粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土力学性能影响

付 杰，马菊荣，刘海峰

(宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川750021)

粉煤灰是在火力发电厂烟道中收集的粉末，是一种工业废料，在堆积占地的同时带来严重环境污染，但作为混凝土掺合料，在节约水泥熟料的同时粉煤灰颗粒能够均匀分布到水泥浆体中，填充混凝土孔隙，从而增强混凝土密实度。研究表明，粉煤灰能减水和改善混凝土和易性，提高后期强度，对改善混凝土性能发挥着重要作用［1-2］，所以合理利用粉煤灰，具有良好的社会效益和经济效益。

我国是沙漠比较多的国家之一，随着西部大开发，中砂资源日渐匮乏，已不能满足工程建设需要，如能利用沙漠砂替代中砂作为细骨料配制混凝土，不但节约中砂资源，还能合理利用沙漠砂资源，减少环境污染，有利于沙地地区和沙漠地区发展。因此，在这些地区探索利用沙漠砂替代建筑用砂配制混凝土是必要的。许多研究者对沙漠砂混凝土性能进行了研究［3-13］。张国学等［6-8］通过实验研究发现沙漠砂可以配制应用于一般土木工程的抹面砂浆和混凝土;陈美美等［9］、王彩波等［10］和宋建夏等［11］研究沙漠砂对混凝土力学性能影响;陈云龙等［12］通过实验得出用沙漠砂配制高强混凝土是可行的，并给出沙漠砂高强混凝土最优配合比;杨维武等［13］研究沙漠砂替代率对沙漠砂高强混凝土抗压强度影响。但针对粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土力学性能的影响目前还没有相关的文献报道。

本文进行不同粉煤灰掺量和沙漠砂替代率沙漠砂混凝土28 d 的抗压强度和劈裂拉伸强度实验，分析粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土28 d 的抗压强度和劈裂拉伸强度的影响，给出粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土力学性能的影响规律，为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。

1 实验材料

水泥采用宁夏赛马厂生产42.5R 普通硅酸盐水泥，主要技术性能指标均符合国家标准;粗骨料采用宁夏镇北堡生产人工碎石，采用两级配，小石粒径为5 ～10 mm，大石粒径为10 ～25 mm，组成比例为小石∶大石=2∶8;中砂采用镇北堡人工水洗山砂，细度模数为2.95;沙漠砂取自毛乌素沙漠南缘宁夏盐池县，表观密度2 624 kg/m3，空隙率40.95%，含泥量0.14%，细度模数0.194;粉煤灰采用宁夏大坝电厂生产Ⅰ级粉煤灰，含水率0.2%，烧失量2.8%;减水剂采用北京幕湖外加剂有限公司生产高性能减水剂，减水率高达25%～30%以上;实验用水采用当地饮用水。

2 实验方案

混凝土强度设计标准值为C45，选定水胶比0.34，砂率30%，水泥用量和胶凝材料总量为560 kg/m3，减水剂添加量占总胶凝材料的0.3%，以0、10%、15%粉煤灰等量替代水泥，在同一粉煤灰掺量下，用沙漠砂替代率为0、20%、30%、40%、60%、80%和100%沙漠砂替代中砂，制作沙漠砂混凝土试件。试件成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试件经机械搅拌后在振动台上振捣成型，24 h 后脱模，在标准养护室内养护至规定龄期，在万能试验机上进行28 d 抗压强度和28 d 劈裂拉伸强度测试。

3 结果与分析

3.1 抗压强度实验

3.1.1 抗压强度实验结果

沙漠砂混凝土28 d 抗压强度实验结果如表1 所示，每组抗压强度3 个测试值相对于中间值的最大误差均小于15%，表明实验数据离散性小，数据测试无异常，真实可靠，满足规范要求。

表1 抗压强度实验结果Tab.1 Results of compressive strength

3.1.2 沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土抗压强度的影响

由表1 和图1 可知，当粉煤灰掺量为0 时，相对于普通中砂混凝土(沙漠砂替代率为0)抗压强度，沙漠砂替代率为20%、30%、40%、60%、80%和100%时，沙漠砂混凝土抗压强度分别增加4.9%、-1.2%、-2.5%、-6.4%、-7.1%和-11.0%;当粉煤灰掺量为10%时，对于普通中砂混凝土抗压强度，沙漠砂替代率为20%、30%、40%、60%、80%和100%时，沙漠砂混凝土抗压强度分别增加11.1%、3.0%、-5.2%、-10.7%、-13.2%和-15.1%;当粉煤灰掺量为15%时，相对于普通中砂混凝土抗压强度，沙漠砂替代率为20%、30%、40%、60%、80%和100%时，沙漠砂混凝土抗压强度分别增加0.7%、-1.0%、-1.4%、-1.7%、-11.0%和-12.1%。由此可以看出，沙漠砂混凝土抗压强度随着沙漠砂替代率的增加均呈现先增大后减小趋势，沙漠砂替代率为20%时抗压强度达到最大值。这是由于中砂粒径较大，沙漠砂粒径较小，使混凝土内部填充均匀，增加混凝土强度，但沙漠砂本身是由松散母岩风化而成，自身强度略小于中砂，所以当沙漠砂替代率较大时，随着沙漠砂替代率增加，沙漠砂混凝土抗压强度逐渐降低。

