凝土7 d、28 d的強(qiáng)度隨著風(fēng)積沙摻量的增加逐漸降低。風(fēng)積沙混凝土7 d時(shí)，Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ四組的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于Ⅰ組的抗壓強(qiáng)度分別下降了19.6%、9.2%、30.4%、31.5%，Ⅳ組前期增長較快，抗壓強(qiáng)度相對(duì)于Ⅰ組增加了0.54%；風(fēng)積沙混凝土28d時(shí)，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五組的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于Ⅰ組的抗壓強(qiáng)度分別下降了3.0%、4.5%、7.2%、12.8%、21.9%；風(fēng)積沙混凝土28 d時(shí)，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五組的劈裂強(qiáng)度相對(duì)于Ⅰ組的劈裂強(qiáng)度分別下降了14.3%、8.7%、12.4%、17.4%、20.5%。

綜上所述，故風(fēng)積沙摻量為0%、20%、40%、60%、80%、100%時(shí)，其28 d劈裂強(qiáng)度，7 d、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨風(fēng)積沙摻量的增加而逐漸降低。7 d抗壓強(qiáng)度也隨風(fēng)積沙摻量的增加而逐漸降低，其中風(fēng)積沙摻量為60%的Ⅳ組的抗壓強(qiáng)度為18.5 MPa，強(qiáng)度略有提升。28 d抗壓強(qiáng)度也隨風(fēng)積沙摻量的增加而逐漸降低，其中風(fēng)積沙摻量為60%的Ⅳ組的抗壓強(qiáng)度為24.6 MPa，已略低于C25混凝土抗壓強(qiáng)度的要求。如果繼續(xù)增大風(fēng)積沙的摻量，則會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3.3風(fēng)積沙混凝土的收縮變形與風(fēng)積沙摻量的關(guān)系

由表7可得風(fēng)積沙混凝土收縮率與風(fēng)積沙摻量的關(guān)系曲線圖3。

圖3　風(fēng)積沙混凝土前期收縮率與風(fēng)積沙摻量關(guān)系曲線圖Fig.3　Relationship between the shrinkage rate and the volume of the aeolian sand in the pre-sand concrete

圖4　風(fēng)積沙混凝土試驗(yàn)環(huán)境溫度變化曲線圖Fig.4　Temperature variation curve diagram of aeolian sand concrete test environment

圖5　風(fēng)積沙混凝土試驗(yàn)環(huán)境濕度度變化曲線圖Fig.5　Aeolian sand concrete test environment humidity change curve

風(fēng)積沙砼收縮變形實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行六組，可得收縮率-摻量曲線圖、溫度-摻量曲線圖、濕度-摻量曲線圖3、4、5。具體分析如下。

由圖3～5可知，實(shí)驗(yàn)環(huán)境較實(shí)驗(yàn)所需溫度(20±2) ℃、所需相對(duì)濕度(60%±5%)略有變化，但基本滿足試驗(yàn)要求；隨著風(fēng)積沙摻量的增加，風(fēng)積沙混凝土收縮變形的變化規(guī)律為開始時(shí)持續(xù)上升到最后都趨于穩(wěn)定，收縮變形穩(wěn)定值逐漸增大；隨著風(fēng)積沙摻量的增加，風(fēng)積沙混凝土收縮變形持續(xù)的時(shí)間逐漸變長，在混凝土澆筑后3 d內(nèi)收縮變形較明顯，3 d后基本上不再收縮。

3.4分析討論

由表5可知，Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ、Ⅳ兩組的減水劑摻量一致，風(fēng)積沙摻量不一致，此時(shí)混凝土收縮變形的規(guī)律為前期增長較快，后期趨于穩(wěn)定。這表明，在混凝土收縮變形試驗(yàn)的過程中，風(fēng)積沙的摻量變化是影響風(fēng)積沙混凝土性質(zhì)的主導(dǎo)因素。

第Ⅰ組(AS:0%)中，t≦12 h時(shí)，收縮率持續(xù)上升，表現(xiàn)出一定的線性規(guī)律；13 h≦t≦72 h，收縮率在1.26×10-3%保持不變，表明混凝土收縮已達(dá)到最大值[9-11]。第Ⅱ組(AS:20%)、第Ⅲ組(AS:40%)、第Ⅳ組(AS:60%)、第Ⅴ組(AS:80%)、第Ⅵ組(AS:100%)收縮率達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)依次為11 h、22 h、21 h、24 h、26 h,收縮率穩(wěn)定值依次為3.36×10-3%、8.11×10-3%、9.43×10-3%、10.45×10-3%、13.64×10-3%。相對(duì)于第Ⅱ～Ⅵ組，不摻風(fēng)積沙即細(xì)骨料為普通砂的第Ⅰ組，其早期收縮變形較為明顯，收縮變形穩(wěn)定值最小。

