凍融環境下沙漠砂對混凝土軸心受壓力學性能的影響

劉海峰， 馬映昌， 張潤奇， 邵 蔚， 馬菊榮

(寧夏大學 土木與水利工程學院， 銀川 750021)

中國北方地區冬季氣候寒冷，具有持續時間長和晝夜溫差大的特點，大溫差引起的凍融循環已成為影響混凝土耐久性的一個主要因素[1]. 目前針對混凝土抗凍性能方面國內外學者進行了許多研究[2-5]. 文獻[2]分析了水灰比、含氣量和凍融循環次數對混凝土動彈性模量、抗折強度、抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響；文獻[3]利用替代率為0%、20%、50%和100%再生細骨料等量替代天然細骨料，進行了不同凍融循環次數下混凝土抗凍性能研究；文獻[4]通過試驗研究了凍融后混凝土受壓性能，分析了混凝土強度等級、凍融循環次數、相對動彈性模量對混凝土受壓性能的影響；文獻[5]對荷載-凍融耦合作用下充填層自密實混凝土的耐久性進行了試驗研究，分析了在凍融循環作用、荷載-凍融循環耦合作用下自密實混凝土峰值應力、峰值應變等隨凍融循環次數的變化規律.

砂是混凝土主要的原材料之一. 隨著中國西部地區基礎建設項目的增多，對砂的需求量逐漸增大. 過度開采河道與礦山作為建筑用砂，嚴重破壞了周圍的生態環境. 在西部沙漠周邊地區，研究者針對利用沙漠砂配制的混凝土性能進行了一些研究[6-9]，結果表明：沙漠砂可以代替細骨料配制混凝土應用于實際工程結構中. 文獻[6]對利用澳大利亞沙漠砂制備的沙漠砂混凝土進行了力學性能研究，結果表明：當砂灰比低于1.14時，沙漠砂混凝土強度明顯高于普通混凝土；文獻[7]對用毛烏素沙地砂替代細骨料配制的沙漠砂混凝土進行了研究；文獻[8]利用霍普金森壓桿(SHPB)試驗裝置對沙漠砂混凝土進行了沖擊壓縮試驗研究；文獻[9]通過設計正交試驗對高溫后沙漠砂高強混凝土進行了抗壓強度試驗，確定了沙漠砂高強混凝土最佳配合比.

中國西部地區有豐富的沙漠砂資源，利用沙漠砂作為替代砂配制適合工程應用的沙漠砂混凝土，對于減緩沙漠化壓力、降低工程造價和保護環境具有重要意義. 雖然研究者對高溫后沙漠砂混凝土性能進行了許多研究[7-9]，但是針對凍融環境下摻沙漠砂混凝土軸心受壓力學性能的研究較少. 本文通過快速凍融方法，進行摻沙漠砂混凝土凍融后軸心抗壓強度試驗，得到不同凍融循環作用下摻沙漠砂混凝土破壞特征和應力-應變曲線，分析不同凍融循環下摻沙漠砂混凝土表觀特征、質量損失率、動彈性模量損失率及超聲波波速損失率的變化，為寒冷地區沙漠砂混凝土的工程應用提供理論依據和技術支撐.

1 試 驗

試驗所用水泥為寧夏賽馬牌普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5R，初凝時間為142 min，終凝時間為198 min，3 d與28 d抗壓強度分別為28.2、52.7 MPa；3 d和28 d抗折強度分別為5.8、7.9 MPa；粗骨料采用寧夏鎮北堡生產的粒徑為5～20 mm人工碎石，由粒徑為10～20 mm大石子與5～10 mm小石子按照質量比7∶3混合而成；中砂采用當地人工水洗砂；沙漠砂取自寧夏鹽池縣毛烏素沙地，其性能指標和外觀特征見表1和圖1，級配曲線如圖2所示；采用減水率為25%以上的粉末狀聚羧酸高性能減水劑.

(a)人工水洗砂 (b)沙漠砂

表1 細骨料性能

圖2 細骨料級配曲線

在本文前期研究基礎上[8-9]，用沙漠砂等量替代中砂，配制水膠比為0.50，砂率為35%，強度等級為C35混凝土，具體配合比和材料用量見表2.

