机制砂混凝土高温后力学性能试验研究*

张彦，韩阳，巩存蕊，刘曙光

(1.河南工业大学，河南郑州 450052;2.郑州市建筑设计院，河南郑州 450052)

机制砂混凝土高温后力学性能试验研究*

张彦1，韩阳1，巩存蕊1，刘曙光2

(1.河南工业大学，河南郑州 450052;2.郑州市建筑设计院，河南郑州 450052)

近年来，由于天然砂资源匮乏，机制砂作为天然砂的替代材料得到广泛应用。通过机制砂混凝土试块的高温后力学性能试验，分析了不同受热温度对机制砂混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的影响。结果表明:与天然砂混凝土高温性能相似，随着经历温度的升高，机制砂混凝土高温后残余力学强度逐渐降低，且在同配比条件下具有稍高的残余力学强度。

机制砂;混凝土;高温;抗压强度;劈裂抗拉强度

1 引言

砂是混凝土基本材料之一。随着我国土木工程建设的蓬勃发展，特别是混凝土结构的大量采用，砂石的使用量与日俱增。由于天然砂的不可再生性，随着用砂量的急剧增多，天然砂资源日趋枯竭，不少地区出现了用砂紧缺甚至无砂可用的情况。另外，我国很多地区都出现了因滥采滥挖天然砂所导致的大面积水土流失、河道淤积、防洪堤坝损毁等恶劣后果，并由此造成了严重的生态问题。为此，国务院出台一系列禁采或限采天然河砂的规定，并加强了监督管理和打击力度。我国多山，尾矿资源丰富，合理利用岩石和尾矿生产机制砂不仅有很好的经济价值，而且有助于生态平衡和环境保护［1］。机制砂还具有级配易控、成本低廉、节省水泥等优点，所以机制砂替代天然砂已势在必行。

目前，对机制砂混凝土基本力学性能已经有了一定的研究，但对于机制砂混凝土高温力学性能的研究还很少［2－3］。通过机制砂混凝土和普通混凝土高温后抗压强度和劈裂抗拉强度的对比试验，分析机制砂混凝土高温后性能变化的规律，为机制砂混凝土的高温性能提供试验依据，以促进机制砂混凝土在工程中的推广与应用。

2 试验材料及试件

试验所用机制砂产自河南焦作，颗粒呈灰黑色，形状粗糙尖锐、多棱角，针片状多。按照《建筑用砂》GB/T14684－2011标准对机制砂进行了基本性能测试，细度模数为3.2～3.4，亚甲蓝(mb)小于

1.4 石粉含量6%～7%。

天然砂产自河南鲁山县，外观呈黄色，细度模数2.7～2.9，含泥量＜3%，泥块含量＜1%;机制砂与天然砂的颗粒级配、表观密度、堆积密度、泥块含量等性能指标均符合国家标准《建筑用砂》GB/T14684－2011。

水泥:采用河南太阳石集团生产的42.5级普通硅酸盐水泥，3天抗压强度30MPa，28d抗压强度为56MPa;

粗骨料:石灰石质碎石，粒径5mm～20mm，压碎指标8%，针片状3%，泥块含量0.5%以内;粗骨料各项参数均符合规范要求;

拌合用水:自来水;

粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰，洛阳首龙集团生产;

减水剂:EAST－SAF－IV缓凝高效减水剂，河南银州新型建材厂生产。

取相同配合比制作普通混凝土试件和机制砂混凝土试件(机制砂替代率100%)。试件尺寸为100 mm立方体，配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比(kg)

按照混凝土制作规程制作成型后，试件放入标准养护室，在相同的条件下养护28天取出，放置两周后进行高温试验和力学试验，观察试件高温作用后外观的变化并记录分析高温后的力学性能，对比机制砂混凝土和普通混凝土试件高温后力学性能变化趋势。

3 试验方法

对试件分组如表2所示，分别进行高温前后的力学性能试验。试块静置两周，使其水分得以挥发，再进行高温试验。高温作用后受损伤混凝土的真实力学强度，应为混凝土内部均匀受热后的残余力学强度。因此应使混凝土受热均匀，内外无温度梯度。根据对混凝土试块恒温受热的内部温度测试试验数据，本次试验恒温时间为6h［4］，以确保试块内外温度达到一致。

表2 混凝土试件分组

混凝土试件的高温加热利用研制的KSL－30－12YSM双门快速高温炉，采用硅碳棒加热方式。升温速率采用10℃/min，以避免快速升温造成混凝土的爆裂损伤。分别将试块加热至300℃、500℃和700℃，并恒温6h后，使试块自然冷却。然后按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GBT50081－ 2002进行混凝土试块的力学性能试验。

4 试验结果及分析

4.1 高温后试件外观变化

不同受热温度后机制砂混凝土试件表观如图1和表3所示。常温下的天然砂混凝土试块与机制砂混凝土试块表面均平整光滑，呈深灰色。经历300℃高温作用后，天然砂混凝土试块与机制砂混凝土试块表面颜色均无明显变化，但机制砂混凝土试块表面出现数目较少的细裂纹，而天然砂混凝土试块表面裂纹则较多且裂纹宽度较大。500℃高温后两者表面颜色均有显著变化，表面裂纹均增多，机制砂混凝土试块裂纹集中在边角，中心处裂纹少;而天然砂混凝土试块表面裂纹分布较均匀，同时机制砂混凝土试块与天然砂混凝土试块体积均产生了较小的膨胀疏松现象。700℃高温后，试块表面均变为灰白色，边角开裂形成较宽裂缝且有掉皮现象出现，机制砂混凝土试块表面裂纹细小但数量繁多，天然砂混凝土试块裂纹则较宽，有些裂纹贯通形成了一定深度和宽度的裂缝。机制砂混凝土与天然砂混凝土骨料膨胀造成的星形裂纹明显，疏松严重。

