高温后高强沙漠砂混凝土力学性能研究

田 帅，刘海峰，宋建夏

(宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川750021)

随着我国经济高速发展和城市化进程不断加速，高层建筑物越来越多，而且高度不断增加，同时，新型建筑材料在高层建筑物中也得到广泛应用，这些均增加建筑物发生火灾的概率。目前，火灾已成为发生概率最大，造成损失最严重的一种灾害［1］。高层建筑发生火灾后，造成大量的人员和财产损失。因此，对高强混凝土高温后的力学性能进行研究是非常必要的。

我国工程用砂储量有限，经过大量基础工程建设后，中、粗砂资源已经不能满足当今工程建设需要，在宁夏等西北地区存在大量沙漠砂资源，为了能够充分利用当地的沙漠砂资源，降低建设工程成本，利用当地丰富的沙漠砂资源配制适合工程应用的沙漠砂混凝土是非常必要的［2］。

虽然国内外学者对高强混凝土高温后的力学性能进行了大量研究［1-4］，对沙漠砂混凝土及高强沙漠砂混凝土的力学性能也进行了许多研究［5-8］，但目前还没有相关文献对高强沙漠砂混凝土高温后的力学性能进行研究，本文通过设计正交试验，利用自然冷却方式，研究水胶比，粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对室温、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和900 ℃六个温度后高强沙漠砂混凝土抗压强度的影响，观察高温后沙漠砂高强混凝土试件的外观颜色变化，测量其质量变化，为高强沙漠砂混凝土的工程应用提供理论依据和技术指导。

1 实验材料

1.1 水泥

实验采用宁夏赛马厂生产的P.O42.5R 普通硅酸盐早强水泥，其性能指标:水泥细度为4.7%，初凝时间135 min，终凝时间174 min，经测定其3 d 和28 d 抗折强度为6.6 MPa 和8.7 MPa，3 d 和28 d 抗压强度为33.4 MPa 和54.8 MPa。

1.2 细骨料

1.2.1 沙漠砂

实验采用宁夏盐池毛乌素沙地特细砂，其物理性能指标和化学组成成分如表1 和表2 所示。

表1 沙漠砂物理性能指标Tab.1 Physical performance index of Mu Us desert sand

表2 毛乌素沙漠砂化学成分Tab.2 Chemical composition of Mu Us desert sand

1.2.2 中砂

中砂是产自宁夏镇北堡的人工水洗砂，孔隙率41.9%，含泥量0.6%，细度模数2.95。

1.3 粗骨料

粗骨料是产自宁夏镇北堡的机械碎石，其物理性能指标如表3 所示。

表3 天然粗骨料物理性能指标Tab.3 Physical performance index of natural coarse aggregate

1.4 粉煤灰

粉煤灰是宁夏大坝电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其物理性能指标如表4 所示。

表4 粉煤灰物理性能指标Tab.4 Physical performance index of fly ash

1.5 减水剂

实验采用北京幕湖外加剂有限公司生产的粉末状聚羧酸系高性能减水剂，减水率达到25%～30%以上。

1.6 水

实验中拌合物用水及养护用水均为自来水。

2 实验方案设计

混凝土强度设计标准值为C60，为了减少试验次数，采用3 因素3 水平正交试验，正交试验方案如表5 所示，砂率选用35%，减水剂用量为胶凝材料的0.3%。

表5 正交试验方案表L9(34)Tab.5 Orthogonal experiment table L9(34)

试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试件拆模后放置在温度控制在(20±2)℃，湿度控制在95%以上的标准养护室内进行养护，养护28 d 后进行高强沙漠砂混凝土的高温试验。制备试件时，正交各组在每一温度等级下制备5 块试件。

