风积砂混凝土强度及耐久性试验研究

刘旭军, 魏平平, 李睿妮, 余 彦

(1.青海省机场建设指挥部,青海 海东 810000;2.陕西省建筑科学研究院有限公司,陕西 西安 710082)

0 引 言

在改革开放之后,中国经济逐步腾飞,自此之后,混凝土需求量飞速增长。制备混凝土的主要原料即水泥与砂,当前混凝土中砂的主要来源是河砂与机制砂。河道采砂行为通常会污染水源、弱化湿地调节功能并间接影响水体生物多样性等。近些年,随着环保政策的落实与细化,多数地区已经禁止开采河砂。河砂减少后机制砂逐渐成为当前制备混凝土材料的主力军,一定程度上解决了河砂匮乏以及价格高昂的问题。但机制砂通常也伴随着许多环境问题,在混凝土用料中级配较差,因此风积砂逐渐走入大众视野。

作为世界上沙漠覆盖面积最大的国家之一,中国有着近80.89万km2沙漠面积,对于国土面积的占比约为8.43%,主要分布在西北、华北和东北的干旱、半干旱地区。国内专家从工程中逐渐认识到风积砂材料的特殊性,通常对其进行处理才能作为建筑结构。[1,2]Khay等[3]在路面建设中引入撒哈拉沙漠风积砂,扩充了路用的混凝土材料。Zhang等[4]研究表明,可以用适量风积砂代替河砂以达到技术需要满足实际工程需求的混凝土配制方法。邓焙元、刘清等[5]根据对风积砂的物理及化学特性、风积砂的基本力学性能和风积砂混凝土微观结构等几个方面的分析,对我国风积砂混凝土的性能研究进展做介绍,为后续研究提供基础。韩霞、刘清等[6]利用风积砂替代部分同等体积的天然河砂配制自密实混凝土,确定颗粒级配、风积砂取代率、砂率、粉煤灰和水胶比作为影响因素,根据4类水平因素设计正交试验,对自密实混凝土立方体进行劈裂抗拉强度、抗压强度试验。郑木莲、王倩倩等[7]对新疆古尔班通古特、塔克拉玛干等地区风积砂的表面特性、微观形貌、抗剪性能、孔隙性、粒度分布及元素组成进行了深入研究,研究证明,风积砂可以作为良好的建筑材料。李玉根、张慧梅等[8]针对不同质量分数风积砂代替河砂配制风积砂混凝土,从微观角度研究其基本力学性能和影响机制,研究表明,适量风积砂可以改善混凝土抗压强度,机制主要对颗粒级配进行了优化,以及混凝土内部的孔径分布范围和结构的改善。武海荣、金伟良等[9-11]研究冻融循环条件下环境参数变化对混凝土冻融损伤的影响规律,需求提出对现场冻融情况、现场与室内实验环境下混凝土冻融损伤之间的关系、混凝土抗冻特性三方面的数量化需求。杜鹏、姚燕等[12]认为冻融是造成混凝土损伤和劣化的最重要因素之一,混凝土在冻融损伤作用下的寿命预测已经成为当前的研究重点。

当前,我国在风积砂应用方面的研究仍以内蒙古、新疆地区为主,且实际应用中风积砂集中运用于路基工程,没有大范围应用于工程建筑当中,并且利用率较低,针对风积砂混凝土的研究更是凤毛麟角。本文所选取的研究对象沙漠砂来自榆林地区的毛乌素沙漠,对不同置换率、不同砂率混凝土进行宏观力学性能分析,并研究抗冻性能及规律。本文的研究成果可为实际工程中风积砂混凝土的应用提供一定的理论依据。

1 风积沙混凝土抗压强度试验

本文通过室内试验对不同龄期下混凝土的抗压强度进行测定,研究混凝土在不同置换率、冻融次数下的强度及劣化性能,研究成果为风积砂混凝土的工程应用提供一定参考意义。本文试验针对风积砂混凝土,设置为2种不同的砂率(30%,35%),分别置换0%、15%、45%、100%的风积砂,对其在不同龄期(3d、7d、14d、28d)时的抗压强度进行研究,分析得出养护龄期对风积砂混凝土抗压强度的影响。

1.1 试验方案设计

本试验共设计8组,水胶比为0.40,砂率为30%(LA、LB、LC、LD)、35%(LE、LH、LJ、LK),风积砂置换率分别为0%、15%、45%、100%,聚羧酸减水剂的掺量是胶凝材料的0.25%,本试验中水泥作为胶凝材料,减水剂掺入量即为水泥的0.25%,详细置换率见表1。

表1 C30混凝土风积砂置换率/(kg/m3)

根据以上配比制作试块8组,每组试块中1 000mm×1 000mm×1 000mm的试块为15个,留备用3块。试件制作过程如图1所示。

图1 风积砂混凝土抗压试验过程

1.2 试验结果及分析

进行抗压试验的相关步骤,试验结果见表2。

表2 不同龄期风积砂混凝土试样抗压强度

由表2所示,水胶比固定不变时,不影响试块抗压强度随置换率的提高呈现出先增后减趋势砂率的变化,强度与养护龄期呈正相关关系;在同等条件下,随着砂率的提高,混凝土强度有所提高,但增幅有限。前期抗压强度的增速高于后期,主要因为风积砂存在较大比表面积的情况,同体积下需水率大于基准组,进而在水胶比一定时,加入风积砂能够减少水化时长,因此初期的抗压强度较快,并于后期趋近平缓。

