人工砂粉煤灰混凝土力学性能研究

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【摘　要】本文通过对比试验研究了人工砂粉煤灰混凝土的主要力学性能，主要是水灰比、粉煤灰掺量和养护龄期对混凝土立方体抗压强度的增长特征、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度和弹性模量等性能的影响。

【关键词】人工砂粉煤灰混凝土；力学性能

0.前言

人工砂粉煤灰混凝土是用人工砂替代天然砂并且用粉煤灰部分替代水泥的新型混凝土。开发人工砂粉煤灰混凝土从局部上，因地制宜，就地取材，还可以避免季节及市场供给波动的影响，可以为建设单位节省大量建设资金；从整体上，即可为我国规模宏大的工程建设提供资源化的混凝土原材供应，拓宽了我国基础行业可持续发展的空间，又可以大量消化工业废料，发挥其绿色环保效应，促进人类与大自然的协调发展；从技术上，可以通过等效替代获得与基准混凝土同等甚至优越的性能，可以通过单掺或双掺等方法研制更廉价更高性能的混凝土材料。

人工砂粉煤灰混凝土与普通混凝土的主要区别就是细集料不同和粉煤灰掺入的协同作用。细骨料的粒形、级配、表面特性、石粉等物理特性会显著影响混凝土内部过渡区的特征；而粉煤灰会发挥不同程度的形态效应、微集料效应和活性效应，从而极大地影响混凝土的综合特性，所以研究人工砂粉煤灰混凝土的力学性能是必要的，本文主要从宏观的角度来研究水灰比、粉煤灰掺量和龄期对各项力学性能的影响。

1.立方体抗压强度

本试验研究人工砂粉煤灰混凝土的立方体抗压性能，目的是为了得出常用粉煤灰掺量和水灰比对各龄期强度的影响规律，以及与基准混凝土的对比。减水剂取常用量，为胶凝材料用量的1％，新拌混凝土假定容重为2400kg/m3，将粉煤灰掺量取0％、20％、40％三个水平，水灰比变化考虑0.3（高强）、0.4（中强）、0.5（低强）三个等级，立方体抗压强度测试龄期分别为1.5d、3d、7d、14d、28d、46d、56d、90d，试验配合比方案见表1：

按照上表中的配合比进行试验可得表2：

上表中的试验结果，显示出了通过双掺配制的人工砂粉煤灰混凝土的立方体抗压强度的变化规律，我们将1.5天至14天龄期的强度称之为早期强度，将28天至90天之间的强度中期强度，则可以得到以下结论：

1、水灰比对混凝土强度的影响（见下图）

可以看出，直接根据实测的数据做散点图，由于试验误差的作用，所得强度发展曲线并不十分平滑，但从强度随龄期发展的趋势可以看出：

（1）水胶比越小，则混凝土各龄期强度越大。对于未掺粉煤灰的基准混凝土来说，虽然水灰比不同，但各龄期强度的增长函数从形态上来说基本相似，可见人工砂混凝土各龄期强度可由龄期表示。而且，人工砂混凝土由于减水剂的作用，早期强度增长地很快，3天强度即达28天强度的57％～75％，7天强度可达28天强度的80％以上，但是28天以后的增长速度明显放慢，到46天时仅增长了2％～5％。而且，水胶比较小时，其3天强度增长较快，水灰比从0.3到0.5的R3/R28分别是75％、71％、57％，但7天强度增长速度向差不多，R7/R28分别是83％、79.5％、77％。

（2）随着粉煤灰掺量的提高，混凝土的3天、7天强度明显比基准混凝土降低，粉煤灰掺量20％时，3天强度平均下降了13％，7天强度平均下降了8.4％，28天强度达到或接近基准混凝土的强度，56天强度基本上达到或超过基准混凝土的28天强度。对于粉煤灰掺量为40％时，各龄期强度降低较多，3天强度平均下降了41％，7天强度平均下降37％，28天时强度平均下降了28％，可见强度的增长速度超过了基准混凝土，但28天强度仍然降低很多。

由此可见，虽然可以通过双掺法提高人工砂粉煤灰混凝土的早期强度，但如果粉煤灰等量取代水泥率较大（40％左右），强度降低也是很明显的。不过随着龄期的增长，粉煤灰混凝土的后期强度有赶上基准混凝土的趋势，如果粉煤灰掺量不大（20％左右），甚至会超过基准混凝土。这为我们设计人工砂粉煤灰混凝土的配和比提供了一种观念：如果设计大掺量的人工砂粉煤灰混凝土，即使掺加减水剂也很难让混凝土的28天强度与基准混凝土等效，这时应该考虑将混凝土的设计龄期延长；如果设计中等掺量的粉煤灰混凝土，掺减水剂是个提高强度很有效的方法，或者通过超量取代粉煤灰来设计配合比，都是可能达到28天强度等效的。