试验采用的升温设备是洛阳华旭利尔电炉有限公司生产的CSL-26-17 型高温炉。高温试验采用200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃和900 ℃五个温度等级，图1 为各试件的升温曲线，T0为设定温度，T0=10 t0，t1-t0=1 h。升温速率选用10 ℃/min，待温度升至设定温度后，恒温1 h 后切断高温炉电源，打开炉门，用夹具将试件取出，采取自然冷却方式对试件进行冷却。静置24 h后对试件进行外观特征观察，质量变化和抗压强度测试。为了进行比较，进行了室温条件下高强沙漠砂混凝土抗压强度试验。图2 为ZJ-2 组试件在不同高温后3 次测得的应力应变曲线。抗压强度试验结果如表6。

图1 各试件的升温曲线Fig.1 Heating curve of all specimens

图2 ZJ－2 组试件高温后应力应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of ZJ-2 specimen after different high temperature

表6 正交试验结果Tab.6 Results of orthogonal experiment

3 实验结果与分析

3.1 试件外观

试件经高温后，其外观发生了不同程度的变化，如图3 所示。通过对高温后的试件进行观察研究，总结其外观特征如表7。

图3 ZJ－2 组高温后试件Fig.3 Specimens of ZJ-2 group after high temperature

表7 试件外观特征Tab.7 Surface characteristics of the specimens

3.2 质量损失

试件经过自然冷却后静置24 h，测试其质量，取其平均值作为该组试件的平均质量，高温后高强沙漠砂混凝土试件的质量损失率如表8 和图4 所示。

表8 高温后高强沙漠砂混凝土质量损失Tab.8 Mass loss of high strength desert sand concrete after high temperature %

由表8 和图4 可知，与室温下试件质量相比，高温后高强沙漠砂混凝土试件都有不同程度质量损失。这是由于经过高温后，高强沙漠砂混凝土内部发生了水分蒸发、C-S-H 凝胶脱水分解，Ca(OH)2和CaCO3发生化学分解等现象［9-12］。经过自然冷却后，各组试件的质量损失随着温度的升高而逐渐增大，质量损失率呈现递增趋势。

3.3 抗压强度

3.3.1 抗压强度与温度的关系

高温后高强沙漠砂混凝土抗压强度随温度变化的关系曲线如图5 所示。由图5 可知，与室温下高强沙漠砂混凝土抗压强度相比，经过200 ℃高温后，各组高强沙漠砂混凝土抗压强度均有所降低;400 ℃高温后，混凝土试件抗压强度有所升高，其抗压强度已高于室温(20 ℃左右)下高强沙漠砂混凝土抗压强度;600 ℃后，随着温度升高，各组高强沙漠砂混凝土试件抗压强度逐渐降低。

图4 高温后高强沙漠砂混凝土质量损失率Fig.4 Mass loss rate of high strength desert sand concrete after high temperature

图5 高强沙漠砂混凝土抗压强度随温度变化曲线Fig.5 Relation between the compressive strength of high strength desert sand concrete and temperature

3.3.2 极差分析

对试验结果进行极差分析，结果如表9 和图6 ～11 所示。

表9 实验结果极差分析Tab.9 Range analysis of experimental results

由表9 和图6 ～11 可以看出，对于高强沙漠砂混凝土室温下抗压强度，水胶比A 对沙漠砂高强混凝土室温下抗压强度影响最大，粉煤灰掺量B 次之，沙漠砂替代率C 最小，其最优配合比为:A1B1C2;对于高强沙漠砂混凝土200 ℃高温后抗压强度，水胶比A 对200 ℃高温后沙漠砂高强混凝土抗压强度影响最大，沙漠砂替代率C 次之，粉煤灰掺量B 最小，其最优配合比为:A1B1C2;对于高强沙漠砂混凝土400 ℃高温后抗压强度，水胶比A 对400 ℃高温后沙漠砂高强混凝土抗压强度影响最大，沙漠砂替代率C 次之，粉煤灰掺量B 最小，其最优配合比为:A1B2C1;对于高强沙漠砂混凝土600 ℃高温后抗压强度，粉煤灰掺量B 对600 ℃高温后沙漠砂高强混凝土抗压强度影响最大，水胶比A 次之，沙漠砂替代率C最小，其最优配合比为:A1B1C1;对于高强沙漠砂混凝土800 ℃高温后抗压强度，沙漠砂替代率C 对800 ℃高温后沙漠砂高强混凝土抗压强度影响最大，粉煤灰掺量B 次之，水胶比A 最小，其最优配合比为:A1B2C2;对于900 ℃高温后高强沙漠砂混凝土抗压强度，沙漠砂替代率C 对900 ℃高温后沙漠砂高强混凝土抗压强度影响最大，水胶比A 次之，粉煤灰掺量B 最小，其最优配合比为:A3B2C3。

