人工砂粉煤灰混凝土基本力学性能试验研究.pdf
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1、第 3卷第 2期 2 0 0 6年 4月 铁道科学与工程学报 J OUR 垆 OF R AI L WAY S CI EN CE AN D EN GI NEE RI NG V o 1 3 No 2 Ap t 2 0 0 6 人工砂粉煤灰混凝土基本力学性能试验研究 赵顺波 。 夏铭 , 刘春杰 ( 1 华北水利水电学院 土木与交通学院, 河南 郑k l1 , 4 5 0 0 1 1 ; 2 焦作市公路管理局, 河南 焦作 4 5 4 1 5 2 ) 摘要: 通过试验研究了水胶比、 粉煤灰替代水泥率和超量系数对人 工砂混凝土立方体抗压强度、 轴心抗压强度、 弹性模 量、 劈裂抗拉强度和轴心抗拉强度的
2、影响规律, 提出了宜采用粉煤灰超量取代水泥配制人工砂粉煤灰混凝土, 确定了粉煤 灰替代水泥率和超量系数的合理取值范围; 分析了人工砂粉煤灰混凝土的轴心抗压强度、 弹性模量、 抗拉强度与立方体抗 压强度之间的关系, 提 出了设计计算方法, 探讨 了人工砂粉煤灰混凝土的强度随龄期变化规律。 关键词 : 混凝土 ; 人工砂 ; 粉煤灰 ; 强度 ; 弹性模量 ; 龄期 中图分类号: T U 5 2 8 2 文献标识码: A 文章编号: 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 o 6 ) 0 2 0 0 1 5 0 6 E x p e r i me n t a l s t u d y o n me
3、 c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f ma n u f a c t u r e d s a n d f ly a s h c o n c r e t e Z H A O S h u n b o , X I A Mi n g , L I U C h u n j i e 2 ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d C o m m u n i c a ti o n s ,N o r t h C h in a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n
4、s e r v a n c y and H y d r o e l t ri e P o w e r , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 , C h i n a 2 、 H i g h w a y A d m i n is t r a t i v e O f fi c e o f J i a o z u o C i t y , J i a o z u o 4 5 4 1 5 2 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T e s t s w e r e c a r ri e d o u t t o s t u d y t h e e le c
5、t s o f t h e r a t i o o f w a t e r t o b i n d e r t h e r a t i o a n d t h e o v e r w e i g h t c o e f - fi c i e n t o f P F A d i s p l a c i n g c e me n t o n t h e c u b i c c o m p r e s s e d s t r e n g t h ,t h e p ri s ma t i c c o mp r e s s e d s t ren gth, t h e e l a s t i c mo
6、d - u l u s ,t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t ren g t h a n d t h e a x i a l t e n s i l e s t ren gth o f ma n u f a c t u r e d s a n d c o n c ret e I t W as s u g g e s t e d tha t t h e m e t h o d o f P F A o v e r w e i ght d i s p l a c i n g c e m e n t s h o u l d b e a d o p t e
7、 d f o r m i x i n g m anu f a c t u red s a n d P F A c o n c r e t e T h e r a t i o n a l v alu e r a n g e s of t h e rat i o a n d t h e o v e r w e i g h t c o e f f i c i e n t o f P F A d i s p l a c i n g c e m e n t a r e p rop o s e d,A f t e r ana l y z i n g t h e rel a t i o n s h i p
