風積砂混凝土強度及耐久性試驗研究

劉旭軍, 魏平平, 李睿妮, 余 彥

(1.青海省機場建設指揮部,青海 海東 810000;2.陜西省建筑科學研究院有限公司,陜西 西安 710082)

0 引 言

在改革開放之后,中國經濟逐步騰飛,自此之后,混凝土需求量飛速增長。制備混凝土的主要原料即水泥與砂,當前混凝土中砂的主要來源是河砂與機制砂。河道采砂行為通常會污染水源、弱化濕地調節功能并間接影響水體生物多樣性等。近些年,隨著環保政策的落實與細化,多數地區已經禁止開采河砂。河砂減少后機制砂逐漸成為當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格高昂的問題。但機制砂通常也伴隨著許多環境問題,在混凝土用料中級配較差,因此風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家之一,中國有著近80.89萬km2沙漠面積,對于國土面積的占比約為8.43%,主要分布在西北、華北和東北的干旱、半干旱地區。國內專家從工程中逐漸認識到風積砂材料的特殊性,通常對其進行處理才能作為建筑結構。[1,2]Khay等[3]在路面建設中引入撒哈拉沙漠風積砂,擴充了路用的混凝土材料。Zhang等[4]研究表明,可以用適量風積砂代替河砂以達到技術需要滿足實際工程需求的混凝土配制方法。鄧焙元、劉清等[5]根據對風積砂的物理及化學特性、風積砂的基本力學性能和風積砂混凝土微觀結構等幾個方面的分析,對我國風積砂混凝土的性能研究進展做介紹,為后續研究提供基礎。韓霞、劉清等[6]利用風積砂替代部分同等體積的天然河砂配制自密實混凝土,確定顆粒級配、風積砂取代率、砂率、粉煤灰和水膠比作為影響因素,根據4類水平因素設計正交試驗,對自密實混凝土立方體進行劈裂抗拉強度、抗壓強度試驗。鄭木蓮、王倩倩等[7]對新疆古爾班通古特、塔克拉瑪干等地區風積砂的表面特性、微觀形貌、抗剪性能、孔隙性、粒度分布及元素組成進行了深入研究,研究證明,風積砂可以作為良好的建筑材料。李玉根、張慧梅等[8]針對不同質量分數風積砂代替河砂配制風積砂混凝土,從微觀角度研究其基本力學性能和影響機制,研究表明,適量風積砂可以改善混凝土抗壓強度,機制主要對顆粒級配進行了優化,以及混凝土內部的孔徑分布范圍和結構的改善。武海榮、金偉良等[9-11]研究凍融循環條件下環境參數變化對混凝土凍融損傷的影響規律,需求提出對現場凍融情況、現場與室內實驗環境下混凝土凍融損傷之間的關系、混凝土抗凍特性三方面的數量化需求。杜鵬、姚燕等[12]認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測已經成為當前的研究重點。

當前,我國在風積砂應用方面的研究仍以內蒙古、新疆地區為主,且實際應用中風積砂集中運用于路基工程,沒有大范圍應用于工程建筑當中,并且利用率較低,針對風積砂混凝土的研究更是鳳毛麟角。本文所選取的研究對象沙漠砂來自榆林地區的毛烏素沙漠,對不同置換率、不同砂率混凝土進行宏觀力學性能分析,并研究抗凍性能及規律。本文的研究成果可為實際工程中風積砂混凝土的應用提供一定的理論依據。

1 風積沙混凝土抗壓強度試驗

本文通過室內試驗對不同齡期下混凝土的抗壓強度進行測定,研究混凝土在不同置換率、凍融次數下的強度及劣化性能,研究成果為風積砂混凝土的工程應用提供一定參考意義。本文試驗針對風積砂混凝土,設置為2種不同的砂率(30%,35%),分別置換0%、15%、45%、100%的風積砂,對其在不同齡期(3d、7d、14d、28d)時的抗壓強度進行研究,分析得出養護齡期對風積砂混凝土抗壓強度的影響。

1.1 試驗方案設計

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

表1 C30混凝土風積砂置換率/(kg/m3)

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

圖1 風積砂混凝土抗壓試驗過程

1.2 試驗結果及分析

進行抗壓試驗的相關步驟,試驗結果見表2。

表2 不同齡期風積砂混凝土試樣抗壓強度

由表2所示,水膠比固定不變時,不影響試塊抗壓強度隨置換率的提高呈現出先增后減趨勢砂率的變化,強度與養護齡期呈正相關關系;在同等條件下,隨著砂率的提高,混凝土強度有所提高,但增幅有限。前期抗壓強度的增速高于后期,主要因為風積砂存在較大比表面積的情況,同體積下需水率大于基準組,進而在水膠比一定時,加入風積砂能夠減少水化時長,因此初期的抗壓強度較快,并于后期趨近平緩。

評定標準為抗壓強度時,置換率在水膠比為0.4時的最優比為35%,抗壓性能在風積砂置換率45%時最好。

2 風積砂混凝土凍融劣化試驗

為研究凍融環境中混凝土試塊砂率、風積砂置換率在不同條件下的損傷演化規律,分析得到分級置換率的合理區間,本文從質量損失率、抗壓強度損失率和相對動彈性模型三個角度對風積砂混凝土凍融性能進行分析,得到具有良好抗凍性能置換率的試塊。

