高温后不同沙漠砂替代率砂浆单轴受压力学性能试验研究
0 引言
砂作为配制混凝土必不可少的材料之一，在我国分布很不均衡，在许多地区其用量和储量已不能满足当今工程建设的需要。利用沙漠砂部分或全部替代中砂配制沙漠砂混凝土已经成为必然选择。沙漠砂的工程应用不仅能降低工程成本、节约资源，还能缓解沙漠地区沙漠化压力，符合国家可持续发展战略。
目前，国内外学者对沙漠砂的工程应用做了一定的研究。如张国学 [1]、刘海峰 [2]、Seif [3]、Al-Harthy [4]、Luo [5]等，但大部分学者仅局限于对沙漠砂混凝土的研究，而对含一定沙漠砂掺量砂浆的研究较少。因此，需要通过试验得到不同沙漠砂替代率砂浆的力学性能，为配制沙漠砂混凝土提供理论依据。结合建筑火灾的易发、多发、频发，本文通过对高温后不同沙漠砂替代率砂浆进行单轴受压试验，得到了高温后不同沙漠砂替代率砂浆单轴受压应力-应变曲线，分析了温度和沙漠砂替代率对砂浆峰值应力、弹性模量、峰值应变和泊松比的影响。
1 试验概况
1.1 试验材料与配合比
水泥采用42.5R普通硅酸盐水泥；中砂采用当地人工水洗砂，细度模数2.38;沙漠砂取自毛乌素沙漠，细度模数0.292;粉煤灰采用当地电厂生成的I级粉煤灰，含水率0.2%,烧失量2.8%;减水剂采用聚羧酸高性能减水剂；试验用水为自来水。水胶比0.45,胶砂比0.5,减水剂用量为胶凝材料的0.3%,以10%粉煤灰替代水泥，沙漠砂替代中砂的替代率(DSR)分别为0,20%,40%,60%,80%,100%。试验配合比如表1所示。
砂浆配合比 表1
组别 |
粉煤灰 掺量/% |
DSR/% | 单位体积配合比/(kg/m3) |
||||
水 |
水泥 | 粉煤灰 | 中砂 | 沙漠砂 | |||
DSR-0% |
10 |
0 |
285 | 570 | 69 | 1278 | 0 |
DSR-20% |
10 |
20 |
285 | 570 | 69 | 1023 | 255 |
DSR-40% |
10 |
40 |
285 | 570 | 69 | 767 | 512 |
DSR-60% |
10 |
60 |
285 | 570 | 69 | 512 | 767 |
DSR-80% |
10 |
80 |
285 | 570 | 69 | 255 | 1 023 |
DSR-100% |
10 |
100 |
285 | 570 | 69 | 0 | 1 278 |
1.2 新拌砂浆的各项物理指标
按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JCJ/T 70—2009) [6]对各类新拌砂浆的物理指标进行测试，试验结果如表2所示。
1.3 试件的制作与养护
试件尺寸为40×40×160棱柱体，共6组，每组同一温度下制备6块，共216块。砂浆拌合物的制作按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JCJ/T 70—2009) [6]进行。试件制作24h后拆模，放入标准养护室养护28d。随后将试件取出置于烘箱恒温50℃烘干24h, 然后再进行高温试验。
新拌砂浆物理性能指标 表2
指标名称 |
沙漠砂替代率 |
|||||
0% |
20% | 40% | 60% | 80% | 100% | |
| 沉入度/cm | 9.9 | 9.3 | 8.5 | 7.8 | 7.4 | 7.1 |
分层度/cm |
1.3 | 1.1 | 1.0 | 0.9 | 0.8 | 0.7 |
表观密度/(kg/m3) |
2 230 | 2 276 | 2 295 | 2 246 | 2 187 | 2 168 |
1.4 高温试验
加温设备采用CSL-26-17型高温炉，根据文献 [7,8]设置目标温度为100,200,300,500,700℃,升温速率10℃/min, 温度升至目标温度后恒温3h。然后采用自然冷却进行冷却，静止3d后观察外观特征、称重，进行力学性能的测试。
1.5 单轴受压试验