2.劈裂抗拉强度

根据《混凝土力学性能试验方法》采用劈裂抗拉试验进行人工砂粉煤灰混凝土的抗拉性能试验，采用150mm*150mm*150mm的立方体作为标准试件，制作标准试件的最大粒径不大于40mm，本试验满足要求。

试验用配合比与立方体抗压试验的相同，试验结果列于表3。

说明：上表中fts7为7天劈拉强度，　fcu7为7天抗压强度，fts28为28天劈拉强度，　fcu28为28天抗压强度，单位均为Mpa。试验编号pl-x对应着立方体抗压试验中的ky-x。

可见，从上表中我们可以得到以下结论：

（1）对于立方体抗压强度从C20-C50的范围内，人工砂粉煤灰混凝土的劈裂抗拉强度和立方体抗压强度之比大致在1/10到1/14之间，与普通混凝土相当。其中，根据粉煤灰掺量的不同同强度等级下的拉压比也有所不同，见表4和表5。

如果用式来预测28天劈裂抗拉强度的话，那么当混凝土强度在C30到C50之间时，k值应该取0.19-0.22之间，其平均取值为0.207。

当混凝土强度在C25到C40之间时，k值应该取0.22-0.23之间，其平均取值为0.227。

由k值的取值范围可以看出，人工砂粉煤灰混凝土在立方体抗压强度一样时，粉煤灰掺量增加可能会提高混凝土的劈裂抗拉强度。

（2）对于人工砂粉煤灰混凝土劈裂抗拉强度随时间的变化，尽管28天劈裂抗拉强度值在7天劈裂值的基础上有所增长，但显然没有抗压值增长的快，同一配比7天时的拉压比要比28天时大。所以，同普通混凝土一样，人工砂粉煤灰混凝土的劈裂抗压强度在早期增长较快，后期增长较慢。

由此可以看出，人工砂粉煤灰混凝土由于粉煤灰的掺入，拉压比相比普通混凝土有所提高，抗拉性能可以得到改善，延性得以提高。

3.轴心抗压强度

根据《混凝土力学性能标准试验方法》进行，使用100mm*100mm*300mm试件，轴心抗压试验结果列于表6。

注：表6中fc7代表7天轴心抗压强度；fcu7代表7天150mm*150mm*150mm试件抗压强度；f’cu7=　fcu7/0.95，代表由150mm*150mm*150mm抗压强度换算而成的100mm*100mm*100mm7天抗压值；fc28代表28天轴心抗压强度，fcu28代表28天150mm*150mm*150mm试件抗压强度；f’cu28=　fcu28/0.95，代表150mm*　150mm*150mm抗压强度换算而成的100mm*100mm*100mm28天抗压值；试验编号zy-x对应着立方体抗压试验中的ky-x。

虽然不管是7天还是28天的轴心抗压值都比较离散，试验并没有反映出粉煤灰掺量对轴心抗压影响的准确规律，但可以看出，人工砂粉煤灰混凝土的轴心抗压值与立方体抗压值之比基本在0.70上下浮动，大致在0.6-0.76之间，这也与普通混凝土相当。

4.弹性模量

用100mm*100mm*300mm试件做人工砂粉煤灰混凝土的弹性模量试验，试验结果见表7。

注：表7中E/f的数量级为1×104。试验编号zy-x的配合比对应着立方体抗压试验中的ky-x。

可见，与普通混凝土相比，同等强度下人工砂粉煤灰混凝土的弹性模量较大；弹性模量值随着粉煤灰掺量的增加而略有减小；28天的弹性模量值比7天值略高；但是弹模与抗压强度比值随着龄期增长而降低，这是因为弹模主要跟骨料强度、水泥浆基体强度有关，与养护时间关系不很大。

5.结论

本文通过试验研究了人工砂粉煤灰混凝土在水灰比和粉煤灰掺量变化影响下的主要力学性能。水灰比、龄期和粉煤灰替代水泥率对混凝土的力学性能都有较大影响，犹应注意当粉煤灰掺量过高时，混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性膜量都会显著降低。人工砂粉煤灰混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度之比、轴心抗压强度与立方体抗压强度之比与普通混凝土类似，但弹性膜量要比普通混凝土略高。

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