8、s b e t w e e n t h e p ri s ma t i c c o mp r e s s e d s t ren gth, t h e t e n s i l e s t ren gth, t h e e l a s t i c modu l u s a n d t h e c u b i c c o mp res s e d s t ren g t h t h i s p a p e r ma d e p rop o s a l s f o r d e s i g n c a l c u l a t i o n a n d d i s c u s s e dt h e v a
9、 ri a t i o n o f s t ren g t h f o l l o w i n g ma i n t a i n t i me o f manu f a c t u red s a n d P F A c o n c ret e Ke y wo r d s : c o n c r e t e ; ma n u f a c t u r e d s a n d ; fl y ash; s t r e n gt h; e l ast i c modu l u s ; ma i n t a i n t i me 近年来, 我国进行大规模的基本建设, 为了保 护天然河道, 出现 了天然河
10、砂 资源 13益紧缺 问题 , 特别是在天然砂本来就 比较匮乏 的地区这种供需 矛盾更加突出。为此, 凭借当地丰富的石灰岩或砂 岩经机械破碎并筛分后制成人工砂。人工砂混凝 土在建筑结构中得到了愈来愈多 的工程应用 , G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 将人工砂正式列为建筑用砂。对 于公路桥梁结构, J T J (MI -2 0 0 0规定当天然河砂不 易得到时 , 也可采用硬质岩石加 【 的人工砂l 。但 是, 同样水泥用量的人工砂混凝土与天然河砂混凝 土相比, 存在拌合物 的粘聚性增大流动性低 , 抗压 强度偏高而抗拉强度偏低的特点l2 J 。如果施工 过程 中采用混凝土抗压
11、强度单项 力学指标进行配 合比设计, 就存在着混凝土抗拉强度不能满足设计 要求的可能性 , 导致结构抗裂可靠度降低l 6 j 。作为 燃煤 电厂副产品的粉煤灰应用于公路桥梁结构混 凝土, 在粉煤灰掺量合理范 围内, 具有提高混凝土 拌合物流动性, 提高f 昆 凝土耐久性和降低收缩与徐 变变形的优点 。因此, 将粉煤灰用于人_T砂 混凝土, 以提高其拌合物工作性和耐久性, 获得了 高性能人工砂粉煤灰混凝土l l 2 l 。在此, 作者介绍 人工砂粉煤灰混凝土基本力学性能研究成果 , 探讨 收稿 日期: 2 0 0 6 0 21 0 基金项 目: 河南省教育厅 白然科学研究计划项 目( 2 0 0
12、 4 5 6 0 0 0 3 ) 作者简介: 赵顺波( 1 9 6 4 一) , 男, 河北武邑人, 教授, 博士。 从事高性能预应力混凝土 、 纤维混凝土材料 结构研究 维普资讯 http:/ l 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 6年 4月 人工砂粉煤灰混凝土各种力学性能指标之间的换 算关系及其受粉煤灰掺量的影响规律 , 为工程应用 提供研究依据。 1 试验概况 试验采用焦作“ 坚固牌” 4 2 5 级普通硅酸盐水 表 l 水泥的物理力学性 能 T a b I e l P h y s i c a l a n d me c h a n i c a l p rop e r t
13、 i e s o f c e me n t 细度 4 2 5 3 9 3 0 2 h 2 l m in 3 h 2 6m in 2 6 5 5 2 2 5 3 8 馆 表 2 人工砂的物理性能 Ta b l e 2 P h y s ic a l p rop e r t i e s o f ma n u f a c t u r e d s a n d 试验测试混凝土的2 8 d 立方体抗压强度 轴压强度 ,弹性模量 , 轴拉强度 ,劈裂抗拉 强度 厂 c 等力学指标。选取用水量 1 9 5 k g m 3 , 水 胶比范围为0 3 5 0 5 5 , 以 0 0 5量级增加。每种 水胶比选择粉煤
14、灰替代率分别为 0 , 1 5 , 2 5 和 3 5 , 每个粉煤灰替代率选用超量系数为 1 0 , 1 3 , 1 5和 1 7 , 共进行 3 2 5组试件试验 。试件 的成型 、 养护和加载测试均按有关标准执行。 2 试验结果分析 2 1 粉煤灰对人工砂混凝土立方体抗压强度的影 响 粉煤灰等量替代水泥配制的人工砂粉煤灰混 凝土立方体抗压强度 , 基本上呈现低于同配比人工 砂混凝土的立方体抗压强度 , 且随着粉煤灰等量替 泥, 其物理力学性能见表 1 。选用焦作市附近山区 规模较大的人工砂场生产的石灰岩质人工砂 , 其物 理性能见表 2 。粗集料由 2 种级配的石灰岩质碎石 混合, 粒径
15、为 l O 2 0 m m的碎石占6 0 , 粒径为 5 1 0 n i n l 的碎石占4 o , 其物理性能见表 3 。选用焦作 电厂生产的 级粉煤灰, 其主要性能见表4 。 表 3 石 子物理性能指标 1 e 3 P h y s i c a l p rop e r t i e s o f c 0 a r s e a g g r e g a t e 细度 烧失量 需水量比 含水量 三氧化硫 代水泥率增大而降低的变化规律, 仅在水胶比为 O 4 5 、 粉煤灰替代水 泥率配合 比为 1 5 时的人 工 砂粉煤灰混凝土立方体抗压强度提高5 2 。 在粉煤灰超量系数一定范围内, 粉煤灰超量代 替