3.1.3 粉煤灰掺量对沙漠砂混凝土抗压强度的影响

由表1 和图2 可以看出，当沙漠砂替代率为0 时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土抗压强度分别增加12%和4.1%;当沙漠砂替代率为20%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土抗压强度分别增加18%和-0.7%;当沙漠砂替代率为30%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土抗压强度分别增加16.7%和4.2%;当沙漠砂替代率为40%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土抗压强度分别增加9.0%和5.2%;当沙漠砂替代率为60%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土抗压强度分别增加9.3%和6.8%;当沙漠砂替代率为80%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土的抗压强度分别增加4.7%和-0.3%;当沙漠砂替代率为100%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土抗压强度分别增加6.8%和2.8%，所以随着粉煤灰掺量增加，沙漠砂混凝土抗压强度先增大后减小。粉煤灰掺量为10%沙漠砂混凝土抗压强度高于粉煤灰掺量为0 和粉煤灰掺量为15%沙漠砂混凝土。这是因为，一是粉煤灰微细颗粒能够均匀分布在水泥浆体中，充分填充混凝土中空隙和毛细孔，增大密实度从而提高混凝土强度［14-15］;二是较大量掺入粉煤灰增加水化产物，使混凝土过于黏稠，导致流动性下降，同时粉煤灰掺量大，水泥用量少，生成较高强度胶凝产物相对少，强度会降低。

图1 沙漠砂替代率与抗压强度关系曲线Fig.1 Relation between desert sand replacement ratio and compressive strength

图2 粉煤灰掺量与抗压强度关系曲线Fig.2 Relation between fly ash dosage and compressive strength

3.2 劈裂拉伸强度试验

3.2.1 劈裂拉伸强度实验结果

各组试件28 d 劈裂拉伸强度、平均劈裂拉伸强度和最大误差如表2 所示，各组数据测试值无异常，满足规范要求。

3.2.2 沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度的影响

由表2 和图3 可以看出，当粉煤灰掺量为0 时，相对于普通中砂混凝土(沙漠砂替代率为0)劈裂拉伸强度，沙漠砂替代率为20%、30%、40%、60%、80%和100%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度增长率分别为6.2%、-9.5%、-15.7%、-22.3%、-28.3%和-32.5%;当粉煤灰掺量为10%时，相对于普通中砂混凝土劈裂拉伸强度，沙漠砂替代率为20%、30%、40%、60%、80%和100%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度分别增加7.9%、-2.6%、-4.0%、-10.5%、-16.4%和-20.9%;当粉煤灰掺量为15%时，相对于普通中砂混凝土劈裂拉伸强度，沙漠砂替代率为20%、30%、40%、60%、80%和100%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度分别增加5.9%、-0.6%、-2.7%、-3.4%、-16.2%和-24.4%。由此可以看出，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度随沙漠砂替代率增加呈现先增大后减小趋势，沙漠砂替代率为20%时劈裂拉伸强度达到最大值。

3.2.3 粉煤灰掺量对沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度的影响

由表2 和图4 可知，当沙漠砂替代率为0 时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度分别增加17.6%和13.0%;当沙漠砂替代率为20%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度分别增加19.5%和12.8%;当沙漠砂替代率为30%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度分别增加26.5%和24.1%;当沙漠砂替代率为40%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度分别增加33.8%和30.4%;当沙漠砂替代率为60%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度分别增加40.6%和35.5%;当沙漠砂替代率为80%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度分别增加37.1%和32.1%;当沙漠砂替代率为100%时，相对于粉煤灰掺量为0 的混凝土，粉煤灰掺量为10%和15%时，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度分别增加38.0%和26.8%。所以随着粉煤灰掺量增加，沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度先增大后减小。粉煤灰掺量为10%沙漠砂混凝土劈裂拉伸强度高于粉煤灰掺量为0 和粉煤灰掺量为15%沙漠砂混凝土。

表2 劈裂拉伸强度实验结果Tab.2 Results of splitting tensile strength

图3 沙漠砂替代率与劈裂拉伸强度关系曲线Fig.3 Relation between desert sand replacement ratio and splitting tensile strength

图4 粉煤灰掺量与劈裂拉伸强度关系曲线Fig.4 Relation between fly ash dosage and splitting tensile strength

4 结 论

通过不同粉煤灰掺量和沙漠砂替代率沙漠砂混凝土28 d 的抗压强度和劈裂拉伸强度实验，分析粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土28 d 的抗压强度和劈裂拉伸强度影响，给出粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土力学性能影响规律。实验结果表明:随着沙漠砂替代率增加，沙漠砂混凝土28 d 的抗压强度和劈裂拉伸强度均呈现先增大后减小趋势，沙漠砂替代率为20%时，沙漠砂混凝土28 d的抗压强度和劈裂拉伸强度均达到最大值;随着粉煤灰掺量增加，沙漠砂混凝土28 d 的抗压强度和劈裂拉伸强度先增大后减小，粉煤灰掺量为10%时，沙漠砂混凝土28 d 的抗压强度和劈裂拉伸强度均达到最大值，为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。

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