混凝土的收縮主要是水泥石部分的收縮，同時(shí)砂的細(xì)度也會(huì)影響混凝土的收縮。由表1可知，試驗(yàn)用普通砂的細(xì)度模數(shù)為2.91，而用于代替普通砂的風(fēng)積沙的細(xì)度模數(shù)為0.72，屬于特細(xì)砂，摻入風(fēng)積沙使混凝土內(nèi)部細(xì)骨料表面積增大，導(dǎo)致混凝土的水化反應(yīng)需水量增多及水化速度變慢。故風(fēng)積沙摻量在20%～100%范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，混凝土的收縮變形逐漸增大，收縮變形達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也逐漸增多，在摻量為100%時(shí)收縮率達(dá)到最大值13.84×10-3%，但都在可控范圍內(nèi)。

4　結(jié)　論

(1)風(fēng)積沙混凝土的早期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足C25設(shè)計(jì)要求，風(fēng)積沙摻量為60%時(shí)的早期強(qiáng)度還略有提高；

(2)風(fēng)積沙混凝土收縮變形隨風(fēng)積沙摻量的增加而增加，達(dá)到收縮變形穩(wěn)定的時(shí)間也隨之增加。收縮變形在0 h≦t≦24 h內(nèi)增長較快，25 h≦t≦72 h內(nèi)逐漸趨于穩(wěn)定；

(3)風(fēng)積沙摻量為60%及以下時(shí)，風(fēng)積沙混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，收縮變形也在可控范圍之內(nèi)。為風(fēng)積沙混凝土耐久性能等方面的后續(xù)研究提供了重要的理論依據(jù)，同時(shí)也對(duì)風(fēng)積沙混凝土在水利工程、路面工程等工程中的實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，應(yīng)用前景廣闊，社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1] 吳俊臣，申向東,董偉，等.風(fēng)積沙水泥基混凝土的工程應(yīng)用與耐久性能研究現(xiàn)狀[J].硅酸鹽通報(bào)，2015，34(10)：2845-2850.

[2] 董偉，申向東，林艷杰,等. 風(fēng)積沙的摻入對(duì)浮石輕骨料的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2015,34(8):2101-2108.

[3] 張生輝，李志勇，彭帝,等. 風(fēng)積沙作為路基填料的靜力特性研究[J].巖土力學(xué),2007,28(12):2511-2517.

[4] 楊人鳳,曾家勇,林冬.風(fēng)積沙壓實(shí)機(jī)理及壓實(shí)特性[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(4):22-26.

[5] 陳忠達(dá), 張登良.風(fēng)積沙路基壓實(shí)技術(shù)的研究[J].中國公路學(xué)報(bào),1999,12(2):13-17.

[6] 張長民,周偉,丁新龍,等.沙漠超細(xì)砂配制混凝土的應(yīng)用研究[J].新型建筑材料，2001.

[7] 王宏堂，衛(wèi)志民.陜北沙漠特細(xì)沙混凝土配合比的應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù)，2002,33(1):30-31.

[8] 陳志飛，謝欣欣，墨紅超.沙漠砂與機(jī)制砂摻配使用配置C50混凝土[J]. 商品混凝土,2012,07:57-60.

[9] 尤啟俊,顧本庭,田新.外加劑對(duì)混凝土收縮性能的影響[J].廣東建材,2000,02:21-24.

[10] 王永平.混凝土收縮試驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué)學(xué)位論文,2010.

[11] 高小建,闞雪峰,楊英姿.單面干燥條件下混凝土的收縮變形分布特征[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2009,37(1):87-91.

Experimental Study on Shrinkage Deformation of Aeolian Sand Concrete

LIGen-feng,SHENXiang-dong,WUJun-chen,DONGWei,XUEHui-jun,LIUYu

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

This paper selects aeolian sand from the KuBuQi desert of Inner Mongolia to conduct the research about the shrinkage deformation of aeolian sand concrete. To investigate the influence of different aeolian sand proportion on shrinkage deformation, according to labortary mixing proportion, with the test specimen in 100 mm×100 mm×515 mm, researchers are adopting the method of contact-less concrete shrinkage deformation to test shrinkage deformation of different aeolian sand proportion within three days with the natural curing. Meanwhile, with the test of unconfined compressive strength and splitting strength, researchers conclude a shrinkage curve about the law of aeolian sand concrete shrinkage deformation. As a result , with the increase of proportion of aeolian sand, shrinkage deformation of aeolian sand concrete is increasing.

aeolian sand concrete;natural curing;contact-less;shrinkage deformation

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51569021)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20121515110002)；內(nèi)蒙古自治區(qū)應(yīng)用與研究開發(fā)科技計(jì)劃項(xiàng)目(20130425)

李根峰(1991-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土耐久性方面的研究.

申向東，教授.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1213-06