李根峰，申向东，吴俊臣，董　伟，薛慧君，刘　昱

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特　010018)



风积沙混凝土收缩变形的试验研究

李根峰，申向东，吴俊臣，董伟，薛慧君，刘昱

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特010018)

本文选取内蒙古库布齐沙漠的风积沙进行风积沙混凝土的收缩变形试验研究。为了探讨风积沙掺量对混凝土收缩变形的影响，按照实验室配合比，将搅拌好的混凝土制成100 mm×100 mm×515 mm的棱柱体试件。在自然养护条件下，采用非接触式混凝土收缩变形测定方法试验不同风积沙掺量下3 d内的收缩变形，同时进行无侧限抗压强度与劈裂强度试验，得到表征风积沙混凝土收缩变形规律的收缩率曲线。结果表明，随着风积沙掺量的增加，风积沙混凝土的收缩变形逐渐增大。

风积沙混凝土； 自然养护； 非接触式； 收缩变形

1　引　言

风积沙又名沙漠沙，是被风吹，积淀的沙层。其在世界范围内储量丰富，我国也是风积沙分布比较多的国家之一[1]。目前国内外对风积沙的主要研究方向是：将风积沙作为路基的压实材料、风积沙代替普通砂(机制砂)配置砂浆、混凝土及风积沙混凝土耐久性方面[2]。如张生辉等利用图表和回归分析的方法研究风积沙作为路基填料的静力特性[3]；杨人凤等进行重型击实等试验研究风积沙的压实机理及压实特性[4]；陈忠达等探讨了沙基的压实机理，并提出了沙基干压实方法[5]；张长民等通过调整配合比和掺入外加剂配制沙漠超细砂混凝土[6]；王宏堂等使用陕北沙漠沙配制C40及其以下混凝土[7]；陈志飞等利用非洲撒哈拉沙漠地区的沙漠砂与机制砂混合配置制作了C50混凝土T梁构件[8]。

普通混凝土是指以水泥为胶凝材料，砂子和石子为骨料，经加水搅拌、浇筑成型、凝结固化成具有一定强度的“人工石材”，而由风积沙全部或部分替代普通砂(或机制砂)作为细骨料得到的具有一定强度的“人工石材”称为风积沙混凝土。

收缩是混凝土本身所固有的物理特性。混凝土受到约束时，收缩会导致混凝土产生收缩应力，当应力超过混凝土的抗拉强度后，混凝土产生裂缝。裂缝对混凝土的耐久性有很大影响，导致混凝土劣化的继续进行。用风积沙替代普通砂拌制的风积沙混凝土的工程应用也受到其收缩变形因素的影响。

笔者通过查阅大量文献资料发现，现在许多研究人员对风积沙作为公路工程路基等方面进行研究，对风积沙混凝土方面研究则相对较少，关于风积沙混凝土收缩变形的试验研究基本属于空白。本研究采用非接触式混凝土收缩变形测定方法对内蒙古库布齐沙漠的风积沙配制的混凝土进行收缩变形试验研究，进而探讨风积沙混凝土的收缩变形规律。

2　试　验

2.1试验材料

表2　试验用水泥的物理力学参数指标

表3　试验用粗骨料的物理力学参数指标

表4　试验用粉煤灰的物理力学参数指标

试验用沙采用内蒙古库布齐沙漠地区广泛分布的风积沙，普通砂取自内蒙古呼和浩特市周边砂场，其物理力学参数指标见表1；试验用水泥为P·O42.5，其物理力学参数指标见表2；试验用粗骨料采用卵碎石，其物理力学参数指标见表3；试验用二级粉煤灰取自呼和浩特市市金桥电厂，其物理力学参数指标见表4；试验用水为普通自来水。

2.2试验方法

依据《水工混凝土施工规范》和《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2011)中C25混凝土配合比设计的相关规定，按照风积沙掺量为0%、20%、40%、60%、80%和100%设计六种配合比见表5，水胶比均为0.55，砂率为0.48，粉煤灰采用等量替代法掺量为20%。根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GBT 50082-2009)，采用NJ-NES非接触式混凝土收缩变形测定仪连续3 d测定混凝土的收缩变形并得到收缩率曲线；根据《混凝土强度检验评定标准》(GB/T50107-2010)，采用微机控制全自动压力试验机(WHY-3000型)、微机控制电液伺服万能试验机(WAW-3000型)分别测定风积沙混凝土的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度。

试件分为100 mm×100 mm×515 mm的收缩变形试件、养护龄期为7 d、28 d的100 mm×100 mm×100 mm的无侧限抗压强度试件及养护龄期为28 d的劈裂抗拉强度试件各六组，每组三块。

表5　风积沙砼(C25)配合比设计

3　结果与讨论

3.1试验结果

不同养护龄期、不同风积沙掺量的风积沙混凝土试件物理性能指标检测数据见表6。

表6　风积沙混凝土物理性能指标

Note: The data in the table are converted to the conversion factor.