試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，共制作18個沙漠砂替代率為50%摻沙漠砂混凝土試件和18個普通混凝土試件. 經攪拌、成型、脫模后，放入標準養護室內養護24 d，再放入20 ℃±2 ℃水中浸泡4 d，使試件完全處于飽和狀態[10]. 試件達到28 d齡期后分別進行凍融循環25、50、75、100和125次摻沙漠砂混凝土快速凍融循環試驗，測定其在不同凍融循環次數下質量損失、動彈性模量和超聲波波速. 凍融試驗采用天津市港源試驗儀器廠生產的TDR-28型快速凍融試驗機.

表2 混凝土配合比

凍融后試件進行摻沙漠砂混凝土軸心抗壓強度試驗，試驗加載設備采用MTS微機控制電液伺服萬能試驗機，最大負荷為1 000 kN，精度為0.001 N，如圖3所示. 加載方式采用應力控制，加載速率為0.5 MPa/s；數據采集儀采用江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH3820高速靜態應變測試分析系統，采樣頻率為10 Hz，應變量測范圍為±0.05，分辨率為5×10-7；采用江蘇東華測試技術股份有限公司制造的5G101型位移傳感器，靈敏系數為2.00，量程為50 mm，精度為5×10-4mm；應變片電阻為120 Ω，軸向應變片長度為100 mm，橫向應變片長度為50 mm，應變片采用十字交叉粘貼.

(a) 試驗加載圖 (b) 加載示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 凍融后表觀特征

圖4為凍融前后普通混凝土與摻沙漠砂混凝土表觀特征. 由圖4可知，凍融循環前，兩組混凝土試件表面平整光滑，無掉角、裂縫；凍融循環后，部分水泥漿剝蝕，試件表面粗糙，出現微孔洞、微裂紋；隨著凍融循環次數增加，水泥漿剝蝕加重，試件表面孔洞、裂紋增多. 在相同凍融循環次數下，摻沙漠砂混凝土試件表面剝蝕劣化程度比普通混凝土輕.

(a) 凍融前 (b) 凍融循環50次 (c) 凍融循環125次

2.2 質量損失率

質量損失率為凍融前、后試件的質量差與凍融前試件的質量比. 采用量程為30 kg、精度為1 g的電子秤測得不同凍融循環次數后試件質量，將3個試件質量損失率的平均值作為該組試件的質量損失率. 圖5為普通混凝土和摻沙漠砂混凝土質量損失率與凍融循環次數之間關系. 由圖5可知，在125次凍融循環內，兩種混凝土質量損失均很小，低于0.33%.

2.3 動彈性模量損失率

采用DT-15型混凝土動彈性模量試驗儀，測得不同凍融循環次數下混凝土動彈性模量，每個測點重復3次，測量結果的平均值作為試驗測定值. 動彈性模量損失率為凍融前、后測得的動彈性模量之差與凍融前測得的動彈性模量的比值. 圖6為動彈性模量損失率與凍融循環次數關系. 兩組混凝土動彈性模量損失率隨著凍融循環次數的增加而逐漸增大，摻沙漠砂混凝土動彈性模量損失率較小. 與相應凍融前混凝土相比，25、75和125次凍融循環后，普通混凝土動彈性模量損失率分別為4.2%、19%和32.3%，摻沙漠砂混凝土動彈性模量損失率分別為2.3%、17.6%和27.9%. 由于混凝土中孔隙水結冰后體積會產生膨脹，未結冰水和溶液發生遷移引起各種壓力，使混凝土內部產生了損傷，經過反復凍融循環，混凝土內部損傷開始累積加劇[11-12]. 混凝土中摻入沙漠砂，有效填充了混凝土粗、細骨料之間孔隙，減小了混凝土中水的含量. 在相同凍融循環次數下，摻沙漠砂混凝土由于水結冰產生體積膨脹導致的損傷小于普通混凝土，故摻沙漠砂混凝土動彈性模量損失率小于普通混凝土.

