混凝土作为广泛应用于建筑、桥梁、隧道、水工等工程领域中的主要建筑材料，其力学性能一直是学术界和工程界长期关心的问题。在第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta指出：处于当代的寒冷地区建筑物，由于冻融所引起的混凝土破坏问题日益严重[1]。我国北方地区，冬季持续时间长，昼夜温差大，产生的冻融循环，使得建筑、桥梁、水工等工程结构产生不同程度的损伤破坏，因此针对混凝土低温特性的研究越来越受到人们的关注[2-9]。

砂是混凝土最重要的原材料之一，随着我国西部大开发建设的不断加快，对砂的需求量不断增加，河道采砂对生态环境带来很大的影响。在我国西部地区，沙漠砂资源储量丰富，用沙漠砂替代建设用砂配制适合工程应用的沙漠砂混凝土，对环境保护和降低工程造价具有十分重要的意义。

目前，国内外学者对沙漠砂混凝土力学性能进行了许多研究[10-11]。不少试验研究表明沙漠砂可以应用于实际工程中，但针对低温作用下沙漠砂混凝土抗压强度方面的研究还没有相关文献报道。本文通过对单掺沙漠砂、单掺粉煤灰、双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土在室温、-10，-20，-30 ℃时进行抗压强度试验，建立混凝土抗压强度与温度、沙漠砂替代率和粉煤灰掺量之间回归关系模型，分析温度、沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对混凝土抗压强度影响规律，为沙漠砂混凝土在工程实际中的广泛应用提供技术支撑。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验材料与文献[12-15]中相同。水泥采用宁夏赛马水泥有限公司生产的P·O 42.5R水泥；粗骨料采用粒径为5～20 mm人工碎石；细骨料采用细度模数为3.43的人工水洗砂和细度模数为0.24的宁夏盐池县毛乌素沙漠砂，外观特征和级配曲线如图1和图2所示，其性能指标如表1所示；粉煤灰取自宁夏某电厂生产的II级粉煤灰；减水剂为粉末状聚羧酸高性能减水剂。

1.2 试验方案

为研究沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对低温作用下混凝土抗压强度影响，设计混凝土强度等级为C35，选用水胶比0.50，砂率35%。考虑单掺沙漠砂混凝土，用替代率为0%、10%、30%、50%、70%、90%沙漠砂替代中砂；单掺粉煤灰混凝土，用替代率为10%、20%、30%粉煤灰替代水泥；双掺沙漠砂与粉煤灰混凝土，以替代率为10%、20%、30%粉煤灰等量替代水泥，在同一粉煤灰掺量下，用替代率为10%、30%、50%、70%、90%沙漠砂替代中砂配制沙漠砂混凝土。混凝土配合比如表2所示。

试件采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试块。制作完成24 h后脱模，将试件放入标准养护室内养护至24 d从养护室取出，放在20±2 ℃水中浸泡4 d后采用高低温试验箱对试件进行降温。考虑室温，-10，-20，-30 ℃ 4个温度等级，待温度降至设定温度后保持恒温4 h后进行抗压强度试验。试验分为低温下试验和低温后试验。低温下试验是指试件温度降到目标低温后直接进行抗压强度试验；低温后试验是指试件温度降到目标低温后，取出在室内静置48 h，然后进行抗压强度试验。采用MTS电液伺服万能试验机进行加载，加载速率为0.5 MPa/s。

2 试验宏观现象

2.1 混凝土低温前后外观特征

低温作用前混凝土试件除气孔外，表面均完整，无可见裂缝、掉角现象；经历-10，-20，-30 ℃时，试件表面未出现掉角、细小裂缝和剥落现象；将试件从高低温试验箱中取出时，表面未出现结霜现象，放置室温环境下静置48 h后，表面出现细小裂纹，但棱角完整。

