摻粉煤灰、沙漠砂混凝土高溫后抗折強度研究

馬菊榮 羅忠輝

(1.寧夏大學新華學院，寧夏 銀川 750021；2.中電建寧夏電力建設(shè)有限公司，寧夏 銀川 750001)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)是最常用的結(jié)構(gòu)形式，砂、石作為混凝土的的主要材料均可就地取材，可摻入粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢料，變廢為寶，節(jié)約資源，保護環(huán)境。研究表明在混凝土加入粉煤灰可使混凝土和易性，水密性變好，提高混凝土后期強度等[1-2]。近年來，隨著建筑業(yè)快速化發(fā)展和新型建筑材料的使用，火災事故呈增長趨勢，火災一旦發(fā)生，將使結(jié)構(gòu)的材料性能劣化，嚴重削弱結(jié)構(gòu)安全性，威脅著人民生命和財產(chǎn)安全。因此研究混凝土高溫后力學性能是迫切且必要的。

我國西部地區(qū)分布著廣袤無垠的沙漠，沙漠總面積70多萬平方公里，寧夏地處西部地區(qū)，隨著西部大開發(fā)等國家政策，工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大，出現(xiàn)中砂資源急劇短缺現(xiàn)象，導致山砂、河砂過度開采，不但增加了建筑用砂成本，而且對環(huán)境造成了極大的破壞。急需一種能夠代替山砂和河砂的新材料作為建筑用砂解決砂資源緊缺問題。

近年來針對砂資源短缺問題引起了國內(nèi)外學者的重視，有關(guān)沙漠砂混凝土的研究越來越多，成果也較豐富。Al-Harthy[3]等對阿曼地區(qū)沙漠砂混凝土的流動性、抗壓強度等進行試驗研究。研究表明：沙漠砂混凝土的流動性隨沙漠砂替代率增加先增大后降低，當沙漠砂替代率為50%時，流動性最大；抗壓強度隨沙漠砂替代率增大逐漸降低。付杰等[4]通過研究發(fā)現(xiàn)用20%沙漠砂替代中砂時，沙漠砂高強混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度達到最大。呂劍波等[5]進行了沙漠砂混凝土高溫后抗壓強度正交試驗，給出了沙漠砂混凝土最優(yōu)配合比。針對沙漠砂混凝土力學性能及高溫后抗壓強度和劈裂抗拉強度的研究取得了一定成果，但是有關(guān)于高溫后抗折強度的研究文獻報道很少，而抗折強度對于評價火災后混凝土結(jié)構(gòu)安全狀況起著重要作用。高溫后混凝土的力學性能變化受諸多因素影響，如溫度、作用時間、冷卻方式等。本文考慮粉煤灰摻量、沙漠砂替代率、溫度和冷卻方式四個因素，通過試驗研究沙漠砂混凝土高溫后抗折強度變化規(guī)律，豐富沙漠砂混凝土應(yīng)用于實際的理論基礎(chǔ)。

1 原材料

沙漠砂混凝土原材料主要由水泥、粉煤灰、水、中砂、沙漠砂、碎石和減水劑組成。水泥取用42.5R普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用銀川市當?shù)仉姀S生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰；中砂為當?shù)厮瓷缴埃衬叭∽詫幭柠}池縣毛烏素沙地砂，表觀密度2620kg·m-3、堆積密度1400kg·m-3、空隙率46.6%、含泥量0.14%，細度模數(shù)0.24；碎石粒徑由5～10mm和10～20mm兩種組成，二者按3：7混合使用；減水劑為粉末狀聚羧酸系高性能減水劑，減水率25%～30%；試驗用水均為自來水。

2 試驗設(shè)計

混凝土設(shè)計強度為C45，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[6]，確定沙漠砂混凝土配合比，水膠比為0.38，砂率為0.34，減水劑占總膠凝材料的0.25%。考慮粉煤灰摻量為10%和20%替代水泥；設(shè)計沙漠砂替代率為0%、20%、40%、60%、80%和100%，利用沙漠砂替代中砂；試件尺寸為100mm×100mm×400mm。采用5個溫度等級，分別為室溫、100℃、300℃、500℃和700℃，冷卻方式分自然冷卻和澆水冷卻兩種方式。進行高溫試驗前需將試件置于烘箱中(設(shè)定溫度為60度)烘24h以防高溫爆裂，之后以5℃/min速率升溫，升至設(shè)定工況溫度后恒溫4h；取出試件采用兩種方式冷卻，放置7d后在萬能試驗機上進行抗折強度試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

沙漠砂混凝土高溫后抗折強度試驗結(jié)果如表1所示。

3.1 溫度對高溫后抗折強度的影響

由表1可知，粉煤灰摻量為10%時，選定對比基準組1(室溫、自然冷卻)，相比于基準組1普通混凝土(沙漠砂替代率0%)抗折強度在100℃、300℃、500℃和700℃時分別下降0.9%、43%、82%、88%；與基準組1相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率20%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降5.1%、46%、77%、87%；與基準組1相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率40%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降6.8%、41%、77%、81%；與基準組1相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率60%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降8.2%、42%、77%、85%；與基準組1相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率80%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降1.4%、38%、76%、82%；與基準組1相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率100%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降3.8%、48%、76%、85%。粉煤灰摻量10%時，選定基準組2(澆水冷卻、室溫)進行對比，相比于基準組2普通混凝土(沙漠砂替代率0%)抗折強度在100℃、300℃、500℃和700℃時分別下降4%、49%、81%、82%；與基準組2相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率20%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降5.4%、46%、81%、82%；與基準組2相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率40%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降7.2%、46%、77%、79%；與基準組2相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率60%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降6.6%、48%、80%、82%；與基準組2相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率80%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降3.3%、42%、79%、83%；與基準組2相比沙漠砂混凝土(沙漠砂替代率100%)在100℃、300℃、500℃、700℃時抗折強度分別下降5.5%、50%、78%、81%。

表1 沙漠砂混凝土高溫后抗折強度 單位：MPa

粉煤灰摻量為20%時，選定基準組1(室溫、自然冷卻)進行對比，相比于基準組1普通混凝土在4個溫度工況下抗折強度分別下降1.4%、29%、73%、83%；對比基準組1沙漠砂摻量20%的沙漠砂混凝土在4個溫度工況下抗折強度分別下降2.2%、28%、72%、80%；用同樣的方法分析沙漠砂摻量為40%、60%、80%和100%對比基準組1在4個溫度工況下抗折強度下降率以及相比于基準組2(室溫、澆水冷卻)各沙漠砂替代料下4個溫度工況時的抗折強度下降率。

通過上述分析可知，室溫下沙漠砂混凝土抗折強度最大，隨著溫度升高，沙漠砂混凝土高溫后抗折強度呈減小趨勢。

3.2 沙漠砂替代率對高溫后抗折強度的影響

由表1測試結(jié)果可知，在相同溫度和冷卻方式下隨著沙漠砂替代率的增加沙漠砂混凝土高溫后抗折強度趨勢為先增大后減小，沙漠砂替代率為40%時，各溫度下抗折強度達到最大。

4 結(jié)語

(1)室溫下沙漠砂混凝土抗折強度最大，隨著溫度升高，沙漠砂混凝土高溫后抗折強度呈減小趨勢。

(2)粉煤灰摻量一定時，在同一種溫度，同一種冷卻方式下沙漠砂混凝土高溫后抗折強度隨著沙漠砂替代率的增加呈先增大后減小趨勢，沙漠砂替代率為40%時，各溫度下抗折強度達到最大。