活性粉末混凝土（RPC）的基本性能影響因素研究與分析

摘要：活性粉末混凝土由于其優(yōu)異的性能在土木工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)部分學(xué)者制備活性粉末混凝土進(jìn)行的試驗(yàn)，綜合分析了水膠比、鋼纖維摻量、礦物摻合料等對(duì)活性粉末混凝土基本性能的影響，提出了制備活性粉末混凝土?xí)r各原材料的最優(yōu)摻量，為活性粉末混凝土的制備提供參考。

關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土；水膠比；鋼纖維摻量；礦物摻合料

活性粉末混凝土是由法國(guó)布伊格（Bouygues）公司以Pierre Richard為首的研究小組在1993年研發(fā)成功的一種具有超高強(qiáng)、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料。由于增加了組分的細(xì)度和反應(yīng)活性，因此被稱(chēng)為活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)為RPC，下同）[1]。

活性粉末混凝土由于其優(yōu)異的性能在土木工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其優(yōu)異的力學(xué)性能，可在構(gòu)件設(shè)計(jì)中大大減小截面尺寸，可應(yīng)用于對(duì)截面尺寸有限制的結(jié)構(gòu)中，如北京交通大學(xué)自行設(shè)計(jì)的活性粉末混凝土超低高度T型梁目前已應(yīng)用于遷曹鐵路和冀港鐵路，有效的解決了該鐵路線路中凈空受限的問(wèn)題[2]?；钚苑勰┗炷羶?yōu)異的耐久性能使其可應(yīng)用于環(huán)境惡劣的地區(qū)，如我國(guó)青藏鐵路的人行道體系，就使用了大量活性粉末混凝土的人行道蓋板及支架，可有效對(duì)抗當(dāng)?shù)貝毫拥沫h(huán)境[3]。為將活性粉末混凝土廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用本地原材料配制活性粉末混凝土，并對(duì)其基本性能進(jìn)行了大量研究。本文總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)學(xué)者配制過(guò)程中各因素對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度的影響，為活性粉末混凝土的制備及應(yīng)用提供參考。

1 水膠比

水膠比是指混凝土配制過(guò)程中，用水量與膠凝材料的比值，對(duì)于活性粉末混凝土膠凝材料包括水泥、微硅粉、偏高嶺土、粉煤灰等。

陳毅卓等人[4]對(duì)水膠比為0.17、0.18、0.19的活性粉末混凝土進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，水膠比對(duì)活性粉末混凝土的和易性有較大的影響，隨水膠比的增加，流動(dòng)性變好。當(dāng)水膠比為0.17 時(shí)， 坍落度為0， 攪拌成的混凝土很干， 不成漿體， 成型困難。但當(dāng)水膠比為0.19 時(shí)，坍落度增大到130 mm， 容易成型。試驗(yàn)過(guò)程中采用常溫養(yǎng)護(hù)，不同養(yǎng)護(hù)齡期，水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律不同，其中3d和7d抗壓強(qiáng)度歲水膠比的增大而減小， 28d抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而增大。當(dāng)活性粉末混凝土的水膠比由0.17增大到0.19時(shí)， 3 d 抗壓強(qiáng)度減少8.2 % ， 7 d 抗壓強(qiáng)度減少5 %，而28 d 時(shí)的抗壓強(qiáng)度增大9.5 %。

吳炎海等[5]對(duì)水膠比為0.19、0.20、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25、0.26時(shí)，活性粉末混凝土流動(dòng)性及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)活性粉末混凝土采取了高溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為90±1℃，養(yǎng)護(hù)48h。試驗(yàn)結(jié)果顯示，同文獻(xiàn)[4]一樣，活性粉末混凝土的流動(dòng)度隨水膠比的增大而增大。其中水膠比為0.24～0.26時(shí)，拌合物的流動(dòng)性極佳；水膠比為0.21～0.23時(shí)，拌合物流動(dòng)性能仍然很好，但變得比較粘稠，可通過(guò)振搗排出氣泡；水膠比為0.19～0.20時(shí)，拌合物不能自行流動(dòng)，極為粘稠， 需充分振搗后澆筑成型。蒸汽養(yǎng)護(hù)后，水膠比在0.19～0.26區(qū)間時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增加現(xiàn)增大后減小，在0.22時(shí)，出現(xiàn)了峰值，0.23后，強(qiáng)度變化不大。

