沙漠砂混凝土轴心受压应力-应变曲线试验分析

秦拥军， 张亮亮， 崔 壮， 邢国华,2

(1.新疆大学建筑工程学院， 乌鲁木齐 830047； 2.长安大学建筑工程学院， 西安 710061)

沙漠砂混凝土(desert sand concrete，DSC)是一种新型绿色建筑材料。将丰富的沙漠砂资源按照一定质量比例作为混凝土部分细骨料掺入其中，可有效提高混凝土抗压强度。但因沙漠砂颗粒极细，属于特细砂，比表面积较大，会导致混凝土流动性不佳。

目前中外学者对沙漠砂混凝土进行了一定的研究，取得了显著成果。Abu Seif[1-2]采用沙特阿拉伯麦加地区沙漠砂制作混凝土棱柱体和砂浆，并建议沙漠砂掺量不应高于细骨料的50%；Fu等[3]探究澳大利亚沙漠砂混凝土特性，其试验表明在低砂灰比下，DSC的强度高于河砂混凝土。Humboldt等[4]对部分细骨料使用沙漠砂进行了研究，并申请了相关专利根据本发明；Cisse等[5]以达喀尔地区沙漠砂为例，对沙漠砂提高混凝土性能的贡献进行研究。

Zhang等[6]利用腾格里沙漠砂成功配制出混凝土和砂浆，并指出外加减水剂对改善沙漠砂混凝土工作性能的重要性。李志强等[7]、刘海峰等[8-9]、张广泰等[10]分别采用古尔班通古特沙漠砂、毛乌素沙漠砂、托克逊沙漠砂成功配置出符合强度要求的DSC，且数据均表明沙漠砂掺量不宜高于50%。同时，李志强等[11]针对古尔班通古特沙漠建立了其损伤本构模型，由于各地区沙漠砂物化成分具有一定的差异性，致使学者们对DSC力学性能的研究与讨论也不尽相同。且目前没有学者针对新疆地区分布最广阔和资源最丰富的塔克拉玛干沙漠砂混凝土的本构模型展开研究。基于此，试验针对塔克拉玛干沙漠砂采取研究，并将其取代率设置为50%以下，旨在研究沙漠砂取代率因素对混凝土单轴受压性能的影响，并结合现有普通混凝土全曲线模型，建立DSC本构方程，为沙漠砂研究提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥选用天山水泥厂生产的普通硅酸盐42.5水泥，矿物掺合料取自乌鲁木齐红二电厂，属于Ⅲ级粉煤灰，胶凝材料化学成分如表1所示；粗骨料为5～25 mm连续级配的新疆地区卵石，体积密度为2 700 kg/m3，其压碎指标为3.86%，细骨料为天然河洗中粗砂其细度模数为2.97，表观密度为2 487.5 kg/m3；沙漠砂采用新疆地区最大的塔克拉玛干沙漠，取砂地点为新疆巴音郭楞自治州轮台县塔河油田沙漠公路62 km处背风浮砂，平均粒径为0.315 mm，细度模数为0.339。

对该沙漠砂做X射线衍射(XRD)分析，其矿物成分分析如图1所示，可发现其主要成分与普通中粗砂基本一致。分别对沙漠砂和普通中粗砂进行X射线荧光(XRF)试样分析，得其各元素成分含量如表2所示，可发现其主要成分含量具有一定的差异性；外加剂取自乌鲁木齐西部建设搅拌站，减水率为32%,其掺量为胶凝材料的1%。基于课题组前期对塔克拉玛干沙漠砂混凝土试配成果，依据最佳配合比组设定沙漠砂掺量为变量因素，分别制作沙漠砂掺量为0、20%、30%、40% 4组试块(即S0、S1、S2、S3)，每组试块设计3个尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，用于沙漠砂混凝土轴心受压性能试验。混凝土设计强度均为C30。配合比如表3所示。