2.4 超聲波波速損失率

采用DJUS-05非金屬超聲綜合檢測儀，對不同凍融循環次數下混凝土超聲波波速進行檢測. 超聲波波速損失率為凍融前、后測得超聲波波速之差與凍融前測得超聲波波速的比值. 圖7為超聲波波速損失率與凍融循環次數關系. 兩組混凝土超聲波波速損失率隨著凍融循環次數的增加而逐漸增大，摻沙漠砂混凝土超聲波波速損失率較小. 與相應凍融前混凝土相比，25、75和125次凍融循環后，普通混凝土超聲波波速損失率分別為5.8%、11.9%和21.8%，摻沙漠砂混凝土超聲波波速損失率分別為3.5%、8.4%和21.3%，這主要是由于正負溫度使得混凝土內部產生新的孔洞、裂紋等微缺陷，經過正負溫度反復交替作用，試件的孔洞、裂紋、剝落等缺陷更加明顯[13]. 沙漠砂的摻入有效減小了混凝土孔隙率，使混凝土內部更加密實. 在相同凍融循環次數下，與普通混凝土相比，摻沙漠砂混凝土內部損傷較小，所以摻沙漠砂混凝土超聲波波速損失率小于普通混凝土.

3 凍融后混凝土軸心抗壓強度

3.1 試驗破壞形態

普通混凝土軸心抗壓強度試驗破壞過程如圖8所示. 由圖8可知，在加載初期，混凝土試件表面無可見裂縫；加載至0.8fc～0.9fc時，試件中部開始出現細微的豎向裂縫，隨著荷載增大，裂縫逐漸增多，試件中部逐漸橫向膨脹；荷載達到峰值后，裂縫迅速擴展、增多. 圖9為凍融前后普通混凝土與摻沙漠砂混凝土軸心受壓破壞后形態. 由圖9可知，隨著凍融循環次數增加，試件表面裂縫逐漸增多，破壞形態趨于嚴重. 在相同凍融循環次數下，與普通混凝土相比，摻沙漠砂混凝土塑性變形大，破壞過程較緩慢.

(a)加載初期 (b)加載至0.8fc～0.9fc (c)峰值荷載后

(a)凍融前 (b)凍融循環50次 (c) 凍融循環125次

3.2 應力-應變曲線及分析

表3為凍融前后普通混凝土與摻沙漠砂混凝土抗壓強度測試結果. 由表3可知，隨著凍融循環次數增加，普通混凝土與摻沙漠砂混凝土抗壓強度逐漸減小. 在相同凍融循環次數下，摻沙漠砂混凝土抗壓強度高于普通混凝土抗壓強度.

表3 凍融前后混凝土單軸抗壓強度

圖10為凍融前后普通混凝土與摻沙漠砂混凝土應力-應變曲線. 由圖10可知，隨著凍融循環次數增加，上升段曲線斜率減小，峰值應力下降迅速，曲線趨于扁平.

(a)普通混凝土

(b)摻沙漠砂混凝土

圖11為凍融前后普通混凝土與摻沙漠砂混凝土應力-應變曲線比較. 由圖11可知，隨著凍融循環次數增加，加載初期上升段應力-應變曲線逐漸呈現下凹形狀；在相同凍融循環次數下，普通混凝土加載初期曲線下凹與沙漠砂混凝土相比更明顯，這主要是由于與普通混凝土相比，摻沙漠砂混凝土更加密實，經多次凍融循環后損傷較小，使得加載初期曲線下凹趨勢不明顯.

3.2.1 相對峰值應力

圖12為相對峰值應力與凍融循環次數關系. 兩組混凝土相對峰值應力隨著凍融循環次數的增加逐漸減小. 與相應凍融前混凝土相比，25、75和125次凍融循環后，普通混凝土相對峰值應力分別減小1.4%、13.7%和25.6%，摻沙漠砂混凝土分別減小0.8%、9.4%和22.3%. 在相同凍融循環次數下，摻沙漠砂混凝土相對峰值應力均高于普通混凝土，這主要是由于細小的沙漠砂摻入混凝土后，使混凝土內部粗細骨料之間微小間隙填充更加均勻、密實，減小了混凝土中水的含量，同時沙漠砂中細小的顆粒被認為是一種礦物物質，在凍融循環過程中，這些礦物物質能夠繼續發生水化反應，提高了混凝土強度[6,14-16]. 普通混凝土和摻沙漠砂混凝土相對峰值應力與凍融循環次數之間呈線性關系. 普通混凝土：fCD/fC0=-0.002 1N+1.019 8，R2=0.978 5；摻沙漠砂混凝土：fSD/fS0=-0.001 7N+1.026 1，R2=0.931 0. 其中fC0為凍融前普通混凝土軸心受壓峰值應力，fCD為不同凍融循環次數下普通混凝土軸心受壓峰值應力，fS0為凍融前摻沙漠砂混凝土軸心受壓峰值應力，fSD為不同凍融循環次數下摻沙漠砂混凝土軸心受壓峰值應力，N表示凍融循環次數.