2.2 混凝土试件加载破坏特征

低温作用下混凝土破坏形态与常温下基本相同，但加载过程出现的声响和破坏面有所不同。室温下，混凝土试块加载到抗压强度的75%左右时出现细小裂缝，随着荷载不断增大，裂缝不断增多，劈裂声不断增大，至最大荷载时发生爆裂声，试件两端呈锥状体，其中间部分破裂而剥离；随温度降低和荷载不断增大，混凝土加载过程中很少出现劈裂声，最大荷载时突然发出巨大爆裂声，破坏后试件两端呈锥状体，锥状体随温度降低而增大；低温后混凝土试件在加载过程中不断有碎裂声，至最大荷载时无急促爆裂声。不同低温下混凝土受压破坏特征如图3所示。

3 试验结果与分析

不同低温下和低温后混凝土抗压强度测试结果如表3所示。

3.1 单掺沙漠砂混凝土

3.1.1 温度影响

图4为低温下和低温后单掺沙漠砂混凝土抗压强度与温度之间关系。由表3和图4可知：低温下，随着温度降低，单掺沙漠砂混凝土抗压强度呈增大趋势，与普通混凝土规律一致[8]。与室温下单掺沙漠砂混凝土抗压强度相比，在-10，-20，-30 ℃低温下，沙漠砂替代率0%的混凝土抗压强度分别增加13.4%、31.2%和40.9%；沙漠砂替代率10%的混凝土抗压强度分别增加12.8%、31.0%和42.9%；沙漠砂替代率30%的混凝土抗压强度分别增加14.9%、29.4%和41.9%；沙漠砂替代率50%的混凝土抗压强度分别增加15.9%、29.1%和41.9%；沙漠砂替代率70%的混凝土抗压强度分别增加18.6%、31.3%和40.6%；沙漠砂替代率90%的混凝土抗压强度分别增加17.8%、26.4%和39.7%。这主要是由于混凝土内部的水分凝结成冰后体积膨胀，填补了混凝土中孔隙，同时冰与具有亲水基质的硅酸盐材料之间的黏附强度随着温度降低而增大[16]；低温后，单掺沙漠砂混凝土抗压强度随着温度降低呈下降趋势。与室温下单掺沙漠砂混凝土抗压强度相比，在-10，-20，-30 ℃低温后，沙漠砂替代率0%的混凝土抗压强度分别增加-1.2%、-2.8%和-4.6%；沙漠砂替代率10%的混凝土抗压强度分别增加0.6%、-1.8%和-5.3%；沙漠砂替代率30%的混凝土抗压强度分别增加-1.4%、-2.9%和-4.5%；沙漠砂替代率50%的混凝土抗压强度分别增加-1.3%、-3.1%和-7.3%；沙漠砂替代率70%的混凝土抗压强度分别增加-1.4%、-2.1%和-4.9%；沙漠砂替代率90%的混凝土抗压强度分别增加-1.2%、3.1%和-4.1%。这主要是由于混凝土孔隙中水结冰后体积膨胀，体积膨胀产生的静水压力对孔壁骨料和砂浆产生挤压，使得孔隙中混凝土出现不同程度的损伤，从而导致冰融化后混凝土力学性能恶化，承载能力下降。

3.1.2 沙漠砂替代率影响

图5 为低温下和低温后单掺沙漠砂混凝土抗压强度与沙漠砂替代率之间关系。由表3和图5可以看出，无论在低温下还是低温后，单掺沙漠砂混凝土抗压强度随沙漠砂替代率增大呈先增加后减小趋势，沙漠砂替代率50%时达到最大值。这主要是由于沙漠砂细度模数为0.24，与普通中砂相比，沙漠砂颗粒粒径较小，掺入颗粒粒径较小的沙漠砂，使得混凝土内部粗细骨料之间微小间隙填充更加均匀、密实。同时，沙漠砂为松散母岩风化的产物，抗压强度小于普通中砂，沙漠砂掺量超过50%时，沙漠砂混凝土抗压强度随着沙漠砂替代率的增加而减小[12-15]。

3.1.3 单掺沙漠砂混凝土抗压强度与温度和沙漠砂替代率关系

为评估温度和沙漠砂替代率对单掺沙漠砂混凝土抗压强度的影响，建立单掺沙漠砂混凝土抗压强度fc(T,S)与温度T和沙漠砂替代率S回归数学模型，如式(1)所示。

低温下：

57+0.000 051S-0.007 074T+1.916 29×10-6ST+0.000 186T2-1.002 95×10-6ST2

(1a)