不同风积沙掺量的混凝土试件收缩率部分数据见表7。

表7　不同风积沙掺量的混凝土收缩率部分数据汇总表

续表

Note:when the concrete shrinkage strain is positive, the concrete shrinkage deformation; when the shrinkage strain of concrete is negative, the expansion deformation of concrete is indicated.

3.2风积沙混凝土的无侧限抗压强度及劈裂抗拉强度与风积沙掺量的关系

由表6可得风积沙混凝土的无侧限抗压强度及劈裂抗拉强度与风积沙掺量的关系曲线图1、2。

图1　风积沙混凝土7 d、28 d无侧限抗压强度与风积沙掺量的关系曲线图Fig.1　Relationship curves of 7 d and 28 d of the aeolian sand concrete, the unconfined compressive strength and the volume of the aeolian sand

图2　风积沙混凝土28 d劈裂强度与风积沙掺量的关系曲线图Fig.2　Relationship curves of 28 d of the aeolian sand concrete,the unconfined splitting strength and the volume of the aeolian sand

由图1、2可知，混凝土7 d、28 d的强度随着风积沙掺量的增加逐渐降低。风积沙混凝土7 d时，Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ四组的抗压强度相对于Ⅰ组的抗压强度分别下降了19.6%、9.2%、30.4%、31.5%，Ⅳ组前期增长较快，抗压强度相对于Ⅰ组增加了0.54%；风积沙混凝土28d时，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五组的抗压强度相对于Ⅰ组的抗压强度分别下降了3.0%、4.5%、7.2%、12.8%、21.9%；风积沙混凝土28 d时，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五组的劈裂强度相对于Ⅰ组的劈裂强度分别下降了14.3%、8.7%、12.4%、17.4%、20.5%。

综上所述，故风积沙掺量为0%、20%、40%、60%、80%、100%时，其28 d劈裂强度，7 d、28 d无侧限抗压强度随风积沙掺量的增加而逐渐降低。7 d抗压强度也随风积沙掺量的增加而逐渐降低，其中风积沙掺量为60%的Ⅳ组的抗压强度为18.5 MPa，强度略有提升。28 d抗压强度也随风积沙掺量的增加而逐渐降低，其中风积沙掺量为60%的Ⅳ组的抗压强度为24.6 MPa，已略低于C25混凝土抗压强度的要求。如果继续增大风积沙的掺量，则会严重影响混凝土的抗压强度。

3.3风积沙混凝土的收缩变形与风积沙掺量的关系

由表7可得风积沙混凝土收缩率与风积沙掺量的关系曲线图3。

图3　风积沙混凝土前期收缩率与风积沙掺量关系曲线图Fig.3　Relationship between the shrinkage rate and the volume of the aeolian sand in the pre-sand concrete

图4　风积沙混凝土试验环境温度变化曲线图Fig.4　Temperature variation curve diagram of aeolian sand concrete test environment

图5　风积沙混凝土试验环境湿度度变化曲线图Fig.5　Aeolian sand concrete test environment humidity change curve

风积沙砼收缩变形实验共进行六组，可得收缩率-掺量曲线图、温度-掺量曲线图、湿度-掺量曲线图3、4、5。具体分析如下。

由图3～5可知，实验环境较实验所需温度(20±2) ℃、所需相对湿度(60%±5%)略有变化，但基本满足试验要求；随着风积沙掺量的增加，风积沙混凝土收缩变形的变化规律为开始时持续上升到最后都趋于稳定，收缩变形稳定值逐渐增大；随着风积沙掺量的增加，风积沙混凝土收缩变形持续的时间逐渐变长，在混凝土浇筑后3 d内收缩变形较明显，3 d后基本上不再收缩。

3.4分析讨论

由表5可知，Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ、Ⅳ两组的减水剂掺量一致，风积沙掺量不一致，此时混凝土收缩变形的规律为前期增长较快，后期趋于稳定。这表明，在混凝土收缩变形试验的过程中，风积沙的掺量变化是影响风积沙混凝土性质的主导因素。

第Ⅰ组(AS:0%)中，t≦12 h时，收缩率持续上升，表现出一定的线性规律；13 h≦t≦72 h，收缩率在1.26×10-3%保持不变，表明混凝土收缩已达到最大值[9-11]。第Ⅱ组(AS:20%)、第Ⅲ组(AS:40%)、第Ⅳ组(AS:60%)、第Ⅴ组(AS:80%)、第Ⅵ组(AS:100%)收缩率达到稳定的时间点依次为11 h、22 h、21 h、24 h、26 h,收缩率稳定值依次为3.36×10-3%、8.11×10-3%、9.43×10-3%、10.45×10-3%、13.64×10-3%。相对于第Ⅱ～Ⅵ组，不掺风积沙即细骨料为普通砂的第Ⅰ组，其早期收缩变形较为明显，收缩变形稳定值最小。