1.2 试验方法

为获取各组DSC完整荷载-位移曲线，试验采用济南鑫光试验机制造有限公司生产的YAW3000型(最大加压为3 000 kN)微机控制电液伺服压力试验机对DSC棱柱体以0.01 mm/min位移控制加载方式，加载至试件破坏，加载装置如图2所示。同时采用位移计对DSC轴心受压过程中下降段进行数据采集。

图1 沙漠砂XRD能谱分析结果

2 试验与分析

2.1 试验现象分析

(1)线弹性阶段：试验加载前期，由于荷载较小，普通混凝土和DSC的荷载位移曲线均呈现一个正比例的线性关系，此时两种混凝土均处于弹性状态，即混凝土内部微裂缝受压产生些许闭合，两种混凝土在宏观变形上，肉眼无法分辨。此时掺入沙漠砂对混凝土并无明显影响。

(2)稳定裂缝发展阶段：随着荷载逐步增大，DSC和普通混凝土内部出现首条裂缝，然后逐渐延伸和增宽。与普通混凝土相比，DSC出现首条裂缝时间靠后，因为沙漠砂的掺入，大大减少了混凝土粗细骨架体系的微小缝隙，致使DSC骨架体系相较于普通混凝土更加密实。

(3)可见裂缝发展阶段：荷载继续增大，增大至极限荷载的80%～90%时，DSC与普通混凝土均出先第一条平行与受力方向的裂缝，此时预示着DSC和普通混凝土内部部分裂缝开始合并，并且已贯穿混凝土的胶凝体。从出现首条裂缝后DSC与和普通混凝土均相继出现多条平行与受力方向的裂缝。当荷载达到峰值应力时，裂缝数量进一步增多，裂缝宽度基本接近最大值，混凝土有效承载力大大降低，普通混凝土和DSC均达到破坏。

表1 胶凝材料化学成分

表3 DSC试件编号及配合比

图2 试验加载装置

(4)破坏阶段：在峰值荷载后，DSC和普通混凝土承载力开始快速下降。混凝土荷载下降至峰值荷载的40%～50%时，DSC内外部贯穿裂缝持续扩大，此时DSC轴向变形较大，并伴随有轻微表面脱落，脆性表现明显。但在达到破坏状态时，相比普通混凝土，DSC表面脱落程度要略低于普通混凝土。

分别对4组不同沙漠砂掺量混凝土棱柱体破坏后现象进行观察，各组棱柱体试件均表现为明显的脆性破坏。破坏形态如图3所示。由图3可明显看出，随着沙漠砂掺量的不断提高，其混凝土表面脱落程度存在一定差异性，对4组混凝土棱柱体表面进行分析可看出，4组棱柱体均在中部出现较多裂缝，但贯穿裂缝大都出现在棱柱体两周，中部出现贯穿裂缝较少。S0、S3组棱柱体试件出现斜向贯穿裂缝。通过对比图3(a)～图3(d)可发现，S0组(掺量为0)破坏明显比S1组(掺量为20%)、S2组(掺量为30%)严重，且从裂缝数量和宽度发展角度看，S0组裂缝数量和宽度均明显高于S1组和S2组，同时S0组峰值应力应低于S1组和S2组；S3组表面破坏程度明显大于S1组和S2组。

图3 各组DSC试件典型破坏形态

图4 DSC破坏方式

2.2 破坏现象分析

将4组破坏后棱柱体试件沿其贯穿裂缝位置处将混凝土剖开，观察混凝土内部表面情况(图4)。可明显发现，4组混凝土试块内部破坏性质基本一致。4组试件破坏形态多为从沿胶凝体与骨料结合界面处产生的粘结破坏，并伴随有少量击穿骨料的裂缝，说明DSC与普通混凝土的薄弱层十分相似，其均为骨料界面处。