砂浆单轴受压试验在CMT5305型电子万能试验机上进行，采用位移控制加载，加载速率0.006mm/s。试件前后两侧面均贴纵向、横向应变片，加载装置示意图如图1所示。
图1 加载装置示意图
高温前后分别对试件上下表面进行打磨，使上下表面平齐。试验开始前先对试件进行预压，加载到峰值应力的30%左右，预压3次以减少加载面与受压面不平带来的误差。
2 高温后外观特征
表3为高温后不同沙漠砂替代率砂浆试件表观特征。温度在500℃以下时，试件表面无明显裂纹，温度高于500℃后，表面裂纹出现较明显裂纹。随着温度的升高，试件表面颜色从灰色→泛红→发白变化，这是由于在300℃左右，砂浆中Fe(OH)2的氧化使得试件表面变为红色 [9,10]。随着温度继续增大，钙质化合物分解生成CaO,使得试件表面颜色变白 [10,11]。
图2 不同沙漠砂替代率砂浆经历200℃高温后单轴受压破坏后典型照片
高温后不同沙漠砂替代率砂浆试件表观特征 表3
温度/℃ |
颜色 | 表面裂纹 | 疏松 | 缺角 |
室温 |
深灰色 | 无 | 无 | 无 |
100 |
深灰色 | 无 | 无 | 无 |
200 |
青色 | 无 | 无 | 无 |
300 |
整体暗灰、局部泛红 | 极少裂纹 | 无 | 无 |
500 |
浅灰泛红 | 微裂纹 | 轻度 | 较少 |
700 |
整体呈灰白色 | 较明显裂纹 | 较重 | 较多 |
注：室温为20℃,余同。
3 试验结果分析
3.1 单轴受压破坏形态
图2为不同沙漠砂替代率砂浆经历200℃高温后单轴受压破坏后典型照片。由图2可知，不同沙漠砂替代率砂浆的破坏均为斜向劈裂破坏。各温度下，不同沙漠砂替代率砂浆破坏形态变化相近，均为斜向劈裂破坏。
3.2 质量损失率
质量损失率为试件高温前后质量变化与高温前试件质量的比值。图3为不同沙漠砂替代率砂浆质量损失率与温度的关系曲线。由图3可知，不同沙漠砂替代率砂浆质量损失率随温度的升高逐渐增大。文献[10,12]认为温度低于300℃时，试件内部自由水和结合水大量蒸发，质量损失率增长较大；温度在300～500℃之间时，试件内部自由水和结合水基本蒸发完毕，部分水化硅酸钙(C-S-H)脱水和少量Ca(OH)2分解，质量损失率继续增长；温度高于500℃后，由于砂浆中Ca(OH)2分解和大量水化硅酸钙(C-S-H)脱水，与300～500℃相比，质量损失率有较大的增幅。
3.3 单轴受压力学性能试验结果
表4为高温后不同沙漠砂替代率砂浆单轴受压试验结果，表中峰值应变为峰值应力处对应的应变值，弹性模量取40%峰值应力处的割线模量，泊松比取应力-应变曲线上升段40%峰值应力点处的横向应变与纵向应变的比值。
3.4 峰值应力
3.4.1 温度对峰值应力的影响
图4为不同沙漠砂替代率砂浆峰值应力与温度的关系曲线。由图4可知，温度100℃时，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应力较室温下峰值应力有所降低；温度增加到200℃时，峰值应力有所回升；温度高于200℃后，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应力随温度的升高而下降。这是由于100℃时，砂浆中会产生少量的C2SH(A),这种物质的结构比表面积低且具有多孔性和结晶性，相应的降低了浆体间的粘结力导致砂浆强度降低；温度为200℃时，砂浆试件中凝胶颗粒间的内聚力由于自由水大量排出而增加，同时水泥凝胶的脱水硬化，使峰值应力有所增大。随着温度继续升高，水泥浆体趋于收缩，细集料继续膨胀 [10,13],细集料和水泥浆之间产生较大热应变差，使得两者间粘合被削弱甚至出现裂纹。同时，在500～650℃温度段内，砂浆内的α型石英变为β型石英，体积增大 [14,15],加剧砂浆内部结构的破坏，使砂浆的峰值应力急剧下降。
图5为不同沙漠砂替代率砂浆相对峰值应力与温度的关系曲线。由图5可知，温度为100℃时，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应力约为室温下峰值应力的90%;温度增加到200℃时，大约为室温下峰值应力的110%;温度高于200℃后，不同沙漠砂替代率砂浆相对峰值应力随温度的升高而下降。