表3 机制砂混凝土经不同高温后表面特征

图1 不同受热温度后机制砂混凝土试件表观

4.2 立方体抗压强度试验

高温后混凝土材料内部会发生不同程度的损伤，混凝土抗压强度也会有所降低［5］。表4为不同温度后混凝土立方体抗压强度试验结果。

从破坏形态上看，随着压力的增大，各试块出现裂缝的时间和裂缝形式不尽相同。机制砂混凝土破坏面角锥形态不如普通混凝土明显，在受热温度较低时，呈短柱破坏形态，初步认为是石粉的存在加强了机制砂混凝土内部的粘聚力，且减弱了试验机加压板对机制砂混凝土的约束作用。

(1)常温状况下，加载初期，试块表面没有裂缝出现，直到加载值很大快要接近极限破坏值时，裂缝迅速贯通，承载力急剧下降，试件突然破坏，且伴有很大的响声，在破坏前变形不大，没有预兆，属脆性破坏。

图2 不同高温后试块受压破坏形态

(2)加热至300℃和500℃的试块，随着荷载的增加，有细裂纹沿试块纵向发展，并且裂纹不断发展，试块横向稍有膨胀，最后裂纹贯通整个试件，承载力达到最高，试件破坏。此时破坏方式仍是纵向短柱型破坏。

(3)受700℃高温作用的混凝土试块，裂缝在加载初期就开始沿试块纵向、横向发展，温度裂缝(高温所致的微裂纹)在荷载作用下宽度急剧增大，且由试块表面向内部贯穿，试块横向变形明显。当达到最大荷载时，混凝土试块边界破坏，这时试块承压面减小，试块还能承受一定的荷载，应变的增长大大超过应力的增长，试块裂缝交错，最终出现不适合继续承载的大变形，试块破坏。观察破坏后的试块发现，骨料本身也已经出现了破坏。

表4 混凝土抗压强度试验结果(MPa)

图3 不同高温后混凝土抗压强度

4.3 劈裂抗拉强度试验

混凝土的抗拉强度远小于抗压强度，因此拉应力的大小是决定结构开裂的关键，高温作用后，混凝土内形成了不均匀的温度场，混凝土材料受热膨胀，使得拉应力分布不均，造成构件裂缝增大增多，直接导致混凝土高温后强度下降［6］。表5为不同温度后混凝土立方体劈裂抗拉强度试验结果。

图4 不同高温后混凝土劈裂抗拉强度

表5 混凝土劈裂抗拉强度试验结果(MPa)

5 结论

(1)常温下，相同配合比的机制砂混凝土立方体抗压强度比天然砂混凝土稍高。

(2)高温后机制砂混凝土与天然砂混凝土抗压强度均有不同程度下降，所受温度越高，下降幅度越大。机制砂混凝土在300℃、500℃高温后抗压强度降低很快，折减程度大于天然砂混凝土，700℃高温后强度损失基本与天然砂混凝土相一致;可见机制砂混凝土强度受温度影响更为明显。

(3)机制砂混凝土同天然砂混凝土相似，随着经历温度的提高，残余劈裂抗拉强度呈现下降趋势;机制砂混凝土随受热温度的提高，劈裂抗拉强度衰减程度较天然砂混凝土大，即机制砂混凝土高温后的残余劈裂抗拉性能劣于天然砂混凝土。

［1］机制砂在建筑砂浆、普通混凝土及高性能混凝土中的应用研究［M］.河南省建筑科学研究院，2012.

［2］吕剑锋，郭向勇，李章建.机制砂C60高强混凝土耐火性能及其改善措施的研究［J］.建筑发展导向，2007(5):39－43.

［3］陈正发，刘桂凤，徐建民.机制砂混凝土在高温后的强度和耐久性研究［J］.混凝土，2011(10):46－48.

［4］过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［5］任红梅.肖建庄.我国混凝土结构抗火设计现状与发展［J］.混凝土，2004(11):15－21.

［6］刘永军，李宏男.建筑结构抗火性能研究回顾及展望［J］.防灾减灾工程学报.2006(06):219－226.

Experimental Study on the Mechanics Performances of the Concrete with Manufactured Sand after High Temperature

ZHANG Yan1，HAN Yang1，GONG Cun－rui1，LIU Shu－guang2
(1.Henan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450052，China; 2.Zhengzhou Architectural Design Institute，Zhengzhou，Henan 450052，China)

In recent years，due to the lack of natural sand resources，the manufactured sand is widely used as an alternative material of it.This paper analyzes the effects of high temperature on the compressive strength and splitting tensile strength of the concrete with manufactured sand by the mechanical tests after high temperature.The results indicate that:similar to the high temperature performances of concrete with natural sand，residual mechanical strength of manufactured sand concrete drift down as the concrete samples experienced increases in temperature.And at the same proportion condition，concrete with manufactured sand has a slightly higher residual strength.

manufactured sand;concrete;high temperature;compressive strength;splitting tensile strength

TU528

:A

:1009－3842(2012)04－0001－04

2012－06－07

国家自然科学基金(50678060)

张彦(1985－)，女，黑龙江鹤岗人，硕士研究生，主要从事结构防灾方面的研究。E－mail:zy13633716355@126.com