对剖开的各组棱柱体的胶凝体表面进行观察，可发现各组表面具有一定的差异性。对比图5(a)～图5(d)可发现，S0组水泥浆体表面整洁，S1组表面与S0组相比表面并无明显差异，S2组在骨料结合处表面有一定量沙漠砂存在，因沙漠砂表面光滑，使其在胶凝体与骨料结合处的黏结力有所下降，导致其峰值应力低于S1组，S3组相比S1组在胶凝体与骨料结合处出现大量未被水泥浆所包裹的沙漠砂，使其在骨料界面处黏结力下降，导致S3组其峰值应力相较于S0、S1、S2组均有所下降。

图5 各组DSC骨料界面处浮砂情况

3 试验结果与分析

3.1 单轴受压应力-应变全曲线

混凝土单轴受压应力-应变全曲线形态和数值反映了混凝土内部受力过程。DSC各组试件的单轴受压应力-应变全曲线图形以及特征值试验结果如图6和表4所示。根据混凝土力学性能试验方法标准[12],弹性模取各组混凝土应力应变曲线上升段0.4fc的割线斜率来确定其弹性模量，极限应变取混凝土应力应变曲线下降段0.85fc时的应变。

通过图6可发现，在单轴受压破坏时DSC与普通混凝土内部受力过程基本相似，均可分为上升段和下降段两个部分，但仍有一定的差异性。S0组普通混凝土当其应力大于0.4fc时，斜率开始减小，此时混凝土应力增速较慢，应变增速较大；DSC则时其应力大于0.85fc时，斜率开始逐渐变小；由表4可看出，ES0

图6 不同沙漠砂掺量DSC应力-应变曲线对比

表4 各组DSC试验结果

当曲线达到峰值应力时，其斜率变为0。由此出现转折，此时4组混凝土进入应力-应变曲线下降段，各组混凝土试件应力开始迅速下降，即下降段斜率急速变大，试件的脆性特征表现明显。对比4组下降段曲线可发现，S0、S1、S2、S3下降段陡峭程度相差无几，但S1、S2、S3峰值应变远低于普通混凝土，在降低相同应力下，DSC应变增量较小，表明DSC的脆性明显大于普通混凝土。

综上所述，DSC与普通混凝土一样，最终均表现为脆性破坏。适量沙漠砂掺入混凝土中，对混凝土单轴受压性能会产生一些积极影响，可轻度降低混凝土脆性特征，并对混凝土的强度有显著的提高，建议沙漠砂最优掺量为20%。

3.2 峰值应力

通过表4可发现，DSC和普通混凝土峰值应力的差异性，其按大小排序为S1>S2>S0>S3。S1、S2组相较于S0组，其轴心抗压强度分别提高了18.2%、8%；S3组相较于S0组，其轴心抗压强度降低了7.2%。综上可知，当沙漠砂掺量大于40%时，其棱柱体强度开始低于普通混凝土，且当沙漠砂掺量为30%时，棱柱体抗压强度开始走下降趋势。随着沙漠砂掺量的不断提高，其混凝土峰值应力呈现先增大后减少的趋势，其原因之一在于，沙漠砂和普通中粗砂相比比表面积较大，在用于混凝土拌制时，则需要更多的水泥浆包裹，当沙漠砂掺量较高，在相同水胶比情况下会出现部分沙漠砂无法被胶凝体所完全包裹，导致DSC骨料界面处的黏结力与普通混凝土相比有所降低。

3.3 峰值应变

结合表4和图6可发现DSC的峰值应力所对应的应变均小于普通混凝土峰值应力所对应的峰值应变，即S3

为确定峰值应变与峰值应力、沙漠砂掺量之间的关系，对试验数据进行拟合回归，可得到

(1)

式(1)中：s为沙漠砂取代率；fc为DSC棱柱体峰值应力；fc0为沙漠砂掺量为0%时棱柱体抗压强度。

3.4 弹性模量

根据实测DSC应力-应变全曲线，可得各掺量下DSC的弹性模量，结果如表4所示。可发现掺入沙漠砂可提高DSC的弹性模量。但随着掺量的不断增大，DSC的初始弹性模量出现下降，由于过高的沙漠砂掺入将导致DSC骨料界面处的黏结能力下降，从而降低试件的弹性模量，例如S2(掺量30%)组和S3(掺量40%)两组试件。S1(掺量20%)组较S0组(普通混凝土)弹性模量增大了68.8%，增幅较大且明显，其原因之一是沙漠砂掺入导致DSC骨架体系十分密实，使得弹性模量增大。S2组较S1组弹性模量增大了16.8%。S2组较S3组弹性模量下降了14.3%。