图3 不同沙漠砂替代率砂浆质量 损失率与温度的关系曲线
图4 不同沙漠砂替代率砂浆峰值 应力与温度的关系曲线
图5 不同沙漠砂替代率砂浆相对 峰值应力与温度的关系曲线
高温后不同沙漠砂替代率砂浆单轴受压试验结果 表4
参数 |
温度 T/℃ |
沙漠砂替代率 |
|||||
0% |
20% | 40% | 60% | 80% | 100% | ||
峰值应力 /MPa |
室温 |
43.4 | 45.9 | 46.9 | 44.4 | 42.1 | 39.8 |
100 |
39.9 | 40.9 | 43.0 | 40.4 | 37.5 | 35.4 | |
200 |
50.0 | 49.3 | 51.9 | 49.0 | 46.6 | 44.6 | |
300 |
39.1 | 41.8 | 44.6 | 43.2 | 42.3 | 41.4 | |
500 |
33.7 | 35.7 | 38.0 | 35.4 | 30.0 | 31.3 | |
700 |
20.5 | 23.7 | 26.5 | 25.6 | 19.8 | 20.0 | |
峰值应变 /(×10-3) |
室温 |
3.01 | 2.84 | 2.92 | 2.72 | 2.59 | 2.57 |
100 |
2.81 | 2.79 | 2.83 | 2.71 | 2.54 | 2.48 | |
200 |
2.87 | 2.83 | 2.83 | 2.76 | 2.67 | 2.47 | |
300 |
3.67 | 3.58 | 3.52 | 3.36 | 3.34 | 3.34 | |
500 |
5.25 | 5.09 | 4.96 | 4.57 | 4.47 | 4.50 | |
700 |
6.47 | 6.11 | 5.72 | 5.86 | 5.85 | 5.65 | |
弹性模量 /GPa |
室温 |
26.03 | 27.74 | 27.96 | 27.49 | 26.33 | 25.84 |
100 |
22.06 | 23.42 | 23.69 | 22.81 | 21.12 | 20.5 | |
200 |
24.87 | 25.7 | 26.16 | 25.54 | 23.64 | 23.07 | |
300 |
14.01 | 14.66 | 16.10 | 15.23 | 14.69 | 15.05 | |
500 |
8.12 | 8.15 | 8.71 | 8.58 | 7.90 | 8.12 | |
700 |
3.25 | 4.65 | 5.52 | 4.87 | 4.15 | 4.17 | |
泊松比 |
室温 |
0.215 | 0.210 | 0.198 | 0.192 | 0.185 | 0.181 |
100 |
0.191 | 0.184 | 0.182 | 0.180 | 0.174 | 0.172 | |
200 |
0.183 | 0.176 | 0.173 | 0.171 | 0.165 | 0.160 | |
300 |
0.163 | 0.158 | 0.152 | 0.146 | 0.142 | 0.136 | |
500 |
0.099 | 0.103 | 0.108 | 0.103 | 0.094 | 0.098 | |
700 |
0.176 | 0.175 | 0.169 | 0.161 | 0.145 | 0.152 | |
结合文献[16],建立砂浆峰值应力与温度、沙漠砂替代率的拟合关系，具体见公式(1)。
σc(S,T)σc=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪1.016−1.84(T−20700)+0.23S+8.99(T−20700)2− 0.075S(T−20700)−0.338S3 (20℃≤T≤200℃)1.282−0.74(T−20700)+0.3S−0.062(T−20700)2+ 0.011S(T−20700)−0.365S3 (200℃<T≤700℃) (1)σc(S,Τ)σc={1.016-1.84(Τ-20700)+0.23S+8.99(Τ-20700)2- 0.075S(Τ-20700)-0.338S3 (20℃≤Τ≤200℃)1.282-0.74(Τ-20700)+0.3S-0.062(Τ-20700)2+ 0.011S(Τ-20700)-0.365S3 (200℃<Τ≤700℃) (1)
