摻粉煤灰沙漠砂混凝土抗壓強度試驗研究*

孫晨，秦擁軍，馬龍飛，潘昌遠，喬恒煊

（1. 新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2. 新疆生產建設兵團建筑科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

我國經濟發展正處在迅猛發展階段，大量基礎設施項目的建設必然需要大量的混凝土材料，作為制作混凝土所需要的細骨料——天然砂也必將得到大量的使用，建筑工程用砂資源短缺的矛盾日益突出。天然砂不僅有限，且開采成本較高，尤其是在表層砂石逐步枯竭的當下，要想獲取天然砂石就必須進行深度的開掘，不僅增加了生產投資成本，而且還對周邊環境造成極大的危害。過度開采河砂對環境造成的影響已十分惡劣，包括河床整體下切、破壞河水流域生態環境、壩體基礎坍塌和洪水等[1]。此外，大量開采河砂也會破壞基礎設施（路基坍塌、橋梁基礎侵蝕等）、使沿海生態系統失穩以及對旅游考古遺址存在的潛在破壞等[2]。

新疆有豐富的沙漠砂資源，其沙漠總面積為 35.156萬平方公里。沙漠砂資源的挖掘潛力非常大，如果沙漠砂能夠取代或部分取代建筑工程用砂應用于土建工程中，則對自然資源、環境保護和可持續發展等方面具有較大的影響。同時，沙漠砂替代天然砂對新疆地區荒漠化治理也起到一定的積極作用。

由于沙漠砂級配差，并且砂的顆粒比普通砂更細，因此為了更好地利用沙漠資源，國內外學者對沙漠砂也做了一定的研究，國外的一些學者配制出高強度的混凝土[3-6]。我國的一些學者如郭威[7]等做了密實度試驗、李志強[8]等做了不同沙漠砂取代率下的抗壓強度的影響試驗、孫帥[9]等做了高溫下劈裂抗拉強度的試驗。本文采用塔克拉瑪干沙漠地區沙漠砂，研究在不同水膠比、沙漠砂取代率和不同粉煤灰摻量下對立方體抗壓強度的影響規律。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

（1）水泥：新疆烏魯木齊天山水泥廠生產的天山牌 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥，化學成分見表 1。

（2）摻合料：粉煤灰來自于新疆烏魯木齊市的紅雁池發電廠，化學成分見表 1。

表1 膠凝材料化學成分 %

（3）粗骨料：新疆地區的卵石，粒徑在 5～20mm之間，級配連續，石子的體積密度為 2700kg/m3。

（4）細骨料：新疆地區的水洗中粗砂，細度模數為 2.97，表觀密度 2487.5kg/m3。

（5）沙漠砂：取自塔克拉瑪干沙漠，為新疆巴州輪臺縣塔河油田沙漠公路 62 公里處背風浮砂，平均粒徑 0.963mm，細度模數為 0.855，相關化學成分如表 2所示。

表2 中粗砂及沙漠砂主要化學成分 %

表3 沙漠砂混凝土各材料用料表

（6）外加劑：取自烏魯木齊市南山的混凝土攪拌站的減水劑母液（聚羧酸系），減水率為 25%～30%。

（7）水：澆筑及養護用水均為烏魯木齊市自來水。

1.2 試驗過程及試件制作

試驗采用正交的試驗方法，取水膠比（A）、沙漠砂取代率（B）、粉煤灰摻量（C）為試驗三個影響因素，每個因素下又考慮四個水平。由于沙漠砂吸水率較大，造成混凝土流動性降低，因此采用增大砂率的方法來提高混凝土的流動性，根據相關規范，選取砂率為 35%。膠凝材料的 0.6% 為減水劑的用量。選取 L16(43)，材料的用量表如表 3 所示。試件為邊長150mm 的標準立方體試塊。經 24 小時后進行脫模，在(20±2)℃ 的溫度以及相對濕度為 (97±1)% 的條件下對試塊進行標準養護，隨后進行抗壓強度的測試。

1.3 試驗設備及試驗方法

立方體抗壓強度試驗選擇 YAW-3000 型力試驗機，最大的量程是 3000kN，加載速率為 0.6MPa/s，試驗裝置如圖 1 所示。試驗測試根據國家目前相關現行規范標準分別測 3d、7d 和 28d 的抗壓強度值。

