掺粉煤灰沙漠砂混凝土抗压强度试验研究*

孙晨，秦拥军，马龙飞，潘昌远，乔恒煊

（1. 新疆大学建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047；2. 新疆生产建设兵团建筑科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

我国经济发展正处在迅猛发展阶段，大量基础设施项目的建设必然需要大量的混凝土材料，作为制作混凝土所需要的细骨料——天然砂也必将得到大量的使用，建筑工程用砂资源短缺的矛盾日益突出。天然砂不仅有限，且开采成本较高，尤其是在表层砂石逐步枯竭的当下，要想获取天然砂石就必须进行深度的开掘，不仅增加了生产投资成本，而且还对周边环境造成极大的危害。过度开采河砂对环境造成的影响已十分恶劣，包括河床整体下切、破坏河水流域生态环境、坝体基础坍塌和洪水等[1]。此外，大量开采河砂也会破坏基础设施（路基坍塌、桥梁基础侵蚀等）、使沿海生态系统失稳以及对旅游考古遗址存在的潜在破坏等[2]。

新疆有丰富的沙漠砂资源，其沙漠总面积为 35.156万平方公里。沙漠砂资源的挖掘潜力非常大，如果沙漠砂能够取代或部分取代建筑工程用砂应用于土建工程中，则对自然资源、环境保护和可持续发展等方面具有较大的影响。同时，沙漠砂替代天然砂对新疆地区荒漠化治理也起到一定的积极作用。

由于沙漠砂级配差，并且砂的颗粒比普通砂更细，因此为了更好地利用沙漠资源，国内外学者对沙漠砂也做了一定的研究，国外的一些学者配制出高强度的混凝土[3-6]。我国的一些学者如郭威[7]等做了密实度试验、李志强[8]等做了不同沙漠砂取代率下的抗压强度的影响试验、孙帅[9]等做了高温下劈裂抗拉强度的试验。本文采用塔克拉玛干沙漠地区沙漠砂，研究在不同水胶比、沙漠砂取代率和不同粉煤灰掺量下对立方体抗压强度的影响规律。

1 试验概况

1.1 试验材料

（1）水泥：新疆乌鲁木齐天山水泥厂生产的天山牌 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥，化学成分见表 1。

（2）掺合料：粉煤灰来自于新疆乌鲁木齐市的红雁池发电厂，化学成分见表 1。

表1 胶凝材料化学成分 %

（3）粗骨料：新疆地区的卵石，粒径在 5～20mm之间，级配连续，石子的体积密度为 2700kg/m3。

（4）细骨料：新疆地区的水洗中粗砂，细度模数为 2.97，表观密度 2487.5kg/m3。

（5）沙漠砂：取自塔克拉玛干沙漠，为新疆巴州轮台县塔河油田沙漠公路 62 公里处背风浮砂，平均粒径 0.963mm，细度模数为 0.855，相关化学成分如表 2所示。

表2 中粗砂及沙漠砂主要化学成分 %

表3 沙漠砂混凝土各材料用料表

（6）外加剂：取自乌鲁木齐市南山的混凝土搅拌站的减水剂母液（聚羧酸系），减水率为 25%～30%。

（7）水：浇筑及养护用水均为乌鲁木齐市自来水。

1.2 试验过程及试件制作

试验采用正交的试验方法，取水胶比（A）、沙漠砂取代率（B）、粉煤灰掺量（C）为试验三个影响因素，每个因素下又考虑四个水平。由于沙漠砂吸水率较大，造成混凝土流动性降低，因此采用增大砂率的方法来提高混凝土的流动性，根据相关规范，选取砂率为 35%。胶凝材料的 0.6% 为减水剂的用量。选取 L16(43)，材料的用量表如表 3 所示。试件为边长150mm 的标准立方体试块。经 24 小时后进行脱模，在(20±2)℃ 的温度以及相对湿度为 (97±1)% 的条件下对试块进行标准养护，随后进行抗压强度的测试。

1.3 试验设备及试验方法

立方体抗压强度试验选择 YAW-3000 型力试验机，最大的量程是 3000kN，加载速率为 0.6MPa/s，试验装置如图 1 所示。试验测试根据国家目前相关现行规范标准分别测 3d、7d 和 28d 的抗压强度值。