式中：σc(S,T) 为高温后不同沙漠砂替代率砂浆的峰值应力，MPa; σc为常温下普通砂浆的峰值应力，MPa; T为温度，℃; S为沙漠砂替代率，%。
该式决定系数R2大于0.971,拟合度良好。
3.4.2 沙漠砂替代率对峰值应力的影响
图6为高温后砂浆峰值应力与沙漠砂替代率的关系曲线。由图6可知，高温后砂浆峰值应力随沙漠砂替代率的增大呈现先增大后减小的变化趋势，砂浆经历不同温度后的峰值应力在沙漠砂替代率40%时达到最大值。这是由于沙漠砂细度模数仅为0.292,掺入一定量的沙漠砂后，改善了细集料级配，使其内部更加均匀、密实，进而提高了砂浆强度；然而沙漠砂是松散母岩长期风化的产物，强度比中砂低，当沙漠砂替代率超过临界值后，砂浆强度会逐渐下降。
图6 高温后砂浆峰值应力与沙漠砂替代率的关系曲线
3.5 弹性模量
3.5.1 温度对弹性模量的影响
图7为不同沙漠砂替代率砂浆弹性模量与温度的关系曲线，图8为不同沙漠砂替代率砂浆相对弹性模量与温度的关系曲线。由图7和图8可知，温度为100℃时，不同沙漠砂替代率砂浆弹性模量较室温下弹性模量有所降低，为室温下弹性模量的80%～90%;温度为200℃时，不同沙漠砂替代率砂浆弹性模量达到室温下弹性模量的90%～95%;温度在200～300℃之间时，弹性模量急剧下降；温度高于300℃后，弹性模量下降趋势减缓；温度为700℃时，弹性模量为常温下弹性模量的10%～20%。
图7 不同沙漠砂替代率砂浆弹性 模量与温度的关系曲线
图8 不同沙漠砂替代率砂浆相对 弹性模量与温度的关系曲线
对砂浆弹性模量与温度、沙漠砂替代率之间的关系进行了拟合，具体见公式(2)。
E(S,T)E=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪1.02−2.45(T−20700)+0.25S+8.74(T−20700)2− 0.21S(T−20700)−0.29S3 (20℃≤T≤200℃)1.61−3.11(T−20700)+0.12S+1.66(T−20700)2+ 0.09S(T−20700)−0.19S3 (200℃<T≤700℃) (2)E(S,Τ)E={1.02-2.45(Τ-20700)+0.25S+8.74(Τ-20700)2- 0.21S(Τ-20700)-0.29S3 (20℃≤Τ≤200℃)1.61-3.11(Τ-20700)+0.12S+1.66(Τ-20700)2+ 0.09S(Τ-20700)-0.19S3 (200℃<Τ≤700℃) (2)
式中：E(S,T)为高温后不同沙漠砂替代率砂浆弹性模量，GPa; E为室温下普通砂浆弹性模量，GPa。
该式决定系数R2大于0.967,拟合度良好。
3.5.2 沙漠砂替代率对弹性模量的影响
图9为高温后砂浆弹性模量与沙漠砂替代率的关系曲线。由图9可知，高温后砂浆弹性模量随沙漠砂替代率的增加呈现先增大后减小的变化趋势，砂浆经历不同温度后的弹性模量在沙漠砂替代率40%时达到最大值。
图9 高温后砂浆弹性模量与沙漠砂 替代率的关系曲线
3.6 峰值应变
3.6.1 温度对峰值应变的影响
图10为不同沙漠砂替代率砂浆峰值应变与温度的关系曲线，图11为不同沙漠砂替代率砂浆相对峰值应变与温度的关系曲线。由图10和图11可知，温度低于200℃时，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应变变化不大；温度高于200℃后，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应变呈现出线性增长的变化趋势。这是由于温度低于200℃时，细集料和浆料聚合物处于微膨胀状态且膨胀率相近，砂浆内部的密实性与室温下相当，峰值应变基本不变。当温度高于200℃后，细集料继续膨胀而浆料聚合体体积急剧收缩，导致砂浆内部变得多孔、疏松 [14],因此峰值应变增幅变大。