2.1 試驗方案設計

試塊置換率見前文,試凍后置換率在15%、45%時抗凍性較差,因此將10次凍融循環視為一級凍融循環終止條件一般為:①已達到300次循環;②相對動模量減小至60%以下質量損失超過5%。

終止條件中相對動彈性模量指達到規定循環凍融次數后,將試件取出并擦干表面水分涂抹凡士林,用非金屬超聲檢測儀測量凍融后風積砂混凝土的聲時。質量損失即為質量損失率,指凍融循環后質量減少值和原值的比,抗壓強度同上。

2.2 試驗結果及分析

通過對不同砂率和不同風積砂置換率風積砂混凝土凍融后進行抗壓強度試驗,得到凍融次數與抗壓強度的關系曲線如圖2所示。

圖2 風積砂混凝土不同砂率凍融循環次數與抗壓強度關系曲線

根據圖3,試塊在砂率一定時,凍融次數逐漸增加抗壓強度呈遞減趨勢,但風積砂置換率的不同遞減的趨勢也大相徑庭。不置換與45%以下置換的試塊伴隨著凍融循環次數增加大致均呈斜向下直線遞減的趨勢,且降低區間較小,但幅度很大。即所能承受凍融循環次數不多,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,并且降低區間較大,達到破壞標準需要的時間明顯提升,即能夠承受多次凍融循環,有較好的抗凍性。LA經過 125次凍融循環時,試塊抗壓強度減小了17%,LB、LC可承受次數更小,在55次循環時,分別減小了12%、11%,而LD在200次循環時抗壓強度僅減小了4%,遠低于破壞標準25%,LE循環150次后,抗壓強度降低了21%,LH、LJ在65次時,依次降低了11%、13%,而LK經歷凍融循環250次時,僅減小了3%,遠小于破壞標準25%。根據以上分析數據可知,對其砂率進行適當提高能夠改善試塊的抗凍性,且在大置換率情況下,風積砂的摻入能夠大幅提高其抗凍性能,但置換率低反會對抗凍性造成不良影響。原因為引入風積砂會造成內部孔隙數量增加,而孔隙所增加的面積與普通混凝土孔隙面積相比較小,即增加的多數為小孔隙數量。因此混凝土抵抗變形和受荷的有效斷面面積會變大,換言之,定量的風積砂置換后會提高其抗壓強度。但此時處于大小孔并存狀態,封閉小孔隙數量不能抵制內部凍脹應力,抗凍性不足導致強度迅速降低。繪制風積砂混凝土不同砂率凍融循環次數與抗壓強度關系曲線如圖3所示。

圖3 風積砂混凝土不同砂率凍融循環次數與抗壓強度關系曲線

根據圖3,砂率不變時,隨凍融次數增加混凝土對測聲時有明顯增大趨勢。而增大區間并不一致,砂率30%的情況下,LB、LC由于增大區間較小,在經歷凍融循環55次后達到破壞標準而基準組LA達到破壞時經歷了125次,若將河砂以風積砂全部置換的LD組經過200次循環后才達到破壞,局部摻入風積砂的試塊與基準組相比凍融性較差,而完全置換的試塊相較于基準組性能較好。在35%砂率下,LH、LJ增大區間較小,達到破壞時經過了65次,基準組LE經過150次后破壞,而完全置換組LK在250次循環時才破壞,與30%砂率的情況一致。據此現象可以得出,混凝土局部置換風積砂會降低混凝土的抗凍性,若全部置換會大幅提高混凝土抗凍性,35%砂率的試塊抗凍性整體上會比30%砂率時的抗凍性好。可見合理提高砂率,試塊的抗凍性會提高,原因是砂率的提高在一定程度減少了水泥用量,水泥中細骨料占比有了一定的提高。天然狀態下,風積砂相較于河砂更為細膩、光滑,能夠降低粗細骨料間的摩擦,對于試塊內部結構而言可抵消部分應力,此外,也可對粗骨料間的孔隙有更好的填充作用,使其擁有更加緊實的內部結構,因此有良好的抗凍性。

3 結 論

本文針對不同砂率、不同風積砂置換率混凝土進行抗壓強度試驗和凍融劣化試驗,得到不同因素對風積砂混凝土抗壓強度的影響,具體如下:

(1) 風積砂置換率對抗壓強度造成的影響為先增后減,原因是砂率過低時,水泥漿體溢出嚴重,但風積砂長期遭受風沙打磨吹蝕,摩擦力較小,能夠較好地和石子粘結,填充更多空隙,提高其密實度。置換率過高時,水泥漿體不足,無法減小摩阻力,流動性降低,造成內部產生空隙較多。河砂被完全置換時,變相降低了粗骨料的使用量。評定標準為抗壓強度時,置換率在水膠比為0.4時的最優比為35%,抗壓性能在風積砂置換率45%時最好。

(2) 在凍融環境下,伴隨凍融次數增加。試塊質量、強度呈遞減趨勢,而混凝土測聲時呈增大趨勢。聲時曲線均為上升趨勢,且在置換率45%以下,上升區間較小,抗凍性較差,完全置換河砂后,上升區間明顯擴大,且抗凍性較好。砂率35%試塊各個指標均優于砂率30%的試塊,證明試塊砂率的合理性提高能夠改善試塊性能。