(a)凍融前 (b)凍融循環50次 (c)凍融循環125次

圖12 相對峰值應力與凍融循環次數關系

3.2.2 相對峰值應變

圖13為相對峰值應變與凍融循環次數之間關系. 隨著凍融循環次數的增加，兩組混凝土相對峰值應變逐漸增大. 與凍融前混凝土相比，25、75和125次凍融循環后，普通混凝土相對峰值應變分別為1.089、1.340和1.833，摻沙漠砂混凝土分別為1.015、1.301和1.782. 在相同凍融循環次數下，摻沙漠砂混凝土相對峰值應變小于普通混凝土，這主要是由于沙漠砂有效地填充了混凝土粗、細骨料之間孔隙，形成堅固骨架，降低了混凝土可變形性. 普通混凝土和摻沙漠砂混凝土相對峰值應變與凍融循環次數之間呈線性關系. 普通混凝土：εCD/εC0=0.007 0N+0.911 9，R2=0.925 5；摻沙漠砂混凝土：εSD/εS0=0.006 5N+0.897 0，R2=0.927 2. 其中εC0表示凍融前普通混凝土軸心受壓峰值應變，εCD表示不同凍融循環次數下普通混凝土軸心受壓峰值應變，εS0為凍融前摻沙漠砂混凝土軸心受壓峰值應變，εSD為不同凍融循環次數下摻沙漠砂混凝土軸心受壓峰值應變.

圖13 相對峰值應變與凍融循環次數關系

3.2.3 極限應變

根據《混凝土結構設計規范》[17]，極限應變取應力-應變曲線下降段0.5fc時所對應的壓應變. 圖14為普通混凝土和摻沙漠砂混凝土極限應變與凍融循環次數之間關系. 由圖14可知，兩組混凝土極限應變隨著凍融循環次數增加逐漸增大. 25、75和125次凍融循環后，普通混凝土極限應變分別是凍融前普通混凝土極限應變的1.04、1.21和1.72倍，摻沙漠砂混凝土極限應變分別是凍融前摻沙漠砂混凝土極限應變的1.14、1.41和1.87倍，摻沙漠砂混凝土相對極限應變高于普通混凝土，這主要是由于沙漠砂有效地填充了混凝土粗、細骨料之間的孔隙，隨著凍融循環次數的增多，摻沙漠砂混凝土內部損傷累積與普通混凝土相比較少，從而使得摻沙漠砂混凝土破壞過程比較緩慢.

圖14 極限應變與凍融循環次數關系

3.2.4 彈性模量

混凝土彈性模量取應力-應變全曲線上升段0.4fc處的割線模量. 圖15為普通混凝土和摻沙漠砂混凝土彈性模量與凍融循環次數關系. 由圖15可知，隨著凍融循環次數增加，摻沙漠砂混凝土彈性模量先增加后減小，普通混凝土彈性模量不斷降低. 在相同凍融循環次數下，摻沙漠砂混凝土彈性模量明顯大于普通混凝土彈性模量，這主要是由于沙漠砂中細小顆粒被認為是一種礦物質，在凍融循環過程中，這些礦物質能夠繼續發生水化反應，提高了混凝土自身剛度[6,14-15].

圖15 彈性模量與凍融循環次數關系

3.2.5 橫向變形系數

混凝土橫向變形系數是混凝土橫向變形與縱向變形的比值，是計算混凝土結構工程抗裂、變形的一個重要參數. 圖16和圖17分別為凍融前后普通混凝土和摻沙漠砂混凝土荷載比[18]λ與橫向變形系數關系曲線. 由圖16和圖17可知，λ<0.6時，普通混凝土和摻沙漠砂混凝土軸向變形較大，橫向變形較小，橫向變形系數增長緩慢；λ>0.6時，普通混凝土和摻沙漠砂混凝土橫向變形快速增大，橫向變形系數增長加快.

圖18為荷載比λ=0.4時普通混凝土和摻沙漠砂混凝土橫向變形系數與凍融循環次數的關系.