3.5 极限应变

令K=极限应变/峰值应变，即K为DSC极限应变与峰值应变的比值。由表4可看出，极限应变随沙漠砂掺量的提高而逐渐降低，且K呈现先增大后减小的趋势。S3组较S0组极限应变缩小了55.9%，且S1、S2、S3组极限应变均小于S0组，表明在DSC达到峰值应力以后，相较于普通混凝土其变形能力较差，且脆性表现愈加明显。对于S1、S2、S33组相比而言，S1组其极限应变最大且K最大，表明S1组DSC在达到峰值应力后其变形能力要优于S2、S3组。综上所述沙漠砂掺量为20%时，其混凝土变形能力相对较好。

为确定K和fc、s之间的关系，对其数据进行无量纲化回归分析，可得到

(2)

3.6 无量纲应力-应变曲线

综合中国学者对DSC力学性能研究发现，DSC单轴受压本构模型的研究资料较少，且难以准确描述DSC的破坏特征，其计算结果存在一定隐患。为方便研究DSC棱柱体受压变形和破坏过程，将应力-应变曲线进行无量纲化。横坐标为应变/峰值应变，纵坐标为应力/峰值应力，并结合3种混凝土单轴受压应力-应变曲线模型，分别为过镇海模型[13]、Carrerira J模型[14]、Yang KH模型[15]，相关拟合方程如表5所示，并采用相关数据分析软件对试验结果进行分别拟合。其拟合结果如表6所示。

表5 混凝土应力-应变全曲线模型

表6 DSC应力-应变曲线拟合方程系数

图7 拟合曲线与试验曲线

图7所示为各组试件试验曲线和模型曲线相对比。由图7可看出，过镇海、Yang KH、Carrerira J 3种模型的拟合结果均与不同沙漠砂掺量的试验曲线的上升段吻合较好，且拟合系数均高于0.96，但在DSC稳定裂缝发展阶段时，Carrerira J 模型所拟合结果与原试验曲线相比略低。就3种掺量下DSC应力-应变曲线下降段而言，过镇海模型拟合效果要明显优于Yang KH、Carrerira J模型，且拟合度达到0.98以上。

综上所述，对DSC单轴应力-应变曲线方程而言，过镇海模型可以较好地描述DSC上升段和下降段变形过程，因此建议DSC本构方程为过镇海模型拟合方程(表5)。但由于各地区粗、细骨料物化性质以及不同地区沙漠砂物化性质和掺量对DSC力学性能的影响具有一定的差异性，该模型对各地区DSC的普遍适用性仍需要进一步分析和验证。

4 结论

(1)沙漠砂掺量为20%时混凝土强度达到最高。当采用沙漠砂取代部分细骨料拌制混凝土时，建议掺量为20%。

(2)DSC随着沙漠砂掺量的不断提高时，由于沙漠砂颗粒较细且表面光滑、比较面积较大，其胶凝体材料对沙漠砂包裹力在不断下降，导致DSC在骨料界面处的黏结力不断下降，从而致使DSC其抗压强度不断降低。

(3)随着沙漠砂掺量不断提高，其峰值应变和极限应变均呈现减小趋势，脆性表现愈加明显，就DSC而言，当沙漠砂掺量为20%时，其综合性能达到最优，但脆性仍高于普通混凝土。

(4)DSC单轴受压应力-应变曲线受沙漠砂掺量影响较大，但其整体变化规律与普通混凝土十分相似，且采用过镇海模型对试验结果的上升段和下降段的拟合效果较好，其模型能够准确表述DSC在单轴受压荷载作用下的变性特征。