2 試驗現象及試驗結果

2.1 試驗現象

在剛加荷載時，表面并沒有出現裂縫，但荷載逐漸增大后，邊緣的部位開始出現裂縫，并且當荷載持續增大時，裂縫開始延伸開展且其寬度也漸漸變大，最后在試件表面貫通，繼而試件被壓壞，期間伴隨著較大的聲響，其破壞后的界面如圖 2 所示。由圖 2 可以看出，抗壓破壞的形式主要為粗骨料與水泥砂漿之間的界面過渡區發生的破壞。

圖1 試驗裝置

圖2 破壞后圖片

2.2 試驗結果

混凝土抗壓強度結果如表 4 所示。

表4 混凝土抗壓強度試驗結果

3 試驗結果分析

3.1 和易性因素指標極差分析

現從流動性、保水性、粘聚性三個方面對沙漠砂混凝土工作性能進行量化分析。先對保水性和粘聚性進行賦值（好=5、較好=4、一般=3、較差=2、差=1）量化，而坍落度值是流動性體現的一個范圍區間，可以進行數據分析。對其和易性的量化值進行極差分析，詳見表 5。由試驗數據可知影響坍落度因素排序為：粉煤灰摻量 C＞水膠比 A＞沙漠砂取代率 B；影響粘聚性因素排序為：沙漠砂取代率 B＞水膠比 A＞粉煤灰摻量 C；影響保水性因素排序為：水膠比 A=粉煤灰摻量 C＞沙漠砂替代率 B。

表5 和易性因素指標極差分析表

3.2 抗壓強度極差分析

通過對 3d、7d 和 28d 齡期下抗壓強度值進行極差分析，結果見表 6。根據表 6 結果分析，影響 7d 和 28d混凝土各齡期抗壓強度因素程度排序均為：水膠比 A＞粉煤灰摻量 C＞沙漠砂替代率 B；影響 3d 沙漠砂混凝土各齡期抗壓強度因素程度排序均為：沙漠砂替代率 B＞水膠比 A＞粉煤灰摻量 C。

3.3 抗壓強度方差分析

抗壓強度方差分析表如表 7 所示。從表中可以看出水膠比對沙漠砂混凝土 7d、28d 強度值影響十分顯著，對其 3d 強度影響較顯著；粉煤灰摻量對 28d 強度影響十分顯著，對 7d 強度影響較為顯著，對 3d 強度影響不顯著；沙漠砂替代率對其 3d 強度影響十分顯著，對28d 影響為一般顯著，對 7d 影響為不顯著。

3.4 最優配合比確定

綜合各因素對不同齡期塔克拉瑪干沙漠砂混凝土抗壓強度以及工作性分析：A 因素對其抗壓強度、和易性指標為主要因素，通過表 4 與可以看出當 A 因素取 A1時，其抗壓強度、和易性均達到最優狀態，故建議水膠比取為 A1；當 B 因素取 B2 時，沙漠砂混凝土的和易性均得到了良好的改善，且提高了其 28d 抗壓強度，故建議沙漠砂摻量取值為 B2；當 C 因素取值為 C2 時，其坍落度、保水性、粘聚性處于較好狀態，且各齡期抗壓強度也比較高，故此處建議粉煤灰摻量為 C2，即10% 粉煤灰摻量。

表6 抗壓強度極差分析表

表7 抗壓強度方差分析表

4 結論

通過對塔克拉瑪干沙漠砂混凝土立方體抗壓強度正交試驗分析,可以得到以下結論：

（1）由試驗結果分析可知，抗壓強度隨著水膠比的增大而減小、隨著沙漠砂取代率的增加呈先減小后增大的趨勢、隨著粉煤灰摻量的增加整體呈現先增大后減小的規律。

（2）由極差分析可知影響 7d 和 28d 沙漠砂混凝土各齡期抗壓強度因素程度排序均為：水膠比 A＞粉煤灰摻量 C＞沙漠砂替代率 B；影響 3d 沙漠砂混凝土各齡期抗壓強度因素程度排序為：沙漠砂替代率 B＞水膠比A＞粉煤灰摻量 C；影響坍落度因素排序為：粉煤灰摻量 C＞水膠比 A＞沙漠砂取代率 B；影響粘聚性因素排序為：沙漠砂取代率 B＞水膠比 A＞粉煤灰摻量 C；影響保水性因素排序為：水膠比 A=粉煤灰摻量 C＞沙漠砂替代率 B。

（3）綜合分析后可以得出最佳配合比為A1B2C2，即水膠比為 0.35、沙漠砂取代率為 20%、粉煤灰摻量為 10%。