2 试验现象及试验结果

2.1 试验现象

在刚加荷载时，表面并没有出现裂缝，但荷载逐渐增大后，边缘的部位开始出现裂缝，并且当荷载持续增大时，裂缝开始延伸开展且其宽度也渐渐变大，最后在试件表面贯通，继而试件被压坏，期间伴随着较大的声响，其破坏后的界面如图 2 所示。由图 2 可以看出，抗压破坏的形式主要为粗骨料与水泥砂浆之间的界面过渡区发生的破坏。

图1 试验装置

图2 破坏后图片

2.2 试验结果

混凝土抗压强度结果如表 4 所示。

表4 混凝土抗压强度试验结果

3 试验结果分析

3.1 和易性因素指标极差分析

现从流动性、保水性、粘聚性三个方面对沙漠砂混凝土工作性能进行量化分析。先对保水性和粘聚性进行赋值（好=5、较好=4、一般=3、较差=2、差=1）量化，而坍落度值是流动性体现的一个范围区间，可以进行数据分析。对其和易性的量化值进行极差分析，详见表 5。由试验数据可知影响坍落度因素排序为：粉煤灰掺量 C＞水胶比 A＞沙漠砂取代率 B；影响粘聚性因素排序为：沙漠砂取代率 B＞水胶比 A＞粉煤灰掺量 C；影响保水性因素排序为：水胶比 A=粉煤灰掺量 C＞沙漠砂替代率 B。

表5 和易性因素指标极差分析表

3.2 抗压强度极差分析

通过对 3d、7d 和 28d 龄期下抗压强度值进行极差分析，结果见表 6。根据表 6 结果分析，影响 7d 和 28d混凝土各龄期抗压强度因素程度排序均为：水胶比 A＞粉煤灰掺量 C＞沙漠砂替代率 B；影响 3d 沙漠砂混凝土各龄期抗压强度因素程度排序均为：沙漠砂替代率 B＞水胶比 A＞粉煤灰掺量 C。

3.3 抗压强度方差分析

抗压强度方差分析表如表 7 所示。从表中可以看出水胶比对沙漠砂混凝土 7d、28d 强度值影响十分显著，对其 3d 强度影响较显著；粉煤灰掺量对 28d 强度影响十分显著，对 7d 强度影响较为显著，对 3d 强度影响不显著；沙漠砂替代率对其 3d 强度影响十分显著，对28d 影响为一般显著，对 7d 影响为不显著。

3.4 最优配合比确定

综合各因素对不同龄期塔克拉玛干沙漠砂混凝土抗压强度以及工作性分析：A 因素对其抗压强度、和易性指标为主要因素，通过表 4 与可以看出当 A 因素取 A1时，其抗压强度、和易性均达到最优状态，故建议水胶比取为 A1；当 B 因素取 B2 时，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 抗压强度，故建议沙漠砂掺量取值为 B2；当 C 因素取值为 C2 时，其坍落度、保水性、粘聚性处于较好状态，且各龄期抗压强度也比较高，故此处建议粉煤灰掺量为 C2，即10% 粉煤灰掺量。

表6 抗压强度极差分析表

表7 抗压强度方差分析表

4 结论

通过对塔克拉玛干沙漠砂混凝土立方体抗压强度正交试验分析,可以得到以下结论：

（1）由试验结果分析可知，抗压强度随着水胶比的增大而减小、随着沙漠砂取代率的增加呈先减小后增大的趋势、随着粉煤灰掺量的增加整体呈现先增大后减小的规律。

（2）由极差分析可知影响 7d 和 28d 沙漠砂混凝土各龄期抗压强度因素程度排序均为：水胶比 A＞粉煤灰掺量 C＞沙漠砂替代率 B；影响 3d 沙漠砂混凝土各龄期抗压强度因素程度排序为：沙漠砂替代率 B＞水胶比A＞粉煤灰掺量 C；影响坍落度因素排序为：粉煤灰掺量 C＞水胶比 A＞沙漠砂取代率 B；影响粘聚性因素排序为：沙漠砂取代率 B＞水胶比 A＞粉煤灰掺量 C；影响保水性因素排序为：水胶比 A=粉煤灰掺量 C＞沙漠砂替代率 B。

（3）综合分析后可以得出最佳配合比为A1B2C2，即水胶比为 0.35、沙漠砂取代率为 20%、粉煤灰掺量为 10%。