图10 不同沙漠砂替代率砂浆峰值 应变与温度的关系曲线
图11 不同沙漠砂替代率砂浆相对 峰值应变与温度的关系曲线
对砂浆峰值应变与温度、沙漠砂替代率的关系进行了拟合，具体如下：
εc(S,T)εc=0.93+0.42(T−20700)−0.155S+0.863(T−20700)2−0.14S(T−20700)+0.042S2 (3)εc(S,Τ)εc=0.93+0.42(Τ-20700)-0.155S+0.863(Τ-20700)2-0.14S(Τ-20700)+0.042S2 (3)
式中：εc(S,T)为高温后不同沙漠砂替代率砂浆的峰值应变，×10-3;εc为常温下普通砂浆峰值应变，×10-3;T为温度，取值范围20～700℃。
该式决定系数R2=0.972,拟合度良好。
3.6.2 沙漠砂替代率对峰值应变的影响
图12为高温后砂浆峰值应变与沙漠砂替代率的关系曲线。由图12可知，高温后砂浆峰值应变随沙漠砂替代率的增加呈现逐渐减小的变化趋势。
图12 高温后砂浆峰值应变与沙漠砂 替代率的关系曲线
3.7 泊松比
3.7.1 温度对泊松比的影响
图13为不同沙漠砂替代率砂浆泊松比与温度的关系曲线，图14为不同沙漠砂替代率砂浆相对泊松比与温度的关系曲线。由图13和图14可知，温度低于500℃时，随着温度的升高，泊松比呈现逐渐下降的变化趋势，500℃高温后不同沙漠砂替代率砂浆泊松比降到最低，为常温下泊松比的45%～55%;当温度高于500℃后，随着温度继续升高，泊松比逐渐增大，700℃高温后不同沙漠砂替代率砂浆泊松比达到常温下的80%左右。
图13 不同沙漠砂替代率砂浆泊松比与 温度的关系曲线
图14 不同沙漠砂替代率砂浆相对 泊松比与温度的关系曲线
对砂浆泊松比与温度、沙漠砂替代率的关系进行了拟合，具体如下：
ν(S,T)ν=0.972+0.056(T−20700)−0.157S−2.971(T−20700)2+0.336S(T−20700)+2.83(T−20700)3−0.315S(T−20700)2 (4)ν(S,Τ)ν=0.972+0.056(Τ-20700)-0.157S-2.971(Τ-20700)2+0.336S(Τ-20700)+2.83(Τ-20700)3-0.315S(Τ-20700)2 (4)
式中：ν(S,T)为高温后不同沙漠砂替代率砂浆的泊松比；ν为室温下普通砂浆的泊松比；T为温度，取值范围20～700℃。
该式决定系数R2=0.976,拟合度良好。
3.7.2 沙漠砂替代率对泊松比的影响
图15为高温后砂浆泊松比与沙漠砂替代率的关系曲线。由图15可知，总体而言，高温后砂浆泊松比随沙漠砂替代率的增加呈现逐渐减小的变化趋势。
图15 高温后砂浆泊松比与沙漠砂 替代率的关系曲线
4 应力-应变曲线
4.1 砂浆经历不同温度后的应力-应变曲线
砂浆经历不同温度后单轴受压应力-应变曲线如图16所示。由图16可知，砂浆经历不同温度后的单轴受压应力-应变曲线存在较为明显的差异，随温度的升高，曲线先急后缓。温度低于500℃时，砂浆应力-应变曲线没有明显的软化阶段，破坏比较突然；温度为700℃时，应力-应变曲线有明显的软化阶段。
图16 不同高温后砂浆单轴受压应力-应变曲线
4.2 不同沙漠砂替代率砂浆的应力-应变曲线
不同沙漠砂替代率砂浆单轴受压应力-应变曲线如图17所示。由图17可知，随着沙漠砂替代率的增加，砂浆单轴受压塑性变形阶段逐渐减小，也就是变形模量逐渐减小，砂浆较脆，破坏更加突然。
图17 不同沙漠砂替代率单轴受压应力-应变曲线
4.3 单轴受压应力-应变本构方程
本文选用学者Sandor Popovics建立的适用于混凝土和砂浆的本构方程 [17],与其它本构方程相比，此本构方程不仅与试验曲线拟合度较好，而且为单参数本构方程，方便建立此方程中参数与沙漠砂替代率和温度的关系函数。表达式如下：