16、水泥配制的人工砂粉煤灰混凝土立方体抗压强 度可达到或超过同配比人工砂混凝土的立方体抗 压强度。此时, 粉煤灰超量系数与水胶比、 粉煤灰 替代水泥率相关( 图 1 ) , 粉煤灰替代水泥率不宜超 过2 5 , 当混凝土强度等级在 C 6 0以下时粉煤灰 超量系数宜取为 1 3 1 5 , 当混凝土强度等级在 C 6 0以上时粉煤灰超量系数宜取为 1 3 。 2 2 粉煤灰对人工砂混凝土轴心抗压强度的影响 人工砂粉煤灰混凝土轴心抗压强度与立方体 抗压强度的比值在 0 7 6 左右浮动, 其变化趋势与 粉煤灰替代水泥率和粉煤灰超量系数相关, 并表现 粉煤灰替代水泥率 , ( a ) 一w c=0 ,
17、 3 5 ; ( b ) 一w c =0 4 5 ; ( c ) 一w c =0 5 5 粉煤灰超量系数: l 1 0 ; 2 一1 3 ; 3 1 5 ; 4 1 7 图 l 粉煤灰对人工砂混凝 = II 立方体抗压强度的影响规律 F i g 1 E ff e e l o f P FA O i l c u b i c c o n or e s ,d s t r e n g t h o f u mu f a c t u r e d s a n d e o n c r e l e 善 维普资讯 http:/ 第 2 期 赵顺波, 等: 人工砂粉煤灰混凝土基本力学性能试验研究 l 7 。 ( a
18、1 t t- T 一 : 一- 一 I f o M P a ( b 1 - 一 r吒一-_ - 一一 l 1 1 O 9 墓 o O 5 O _ 3 f M P a 粉煤灰超量系数 : 一 1 O ; - 一 1 3 ; 一 1 5 ;t 1 7 。 【 c J 诤 - - ( - _ 3 0 4 0 5 O 6O 7 O 8 O f o MP a 粉煤灰替代水泥牢 : ( a ) 一1 5 ; ( b ) 一2 5 ; ( c ) 一3 5 图2 粉煤灰对人工砂混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度比值的影响 F i g 2 E ff e c t o f P F A 0 13 r a t i o
19、 o f p ri s ma t i c t o c u b i c c o mp r e s s e d s t r e n g t h o f ma n u f a c t u r e d s a n d c o n c r e t e 出随着立方体抗压强度增大而减小的趋势( 图 2 ) 。 如果仅考虑粉煤灰代替水泥率为 1 5 和 2 5 、 粉 煤灰超量系数为 1 3和 1 5配制 的人工砂粉煤灰 混凝土, 轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值平 均为 0 7 5 8 , 标准差为 0 1 1 2 。显然, 这一规律不符 合规范 J T G D 6 2 -2 0 0 4规定混凝 土轴 心
20、抗压 强度 与立方体抗压强度的比值I j : C 5 0 及其以下的混凝 土, 取值为0 7 6 ; C 5 5 C 8 0混凝土, 取值为 0 7 8 0 8 2。 从试验过程观察, 高强度的人工砂粉煤灰混凝 土的受压破坏脆性 明显小于天然砂混凝土, 混凝土 破坏呈现“ 酥碎” 状态而非“ 块状崩裂” , 可以推断是 由于大量粉煤灰微颗粒填充在混凝土内部空隙内, 在混凝土骨架材料受力过程中, 起到了一种润滑作 用, 对 内部受力体 系进行 了重新分配调整。因此 , 对于人工砂粉煤灰混凝土 , 在考虑轴心抗压强度与 立方体抗压强度 比值 与规范 J T G D 6 2 m2 0 0 4规定 值
21、之间的差异时, 应将天然砂高强混凝土的脆性折 减系数 一并计 入。按 规范 D 6 2 -2 0 0 4规 定: C A0C 8 0混凝 土 的脆 性折 减 系数 取为 1 0 0 0 8 7 , 中间按直线插入。 因此, 人工砂粉煤灰混凝土轴压强度与立方体 抗压强度的比值可按规范 J T G D 6 2 m2 0 0 4规定的 普通混凝土轴压强度与立方体抗压强度的比值与 混凝土的脆性折减系数的乘积来取值, 如图2中的 斜虚线所示。可见, 本试验采用粉煤灰超量替代水 泥配制的混凝土 , 基本上满足规 范 D 6 2 m2 0 0 4 规定的混凝土轴压强度与立方体抗压强度的换算 关系。 2 3
22、粉煤灰对人工砂混凝土弹性模量的影响 试验表明, 人工砂粉煤灰混凝土的弹性模量随 着粉煤灰替代率和粉煤灰超量系数的增加而减小。 规范 J 他 D 6 2 m2 0 0 4规定 , 混凝 土弹性模量 E c按 下式计算: E = 2 2 + 3 4 7 4。 将本试验人工砂粉煤灰混凝土弹性模量实测 值与式( 1 ) 计算值的比值以及立方体抗压强度关 系见图3 。 可见, 该比值随着混凝土立方体抗压强 度的增大而减小, 但均大于 1 0 。 因此, 可以采用式 ( 1 ) 计算人工砂粉煤灰混凝土的弹性模量。 2 4 粉煤灰对人工砂混凝土抗拉强度的影响 试验表明, 人工砂粉煤灰混凝土的轴心抗拉强 度随
23、着粉煤灰替代水泥率和粉煤灰超量系数的增 加而降低。 规范 J T G I ) 6 2 -2 0 0 4规 定, 混凝土轴心 抗拉强度 按下式计算: =0 3 9 5- 。 ( 2 ) MP a 图 3 人工砂粉煤灰混凝土的弹性模量变化规律 F i g , 3 V a ria t i o n o f e l a s t i c mo d u l u s o f ma n u t tc t u r e d s a n d PF A c o n c r e t e 将本试验人工砂粉煤灰混凝土的轴心抗拉强度 实测值 与式( 2 ) 计算值 的比值及立方体抗压强 度关系见图4 , 可见, 该比值随着混凝
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