超細沙漠砂替代率和粉煤灰摻量對混凝土力學性能的影響研究

賈 磊

（交通運輸部公路科學研究院，北京 海淀區 100088）

0 引言

混凝土已經成為建筑工程、道路工程、水利工程等多個領域的主要材料，而砂（特別是中砂）作為制備混凝土的主要原材料之一，經過多年的開采，已經日益匱乏[1]。我國擁有豐富的沙漠砂資源，如能將沙漠砂替代中砂摻入混凝土中，不僅能夠降低工程造價，還能避免因過度開采河砂和礦山（用于人造骨料）造成的環境破壞問題，是一舉多得的辦法。然而沙漠砂在化學成分和顆粒級配上與中砂存在較大差異，特別是細度模數較小（一般Mx＜0.6），能否配制出具有穩定工作性能的沙漠砂混凝土有待深入研究。

一般情況下，工程領域將細度模數小于1.5的砂稱為特細砂，用于制備特細砂混凝土，在20世紀60年代，我國就制定了《特細砂混凝土配制及應用規程》（BJG19-65）規范標準，對特細砂混凝土的原材料選擇以及施工工藝等進行了規定[2]。隨著工程建筑行業如火如荼的發展，關于特細砂混凝土的研究也日益增多，大量研究表明，在配置特細砂混凝土時，需要對原材料和配合比進行優化配置，制備得到的特細砂混凝土才能夠滿足工程需求[3]。楊紅霞等[4]通過試驗對陜北沙漠特細砂混凝土進行了研究，并且提出了配制陜北沙漠特細砂混凝土的最優砂率，并提出了設計配合比所遵循的“三低一高”（低砂率、低坍落度、低水泥用量及高效減水劑）原則。張財等[5]對非洲撒哈拉沙漠特細砂品質進行了研究，發現用沙漠砂配制出的混凝土，其力學性能、耐久性能等和普通混凝土相差不大，僅抗磨性略低于普通混凝土。陳云龍等[6]通過正交實驗，對摻粉煤灰、沙漠砂配制的沙漠砂高強混凝土7d、28d、56d抗壓強度進行研究，發現在不同齡期各因素對抗壓強度的影響不盡相同，并在正交實驗基礎上研究了不同沙漠砂替代率對混凝土抗壓強度的影響。

目前工程界已經對沙漠砂替代中砂進行混凝土制備開展了一定研究，但是由于沙漠砂本身性質各異，尤其是細度模數很小，而對于Mx＜0.6的超細度沙漠砂配置混凝土的研究仍然較少。因此本文針對超細沙漠砂混凝土的力學性能做進一步探究。

1 試驗設計及方案

1.1 原材料與配合比設計

水泥采用海螺水泥有限公司生產的P·O42.5R 水泥；粗骨料采用粒徑范圍為5～20mm的人工碎石；細骨料分別采用細度模數為3.12 的普通砂和細度模數為0.27的超細度沙漠砂，兩者的物理性能指標如表1所示；粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰。

表1 普通砂和沙漠砂的物理性能指標

設計混凝土強度等級為C45，經過試配選用水膠比0.34和砂率30%，在保持水膠比和砂率不變的情況下，進行復摻沙漠砂和粉煤灰的混凝土制備，以摻量為0、10%、20%粉煤灰等量代替水泥，并在同一粉煤灰摻量下，用替代率為0、20%、40%、60%、80%、100%的沙漠砂代替等量普通砂配制混凝土，減水劑摻量為總膠凝材料質量分數的0.3%。所有混凝土樣品的配合比參數及單位體積各材料用量如表2和表3所示。

表2 混凝土配合比參數

1.2 測試方法

通過抗壓強度試驗和劈裂強度試驗對混凝土試塊力學性能進行探究，混凝土試塊制備為邊長100mm 的立方體試塊，按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2002 中的相關要求對混凝土試進行養護28d后，測試其抗壓和抗拉強度。

2 結果與討論

2.1 復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土抗壓性能

2.1.1 沙漠砂替代率對混凝土抗壓性能的影響

圖1 給出了不同沙漠砂替代率下混凝土抗壓強度的測試結果，從圖1 可以看出，當粉煤灰摻量一定時，混凝土立方體試塊的抗壓強度測試結果隨著沙漠砂替代率的增加表現出先增加后降低的趨勢，并且當沙漠砂替代率為20%時，抗壓強度達到最大值。其原因可能是普通中砂（粒徑大）與沙漠砂（粒徑小）在摻雜使用時，有助于優化原來單獨用中砂作細骨料時出現的級配不合理情況，從而使混凝土內部粗細骨料和膠凝材料的分布更加均勻，從而提高了強度。但是沙漠砂主要是松散的母巖風化而成，其自身強度較低，因此在沙漠砂替代率繼續增加時，沙漠砂混凝土強度開始降低[7]。

圖1 不同沙漠砂替代率下混凝土抗壓強度

2.1.2 粉煤灰摻量對混凝土抗壓性能的影響

圖2 給出了混凝土抗壓強度與粉煤灰摻量的相關關系。可以看出，在沙漠砂替代率不變的前提下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗壓強度表現出先增加后降低的趨勢，并且在粉煤灰摻量為10%時，混凝土的抗壓強度達到最大值。其原因主要有兩方面：

圖2 粉煤灰摻量與抗壓強度關系曲線

（1）粉煤灰自身細微顆粒的構造結構，有助于降低骨料在水泥漿體中的分散阻力，促進混凝土中的空隙被膠凝材料和細骨料充分填充，從而提高混凝土整體密實度，最終增加抗壓強度。

（2）當摻入的粉煤灰過量時，導致混凝土中水化產物增加，整個體系變得更加黏稠，導致流動性下降和骨料分散不均。而且由于粉煤灰替代水泥，過高的粉煤灰摻量導致水泥用量減少，水灰比增大，膠凝材料不足，最終降低了抗壓強度[8]。

2.2 復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土抗拉性能

圖3和圖4給出了復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土的劈裂強度測試結果，從圖3和圖4中可以看出，劈裂抗拉強度測試結果表現出的規律與抗壓強度測試規律基本一致。隨著沙漠砂替代率和粉煤灰摻量的增加，劈裂抗拉強度值都表現出先上升后下降的基本趨勢。并且最大劈裂強度值均出現在沙漠砂替代率為20%和粉煤灰摻量為10%的配比情況下。

圖3 沙漠砂替代率與劈裂抗拉強度關系曲線

圖4 粉煤灰替代率與劈裂抗拉強度關系曲線

3 結束語

采用抗壓強度和劈裂強度測試，分別評價了復摻粉煤灰和沙漠砂混凝土的力學性能，揭示了沙漠砂替代率和粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度和抗拉強度的影響規律。試驗結果表明：

（1）粉煤灰摻量保持不變的情況下，隨著沙漠砂替代率增加，沙漠砂混凝土抗壓強度表現出先增大后減小趨勢，劈裂拉伸強度也進循此規律。并且沙漠砂替代率為20%時，沙漠砂混凝土抗壓強度和劈裂拉伸強度均達到最大值。

（2）沙漠砂替代率保持不變的情況下，隨著粉煤灰摻量的增加，沙漠砂混凝土28d抗壓強度先增大后減小，劈裂拉伸強度變化規律與抗壓強度一致；粉煤灰摻量為10%時，沙漠砂混凝土28d抗壓強度和劈裂拉伸強度均達到最大值。