图6 各因素对高强沙漠砂混凝土室温下抗压强度影响Fig.6 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after room temperature

图7 各因素对高强沙漠砂混凝土200 ℃高温后抗压强度影响Fig.7 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 200 ℃

图8 各因素对高强沙漠砂混凝土400 ℃高温后抗压强度影响Fig.8 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 400 ℃

图9 各因素对高强沙漠砂混凝土600 ℃高温后抗压强度影响Fig.9 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 600 ℃

图10 各因素对高强沙漠砂混凝土800 ℃高温后抗压强度影响Fig.10 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 800 ℃

图11 各因素对高强沙漠砂混凝土900 ℃高温后抗压强度影响Fig.11 Influence of different factors on the compressive strength of high strength desert sand concrete after 900 ℃

3.3.3 方差分析

对正交试验结果进行方差分析，实验采用4 因素3 水平L9(34)正交实验，含空白列，采用重复实验的方法对试验结果进行方差分析，分析结果如表10。

表10 正交试验方差分析Tab.10 Variance analysis of orthogonal test

由表10 可知，水胶比和粉煤灰掺量对沙漠砂高强混凝土室温下抗压强度影响高度显著，沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土室温下抗压强度影响不显著;粉煤灰掺量、水胶比和沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土200 ℃高温后抗压强度影响高度显著;水胶比对高强沙漠砂混凝土400 ℃高温后抗压强度影响高度显著，粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土400 ℃高温后抗压强度影响不显著;粉煤灰掺量对高强沙漠砂混凝土600 ℃高温后抗压强度影响高度显著，沙漠砂替代率和水胶比对高强沙漠砂混凝土600 ℃高温后抗压强度影响不显著;沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土800 ℃高温后抗压强度影响高度显著，粉煤灰掺量和水胶比对高强沙漠砂混凝土800 ℃高温后抗压强度影响不显著;水胶比、沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对高强沙漠砂混凝土900 ℃高温后抗压强度影响均不显著。

3.4 最优配合比

本次正交实验考察多个温度下水胶比、粉煤灰掺量、沙漠砂替代率对高强沙漠砂混凝土抗压强度的影响，各个温度下的最优组如表11 所示。

表11 不同温度下高强沙漠砂混凝土的最优配合比Tab.11 Optimal mixture ratio of desert sand concrete with different temperature

由于高强沙漠砂混凝土试件在经过800 ℃和900 ℃高温后爆裂较多，实验数据离散性较大，在确定高强沙漠砂混凝土的最优配合比时不予考虑。由表11 可知，因素A 的最好水平为A1;由表10 可知，粉煤灰掺量对400 ℃高温后高强沙漠砂混凝土抗压强度的影响不显著，结合表11，因素B 的最好水平为B1;由表10 可知，沙漠砂替代率对400 ℃和600 ℃高温后高强沙漠砂混凝土抗压强度的影响均不显著，以能合理利用沙漠砂资源并满足强度要求为原则取因素C 的最好水平为C2，故最优方案确定为A1B1C2。

4 结 语

本文保持砂率35%不变，通过设计正交试验，分析水胶比、粉煤灰掺量和沙漠砂替代率对室温、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和900 ℃高温后沙漠砂高强混凝土抗压强度的影响，通过极差分析和方差分析确定了沙漠砂高强混凝土的最佳组合。综合考虑室温、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和900 ℃高温后高强沙漠砂混凝土抗压强度，高强沙漠砂混凝土的最佳组合为水胶比0.28、粉煤灰掺量10%、沙漠砂取代率30%，为沙漠砂在工程中的应用提供指导和借鉴。

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