混凝土的收缩主要是水泥石部分的收缩，同时砂的细度也会影响混凝土的收缩。由表1可知，试验用普通砂的细度模数为2.91，而用于代替普通砂的风积沙的细度模数为0.72，属于特细砂，掺入风积沙使混凝土内部细骨料表面积增大，导致混凝土的水化反应需水量增多及水化速度变慢。故风积沙掺量在20%～100%范围内逐渐增加时，混凝土的收缩变形逐渐增大，收缩变形达到稳定的时间也逐渐增多，在掺量为100%时收缩率达到最大值13.84×10-3%，但都在可控范围内。

4　结　论

(1)风积沙混凝土的早期无侧限抗压强度均满足C25设计要求，风积沙掺量为60%时的早期强度还略有提高；

(2)风积沙混凝土收缩变形随风积沙掺量的增加而增加，达到收缩变形稳定的时间也随之增加。收缩变形在0 h≦t≦24 h内增长较快，25 h≦t≦72 h内逐渐趋于稳定；

(3)风积沙掺量为60%及以下时，风积沙混凝土的无侧限抗压强度及劈裂强度均满足设计要求，收缩变形也在可控范围之内。为风积沙混凝土耐久性能等方面的后续研究提供了重要的理论依据，同时也对风积沙混凝土在水利工程、路面工程等工程中的实际应用具有指导意义，应用前景广阔，社会效益与经济效益显著。

[1] 吴俊臣，申向东,董伟，等.风积沙水泥基混凝土的工程应用与耐久性能研究现状[J].硅酸盐通报，2015，34(10)：2845-2850.

[2] 董伟，申向东，林艳杰,等. 风积沙的掺入对浮石轻骨料的影响[J].硅酸盐通报,2015,34(8):2101-2108.

[3] 张生辉，李志勇，彭帝,等. 风积沙作为路基填料的静力特性研究[J].岩土力学,2007,28(12):2511-2517.

[4] 杨人凤,曾家勇,林冬.风积沙压实机理及压实特性[J].长安大学学报,2011,31(4):22-26.

[5] 陈忠达, 张登良.风积沙路基压实技术的研究[J].中国公路学报,1999,12(2):13-17.

[6] 张长民,周伟,丁新龙,等.沙漠超细砂配制混凝土的应用研究[J].新型建筑材料，2001.

[7] 王宏堂，卫志民.陕北沙漠特细沙混凝土配合比的应用研究[J].建筑技术，2002,33(1):30-31.

[8] 陈志飞，谢欣欣，墨红超.沙漠砂与机制砂掺配使用配置C50混凝土[J]. 商品混凝土,2012,07:57-60.

[9] 尤启俊,顾本庭,田新.外加剂对混凝土收缩性能的影响[J].广东建材,2000,02:21-24.

[10] 王永平.混凝土收缩试验研究[D].天津：天津大学学位论文,2010.

[11] 高小建,阚雪峰,杨英姿.单面干燥条件下混凝土的收缩变形分布特征[J].硅酸盐学报,2009,37(1):87-91.

Experimental Study on Shrinkage Deformation of Aeolian Sand Concrete

LIGen-feng,SHENXiang-dong,WUJun-chen,DONGWei,XUEHui-jun,LIUYu

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

This paper selects aeolian sand from the KuBuQi desert of Inner Mongolia to conduct the research about the shrinkage deformation of aeolian sand concrete. To investigate the influence of different aeolian sand proportion on shrinkage deformation, according to labortary mixing proportion, with the test specimen in 100 mm×100 mm×515 mm, researchers are adopting the method of contact-less concrete shrinkage deformation to test shrinkage deformation of different aeolian sand proportion within three days with the natural curing. Meanwhile, with the test of unconfined compressive strength and splitting strength, researchers conclude a shrinkage curve about the law of aeolian sand concrete shrinkage deformation. As a result , with the increase of proportion of aeolian sand, shrinkage deformation of aeolian sand concrete is increasing.

aeolian sand concrete;natural curing;contact-less;shrinkage deformation

国家自然科学基金资助项目(51569021)；高等学校博士学科点专项科研基金(20121515110002)；内蒙古自治区应用与研究开发科技计划项目(20130425)

李根峰(1991-)，男，硕士研究生.主要从事混凝土耐久性方面的研究.

申向东，教授.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1213-06