超细沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对混凝土力学性能的影响研究

贾 磊

（交通运输部公路科学研究院，北京 海淀区 100088）

0 引言

混凝土已经成为建筑工程、道路工程、水利工程等多个领域的主要材料，而砂（特别是中砂）作为制备混凝土的主要原材料之一，经过多年的开采，已经日益匮乏[1]。我国拥有丰富的沙漠砂资源，如能将沙漠砂替代中砂掺入混凝土中，不仅能够降低工程造价，还能避免因过度开采河砂和矿山（用于人造骨料）造成的环境破坏问题，是一举多得的办法。然而沙漠砂在化学成分和颗粒级配上与中砂存在较大差异，特别是细度模数较小（一般Mx＜0.6），能否配制出具有稳定工作性能的沙漠砂混凝土有待深入研究。

一般情况下，工程领域将细度模数小于1.5的砂称为特细砂，用于制备特细砂混凝土，在20世纪60年代，我国就制定了《特细砂混凝土配制及应用规程》（BJG19-65）规范标准，对特细砂混凝土的原材料选择以及施工工艺等进行了规定[2]。随着工程建筑行业如火如荼的发展，关于特细砂混凝土的研究也日益增多，大量研究表明，在配置特细砂混凝土时，需要对原材料和配合比进行优化配置，制备得到的特细砂混凝土才能够满足工程需求[3]。杨红霞等[4]通过试验对陕北沙漠特细砂混凝土进行了研究，并且提出了配制陕北沙漠特细砂混凝土的最优砂率，并提出了设计配合比所遵循的“三低一高”（低砂率、低坍落度、低水泥用量及高效减水剂）原则。张财等[5]对非洲撒哈拉沙漠特细砂品质进行了研究，发现用沙漠砂配制出的混凝土，其力学性能、耐久性能等和普通混凝土相差不大，仅抗磨性略低于普通混凝土。陈云龙等[6]通过正交实验，对掺粉煤灰、沙漠砂配制的沙漠砂高强混凝土7d、28d、56d抗压强度进行研究，发现在不同龄期各因素对抗压强度的影响不尽相同，并在正交实验基础上研究了不同沙漠砂替代率对混凝土抗压强度的影响。

目前工程界已经对沙漠砂替代中砂进行混凝土制备开展了一定研究，但是由于沙漠砂本身性质各异，尤其是细度模数很小，而对于Mx＜0.6的超细度沙漠砂配置混凝土的研究仍然较少。因此本文针对超细沙漠砂混凝土的力学性能做进一步探究。

1 试验设计及方案

1.1 原材料与配合比设计

水泥采用海螺水泥有限公司生产的P·O42.5R 水泥；粗骨料采用粒径范围为5～20mm的人工碎石；细骨料分别采用细度模数为3.12 的普通砂和细度模数为0.27的超细度沙漠砂，两者的物理性能指标如表1所示；粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰。

表1 普通砂和沙漠砂的物理性能指标

设计混凝土强度等级为C45，经过试配选用水胶比0.34和砂率30%，在保持水胶比和砂率不变的情况下，进行复掺沙漠砂和粉煤灰的混凝土制备，以掺量为0、10%、20%粉煤灰等量代替水泥，并在同一粉煤灰掺量下，用替代率为0、20%、40%、60%、80%、100%的沙漠砂代替等量普通砂配制混凝土，减水剂掺量为总胶凝材料质量分数的0.3%。所有混凝土样品的配合比参数及单位体积各材料用量如表2和表3所示。

表2 混凝土配合比参数

1.2 测试方法

通过抗压强度试验和劈裂强度试验对混凝土试块力学性能进行探究，混凝土试块制备为边长100mm 的立方体试块，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002 中的相关要求对混凝土试进行养护28d后，测试其抗压和抗拉强度。

2 结果与讨论

2.1 复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土抗压性能

2.1.1 沙漠砂替代率对混凝土抗压性能的影响

图1 给出了不同沙漠砂替代率下混凝土抗压强度的测试结果，从图1 可以看出，当粉煤灰掺量一定时，混凝土立方体试块的抗压强度测试结果随着沙漠砂替代率的增加表现出先增加后降低的趋势，并且当沙漠砂替代率为20%时，抗压强度达到最大值。其原因可能是普通中砂（粒径大）与沙漠砂（粒径小）在掺杂使用时，有助于优化原来单独用中砂作细骨料时出现的级配不合理情况，从而使混凝土内部粗细骨料和胶凝材料的分布更加均匀，从而提高了强度。但是沙漠砂主要是松散的母岩风化而成，其自身强度较低，因此在沙漠砂替代率继续增加时，沙漠砂混凝土强度开始降低[7]。

图1 不同沙漠砂替代率下混凝土抗压强度

2.1.2 粉煤灰掺量对混凝土抗压性能的影响

图2 给出了混凝土抗压强度与粉煤灰掺量的相关关系。可以看出，在沙漠砂替代率不变的前提下，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗压强度表现出先增加后降低的趋势，并且在粉煤灰掺量为10%时，混凝土的抗压强度达到最大值。其原因主要有两方面：

图2 粉煤灰掺量与抗压强度关系曲线

（1）粉煤灰自身细微颗粒的构造结构，有助于降低骨料在水泥浆体中的分散阻力，促进混凝土中的空隙被胶凝材料和细骨料充分填充，从而提高混凝土整体密实度，最终增加抗压强度。

（2）当掺入的粉煤灰过量时，导致混凝土中水化产物增加，整个体系变得更加黏稠，导致流动性下降和骨料分散不均。而且由于粉煤灰替代水泥，过高的粉煤灰掺量导致水泥用量减少，水灰比增大，胶凝材料不足，最终降低了抗压强度[8]。

2.2 复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土抗拉性能

图3和图4给出了复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土的劈裂强度测试结果，从图3和图4中可以看出，劈裂抗拉强度测试结果表现出的规律与抗压强度测试规律基本一致。随着沙漠砂替代率和粉煤灰掺量的增加，劈裂抗拉强度值都表现出先上升后下降的基本趋势。并且最大劈裂强度值均出现在沙漠砂替代率为20%和粉煤灰掺量为10%的配比情况下。

图3 沙漠砂替代率与劈裂抗拉强度关系曲线

图4 粉煤灰替代率与劈裂抗拉强度关系曲线

3 结束语

采用抗压强度和劈裂强度测试，分别评价了复掺粉煤灰和沙漠砂混凝土的力学性能，揭示了沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对混凝土抗压强度和抗拉强度的影响规律。试验结果表明：

（1）粉煤灰掺量保持不变的情况下，随着沙漠砂替代率增加，沙漠砂混凝土抗压强度表现出先增大后减小趋势，劈裂拉伸强度也进循此规律。并且沙漠砂替代率为20%时，沙漠砂混凝土抗压强度和劈裂拉伸强度均达到最大值。

（2）沙漠砂替代率保持不变的情况下，随着粉煤灰掺量的增加，沙漠砂混凝土28d抗压强度先增大后减小，劈裂拉伸强度变化规律与抗压强度一致；粉煤灰掺量为10%时，沙漠砂混凝土28d抗压强度和劈裂拉伸强度均达到最大值。