低温后：

91-0.000 480S+0.000 695T+1.251 8×10-6ST-0.000 048T2+2.903 20×10-7×ST2

(1b)

式中：fc为室温下普通混凝土抗压强度，MPa；T为温度，℃；S为沙漠砂替代率，%；式(1a)中模型决定系数R2=0.951 6，式(1b)中模型决定系数R2=0.903 7，模型拟合度良好； 检验概率P=0.000 1≪0.05，显著性检验达到高度显著，可以很好地反映低温下和低温后单掺沙漠砂混凝土抗压强度fc(T,S)与温度T和沙漠砂替代率S之间的关系。

给出单掺沙漠砂混凝土抗压强度与温度和沙漠砂替代率三维响应面，如图6所示。

3.2 单掺粉煤灰混凝土

3.2.1 温度影响

图7为低温下和低温后单掺粉煤灰混凝土抗压强度与温度之间关系。由表3和图7可知，随着温度降低，低温下粉煤灰混凝土抗压强度呈增大趋势。与室温下单掺粉煤灰混凝土抗压强度相比，在-10，-20，-30 ℃下,粉煤灰掺量10%的混凝土抗压强度分别增加22.1%、36.5%和45.5%；粉煤灰掺量20%的混凝土抗压强度分别增加22.8%、42.4%和45.8%；粉煤灰掺量30%的混凝土抗压强度分别增加32.9%、65.1%和72.6%。低温后，随着温度降低，单掺粉煤灰混凝土抗压强度呈下降趋势，下降幅度变化不大。与室温下单掺粉煤灰混凝土抗压强度相比，在-10，-20，-30 ℃后，粉煤灰掺量10%的混凝土抗压强度分别增加-1.4%、-2.2%和-4.4%；粉煤灰掺量20%的混凝土抗压强度分别增加-0.0%、-3.5%和-6.3%；粉煤灰掺量30%的混凝土抗压强度分别增加0.3%、-2.7%和-8.6%。

3.2.2 粉煤灰掺量影响

图8为低温下和低温后单掺粉煤灰混凝土抗压强度与粉煤灰掺量关系。由表3和图8可以看出，不论在低温下还是低温后，粉煤灰掺量10%的混凝土抗压强度均大于粉煤灰掺量20%和30%的混凝土抗压强度，这主要是由于水泥作为胶凝材料，具有提高混凝土早期水化能力的作用。同时，水泥黏结粗细骨料之间的能力远高于粉煤灰，当混凝土中用粉煤灰替代部分水泥作为胶凝材料，使得混凝土中水泥含量变少，导致混凝土强度较低。

3.2.3 单掺粉煤灰混凝土抗压强度与温度和粉煤灰掺量关系

为评估温度和粉煤灰掺量对单掺粉煤灰混凝土抗压强度的影响，建立单掺粉煤灰混凝土抗压强度fc(T,F)与温度T和粉煤灰掺量F回归数学模型，如式(2)所示，并给出单掺粉煤灰混凝土抗压强度与温度和粉煤灰掺量三维响应面，如图9所示。

低温下:

40-0.005 627T-0.006 662F-0.000 124TF+0.000 052T2+9.668 51×10-8T2F

(2a)

低温后：

238+0.000 926T-0.007 888F-0.000 012TF+6.353 59×10-6T2-0.000 236F2-2.182 32×10-6T2F

(2b)

式中：F为粉煤灰掺量，%；式(2a)中模型决定系数R2=0.968 5，式(2b)中模型决定系数R2=0.980 7，模型拟合度良好；检验概率P=0.000 1≪0.05，显著性检验达到极显著，可以很好地反映低温下和低温后单掺粉煤灰混凝土抗压强度fc(T,F)与温度T和粉煤灰掺量F之间关系。