σσc=εεc⋅nn−1+(εεc)n (5)σσc=εεc⋅nn-1+(εεc)n (5)
式中：σ和ε分别为应力和应变；σc和εc分别为峰值应力和峰值应变，经过拟合得到高温后不同沙漠砂替代率下砂浆的参数n值，见表5。
砂浆单轴受压本构参数n取值 表5
T/℃ |
沙漠砂替代率 |
|||||
0% |
20% | 40% | 60% | 80% | 100% | |
室温 |
2.528 | 2.538 | 2.518 | 2.498 | 2.568 | 2.578 |
100 |
2.691 | 2.912 | 3.133 | 3.355 | 3.576 | 3.797 |
200 |
3.564 | 4.182 | 4.80 | 5.418 | 6.036 | 6.654 |
300 |
4.574 | 5.582 | 6.591 | 7.599 | 8.607 | 9.615 |
500 |
7.518 | 7.808 | 8.499 | 9.389 | 10.679 9 | 11.269 |
700 |
7.284 | 7.492 | 8.501 | 8.908 | 9.716 | 10.824 |
由表5可知，随温度的升高参数n呈现逐渐增大的变化趋势，随沙漠砂替代率增加参数n呈现逐渐增大的变化趋势。温度对参数n的影响明显大于沙漠砂替代率对参数n的影响。建立参数n与温度T和沙漠砂替代率S的函数，通过拟合得到：
n=1.329+14.25(T−20700)+1.349S−9.071(T−20700)2+3.551S(T−20700) (6)n=1.329+14.25(Τ-20700)+1.349S-9.071(Τ-20700)2+3.551S(Τ-20700) (6)
式中T的取值范围为20～700℃。
该式决定系数R2=0.942,拟合度良好。
将式(5)得到的应力-应变曲线与试验测得应力-应变曲线进行比较，如图18所示，经对比发现两者吻合较好。
图18 实测与计算应力-应变曲线比较
5 结论
考虑100,200,300,500和700℃五个温度等级，通过对高温后不同沙漠砂替代率砂浆进行单轴受压试验，分析温度和沙漠砂替代率对砂浆峰值应力、弹性模量、峰值应变和泊松比的影响，为火灾后沙漠砂混凝土结构的损伤评估提供参考。主要结论如下：
(1)随着温度的升高，不同沙漠砂替代率砂浆试件表面颜色经历灰色→泛红→发白的变化过程；温度升高到500℃后，不同沙漠砂替代率砂浆试件表面均有不同程度的裂纹。
(2)随着沙漠砂替代率的增加，高温后砂浆峰值应力和弹性模量呈现先增大后减小的变化趋势，沙漠砂替代率40%时，高温后砂浆峰值应力和弹性模量达到最大值。随着沙漠砂替代率的增大，高温后砂浆的峰值应变和泊松比略微减小。
(3)随着温度的升高，不同沙漠砂替代率砂浆泊松比呈现先减小后增大的变化趋势，温度为500℃时，不同沙漠砂替代率砂浆泊松比降到最小值。温度低于200℃时，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应变变化不大；温度高于200℃后，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应变呈现出线性增长的变化趋势。
(4)随温度的升高，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应力和弹性模量的变化趋势相同。温度为100℃时，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应力和弹性模量下降；温度升高到200℃时，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应力和弹性模量有所回升；温度高于200℃后，随着温度的升高，不同沙漠砂替代率砂浆峰值应力和弹性模量逐渐降低。
(5)考虑温度和沙漠砂替代率的影响，建立了高温后不同沙漠砂替代率砂浆单参数受压本构模型。
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