评定标准为抗压强度时,置换率在水胶比为0.4时的最优比为35%,抗压性能在风积砂置换率45%时最好。

2 风积砂混凝土冻融劣化试验

为研究冻融环境中混凝土试块砂率、风积砂置换率在不同条件下的损伤演化规律,分析得到分级置换率的合理区间,本文从质量损失率、抗压强度损失率和相对动弹性模型三个角度对风积砂混凝土冻融性能进行分析,得到具有良好抗冻性能置换率的试块。

2.1 试验方案设计

试块置换率见前文,试冻后置换率在15%、45%时抗冻性较差,因此将10次冻融循环视为一级冻融循环终止条件一般为:①已达到300次循环;②相对动模量减小至60%以下质量损失超过5%。

终止条件中相对动弹性模量指达到规定循环冻融次数后,将试件取出并擦干表面水分涂抹凡士林,用非金属超声检测仪测量冻融后风积砂混凝土的声时。质量损失即为质量损失率,指冻融循环后质量减少值和原值的比,抗压强度同上。

2.2 试验结果及分析

通过对不同砂率和不同风积砂置换率风积砂混凝土冻融后进行抗压强度试验,得到冻融次数与抗压强度的关系曲线如图2所示。

图2 风积砂混凝土不同砂率冻融循环次数与抗压强度关系曲线

根据图3,试块在砂率一定时,冻融次数逐渐增加抗压强度呈递减趋势,但风积砂置换率的不同递减的趋势也大相径庭。不置换与45%以下置换的试块伴随着冻融循环次数增加大致均呈斜向下直线递减的趋势,且降低区间较小,但幅度很大。即所能承受冻融循环次数不多,故抗冻性较差。而完全置换后试块的降低速率明显降低,下降较为平缓,并且降低区间较大,达到破坏标准需要的时间明显提升,即能够承受多次冻融循环,有较好的抗冻性。LA经过 125次冻融循环时,试块抗压强度减小了17%,LB、LC可承受次数更小,在55次循环时,分别减小了12%、11%,而LD在200次循环时抗压强度仅减小了4%,远低于破坏标准25%,LE循环150次后,抗压强度降低了21%,LH、LJ在65次时,依次降低了11%、13%,而LK经历冻融循环250次时,仅减小了3%,远小于破坏标准25%。根据以上分析数据可知,对其砂率进行适当提高能够改善试块的抗冻性,且在大置换率情况下,风积砂的掺入能够大幅提高其抗冻性能,但置换率低反会对抗冻性造成不良影响。原因为引入风积砂会造成内部孔隙数量增加,而孔隙所增加的面积与普通混凝土孔隙面积相比较小,即增加的多数为小孔隙数量。因此混凝土抵抗变形和受荷的有效断面面积会变大,换言之,定量的风积砂置换后会提高其抗压强度。但此时处于大小孔并存状态,封闭小孔隙数量不能抵制内部冻胀应力,抗冻性不足导致强度迅速降低。绘制风积砂混凝土不同砂率冻融循环次数与抗压强度关系曲线如图3所示。

图3 风积砂混凝土不同砂率冻融循环次数与抗压强度关系曲线

根据图3,砂率不变时,随冻融次数增加混凝土对测声时有明显增大趋势。而增大区间并不一致,砂率30%的情况下,LB、LC由于增大区间较小,在经历冻融循环55次后达到破坏标准而基准组LA达到破坏时经历了125次,若将河砂以风积砂全部置换的LD组经过200次循环后才达到破坏,局部掺入风积砂的试块与基准组相比冻融性较差,而完全置换的试块相较于基准组性能较好。在35%砂率下,LH、LJ增大区间较小,达到破坏时经过了65次,基准组LE经过150次后破坏,而完全置换组LK在250次循环时才破坏,与30%砂率的情况一致。据此现象可以得出,混凝土局部置换风积砂会降低混凝土的抗冻性,若全部置换会大幅提高混凝土抗冻性,35%砂率的试块抗冻性整体上会比30%砂率时的抗冻性好。可见合理提高砂率,试块的抗冻性会提高,原因是砂率的提高在一定程度减少了水泥用量,水泥中细骨料占比有了一定的提高。天然状态下,风积砂相较于河砂更为细腻、光滑,能够降低粗细骨料间的摩擦,对于试块内部结构而言可抵消部分应力,此外,也可对粗骨料间的孔隙有更好的填充作用,使其拥有更加紧实的内部结构,因此有良好的抗冻性。

3 结 论

本文针对不同砂率、不同风积砂置换率混凝土进行抗压强度试验和冻融劣化试验,得到不同因素对风积砂混凝土抗压强度的影响,具体如下:

(1) 风积砂置换率对抗压强度造成的影响为先增后减,原因是砂率过低时,水泥浆体溢出严重,但风积砂长期遭受风沙打磨吹蚀,摩擦力较小,能够较好地和石子粘结,填充更多空隙,提高其密实度。置换率过高时,水泥浆体不足,无法减小摩阻力,流动性降低,造成内部产生空隙较多。河砂被完全置换时,变相降低了粗骨料的使用量。评定标准为抗压强度时,置换率在水胶比为0.4时的最优比为35%,抗压性能在风积砂置换率45%时最好。

(2) 在冻融环境下,伴随冻融次数增加。试块质量、强度呈递减趋势,而混凝土测声时呈增大趋势。声时曲线均为上升趋势,且在置换率45%以下,上升区间较小,抗冻性较差,完全置换河砂后,上升区间明显扩大,且抗冻性较好。砂率35%试块各个指标均优于砂率30%的试块,证明试块砂率的合理性提高能够改善试块性能。