由圖18可知，兩組試件的橫向變形系數隨著凍融循環次數的增加逐漸減小. 與相應凍融前混凝土相比，25、75和125次凍融循環后，普通混凝土橫向變形系數分別減小了6%、26%和43%，摻沙漠砂混凝土分別減小了2%、14%和37%. 由此可知，摻沙漠砂混凝土橫向變形系數減小率低于普通混凝土，這主要是由于隨著凍融循環次數增加，摻沙漠砂混凝土內部損傷較小，使得摻沙漠砂混凝土塑性變形較好.

3.3 本構模型

目前，國內外學者對常溫下混凝土單向受壓時應力-應變關系的數學模型研究較多，主要有Sargin[19]、Hogenestad[20]、過鎮海[21]等模型. 由于各種因素影響，混凝土應力-應變全曲線下降段不太理想. 過鎮海提出的本構模型參數少、形式簡單、計算方便，能把上升段與下降段的參數區分開，上升段：y=Ax+(3-2A)x2+(A-2)x3，01，其中x(x=ε/ε0)為相對應變，y(y=σ/fc)為相對應力,fc和ε0分別為峰值應力和峰值應變.

圖19為凍融前后普通混凝土與摻沙漠砂混凝土應力-應變曲線擬合. 由圖19可知，上升段吻合程度很好，下降段由于各種因素影響曲線擬合程度稍差. 表4為凍融前后混凝土應力-應變曲線的控制參數值. 由表4可知，不論是普通混凝土，還是摻沙漠砂混凝土，擬合曲線上升段控制參數A值隨著凍融循環次數增加而逐漸降低，擬合曲線下降段控制參數a隨著凍融循環次數增加逐漸增加. 在相同凍融循環次數下，摻沙漠砂混凝土擬合曲線上升段控制參數A值高于普通混凝土，擬合曲線下降段控制參數a低于普通混凝土.

(a)凍融前 (b)凍融循環50次 (c)凍融循環125次

表4 混凝土應力-應變曲線控制參數A與a

3.4 動彈性模量與峰值應力關系

圖20為不同凍融循環作用下普通混凝土和摻沙漠砂混凝土動彈性模量與峰值應力之間關系. 隨著動彈性模量的增大，兩組混凝土峰值應力逐漸增加，峰值應力與動彈性模量之間呈線性關系. 普通混凝土：fc=0.776 2Ed+6.731 9，R2=0.982 1；摻沙漠砂混凝土：fc=0.683 9Ed+11.434 7，R2=0.908 2.

3.5 超聲波波速與峰值應力關系

圖21為不同凍融循環作用下普通混凝土和摻沙漠砂混凝土超聲波波速與峰值應力之間關系. 隨著超聲波波速的增大，兩組混凝土峰值應力逐漸增加. 兩組混凝土峰值應力與超聲波波速之間有良好的線性相關性. 普通混凝土：fc=14.579 5v-12.143 1，R2=0.949 9；摻沙漠砂混凝土：fc=12.452 9v-4.263 5，R2=0.973 5.

圖20 動彈性模量與峰值應力關系

圖21 超聲波波速與峰值應力關系

4 結 論

1)進行了凍融后沙漠砂混凝土軸心抗壓強度試驗，研究了沙漠砂對混凝土抗凍性能的影響，探究了在不同凍融循環次數下沙漠砂混凝土表面特征、質量損失率、動彈性模量損失率及超聲波波速損失率的變化規律，建立了不同凍融循環次數下沙漠砂混凝土軸心受壓應力-應變曲線方程.

2)隨著凍融循環次數增多，摻沙漠砂混凝土表面剝落越嚴重，質量損失率變化較小，動彈性模量損失率和超聲波波速損失率均增大；摻沙漠砂混凝土軸心受壓破壞特征愈加明顯，軸心受壓應力-應變曲線趨于扁平，彈性模量、相對峰值應力和橫向變形系數均減小，相對峰值應變和極限應變均增加；摻沙漠砂混凝土擬合曲線上升段控制參數A值逐漸降低，下降段控制參數a逐漸增加.

3)在相同凍融循環次數下，摻沙漠砂混凝土動彈性模量損失率和超聲波波速損失率均小于普通混凝土；摻沙漠砂混凝土相對峰值應變小于普通混凝土，相對峰值應力、彈性模量和橫向變形系數高于普通混凝土；摻沙漠砂混凝土擬合曲線上升段控制參數A值高于普通混凝土，下降段控制參數a低于普通混凝土.