3.3 双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土

图10为双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土抗压强度与沙漠砂替代率和粉煤灰掺量响应面。由图10可知，低温下双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土抗压强度随温度降低逐渐增大，低温后双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土抗压强度随温度降低逐渐减小，沙漠砂替代率 50%，粉煤灰掺量 10% 时混凝土抗压强度最大。

为评估在不同温度作用下沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土抗压强度的影响，以-20 ℃为例，建立双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土抗压强度fc(S,F)与沙漠砂替代率S和粉煤灰掺量F回归数学模型，如式(3)所示。

-20 ℃低温下：

55+0.001 885S-0.009 155F-0.000 153SF+0.000 071F2+4.350 00×10-6SF2

(3a)

-20 ℃低温后：

50+0.000 850S-0.020 600F-0.000 110SF+0.000 240F2+3.000 00×10-6SF2

(3b)

式(3a)中模型决定系数R2=0.897 9，式(3b)中模型决定系数R2=0.912 2，模型拟合度良好；检验概率P=0.000 1≪0.05，显著性检验达到高度显著，可以较好地反映低温下和低温后双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土抗压强度fc(S,F)与沙漠砂替代率S和粉煤灰掺量F之间关系。

4 结束语

为研究沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对低温作用下混凝土抗压强度的影响，进行单掺沙漠砂、单掺粉煤灰、双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土在室温,-10，-20，-30 ℃时抗压强度试验，分析温度、沙漠砂替代率和粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响规律，建立混凝土抗压强度与温度、沙漠砂替代率和粉煤灰掺量之间回归关系模型。主要结论如下：

1)不论是单掺沙漠砂混凝土，单掺粉煤灰混凝土，还是双掺沙漠砂和粉煤灰混凝土，随着温度降低，低温下混凝土抗压强度呈增大趋势，低温后抗压强度呈减小趋势。

2)对于单掺沙漠砂混凝土，混凝土抗压强度随沙漠砂替代率增加呈先增大后减小趋势，沙漠砂替代率 50% 时混凝土抗压强度最大。

3)对于单掺粉煤灰混凝土，随着粉煤灰掺量增加，混凝土抗压强度呈减小趋势。

4)对于双掺沙漠砂与粉煤灰混凝土，沙漠砂替代率 50%，粉煤灰掺量 10% 时，混凝土抗压强度最大。

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EFFECTS OF DESERT SAND REPLACEMENT RATE AND FLY ASH CONTENT ON THE COMPRESSIVE STRENGTH OF CONCRETE UNDER LOW TEMPERATURE

MA Yingchang LIU Haifeng ZHANG Minghu

(College of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract： In order to study the effects of desert sand replacement rate and fly ash content on the compressive strength of concrete under low temperature, the compressive strength tests of concrete with desert sand, fly ash, the mixture of desert sand and fly ash under room temperature, -10 ℃, -20 ℃, -30 ℃ were carried out. The influences of temperature, desert sand replacement rate and fly ash content on the compressive strength of concrete were analyzed. The regression model between the compressive strength of concrete with temperature, desert sand replacement rate and fly ash content was established. The test results showed that the compressive strength of concrete increased under low temperature with the decrease of temperature. Whereas, after being subjected to low temperature, the compressive strength of concrete decreased with the decrease of temperature. For the concrete with desert sand, the compressive strength of concrete increased firstly, and then decreased with the increase of desert sand replacement rate. The compressive strength of concrete with desert sand replacement rate 50% was the maximum value. For the concrete with fly ash, the compressive strength of concrete tended to decrease with the increase of fly ash content. For the concrete with the mixture of desert sand and fly ash, the compressive strength of concrete reached the maximum value when desert sand replacement rate and fly ash content were 50% and 10%, respectively.

Keywords： low temperature; concrete; desert sand replacement rate; fly ash content; compressive strength

DOI: 10.13204/j.gyjz202005014

*国家自然科学基金项目(51368048,11162015);教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队项目(IRT1067)。

第一作者：马映昌，男，1993年出生，硕士研究生。

通信作者：刘海峰，liuhaifeng1557@163.com。

收稿日期：2019-08-20