以上分析可見(jiàn)，水膠比對(duì)活性粉末混凝土的流動(dòng)性和強(qiáng)度都有影響，所以在配制活性粉末混凝土?xí)r，不能一味的追求低水膠比，因?yàn)樗z比較低時(shí)，拌合物的粘性較大，振搗過(guò)程中不易迷失，會(huì)有較多氣孔存在，影響其抗壓強(qiáng)度。因此在活性粉末混凝土制備過(guò)程中，要綜合考慮流動(dòng)性和強(qiáng)度，選擇合適的水膠比。

2 集料品種及摻量

鄭居煥[6]采用粗細(xì)兩種砂制備活性粉末混凝土，結(jié)果顯示，細(xì)砂配制活性粉末混凝土需水量較大，可通過(guò)調(diào)整水膠比來(lái)和減水劑用量來(lái)滿足流動(dòng)性和強(qiáng)度。為降低活性粉末混凝土的成本，馬愛(ài)青[7]在配制活性粉末混凝土?xí)r，采用河砂部分或全部替代石英砂（替代率為0%，50%，80%，100%），但河砂摻入后會(huì)降低活性粉末混凝土強(qiáng)度，全部采用河砂時(shí)，75℃蒸汽養(yǎng)護(hù)下其抗壓強(qiáng)度可降低11.9%，當(dāng)采用較低溫度養(yǎng)護(hù)時(shí)，下降率更大。這是由于一方面水洗河沙自身強(qiáng)度低于石英砂，另一方面，河沙摻加越多，級(jí)配越差，這導(dǎo)致了其強(qiáng)度不斷降低。龍廣成等[8]采用不同粒徑分布的集料配制活性粉末混凝土，試驗(yàn)中，采用40×40×160mm的膠砂試件，試件拆模后，在20±2℃熱水養(yǎng)護(hù)3d，然后在95℃熱水中養(yǎng)護(hù)3d。集料對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律如下圖1所示。在其試驗(yàn)范圍內(nèi)，采用最大粒徑≤1.25mm的石英砂，集膠比=1.2制備活性粉末混凝土效果最佳。

3 鋼纖維種類(lèi)及摻量

鋼纖維摻入活性粉末混凝土中能夠增加活性粉末混凝土的強(qiáng)度、韌性及耐久性，但由于活性粉末混凝土水膠比較小，若鋼纖維摻入過(guò)多，沒(méi)有足夠的水泥漿包裹會(huì)影響活性粉末混凝土的流動(dòng)性，同時(shí)振動(dòng)成型困難，影響活性粉末混凝土的工程應(yīng)用。因此選用合適的鋼纖維類(lèi)型及摻量是配制活性粉末混凝土的一個(gè)重要因素。

鞠彥忠等[9]兩種不同長(zhǎng)徑比的鋼纖維配制活性粉末混凝土（第一種纖維：直徑0.2～0.3 mm，長(zhǎng)度13～15 mm；第二種纖維：直徑0.4 mm，長(zhǎng)度25～30 mm）。試驗(yàn)中鋼纖維摻量為5%，水膠比為0.2，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，拆模后80℃蒸汽養(yǎng)護(hù)3 d。試驗(yàn)結(jié)果顯示，用第一種鋼纖維配制的活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度要高于用第二種鋼纖維配制的活性粉末混凝土，但抗折強(qiáng)度要低于用第二種鋼纖維配制的活性粉末混凝土。原因是第一種鋼纖維的直徑和長(zhǎng)度均小于第二種鋼纖維，攪拌過(guò)程中更易于在漿體中均勻分布，從而降低基體內(nèi)部缺陷，提高抗壓強(qiáng)度；但第二種鋼纖維較粗，在抗折試驗(yàn)中可以承受更大的拉力，所以抗折強(qiáng)度要高于第一種纖維。白永兵等[10]對(duì)直徑0.22mm，長(zhǎng)度為6mm，8mm，10mm，13mm（長(zhǎng)徑比分別為：27.3，36.4，45.5，59.1），鋼纖維摻量為2%活性粉末混凝土的研究發(fā)現(xiàn)，各養(yǎng)護(hù)制度下（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，45℃養(yǎng)護(hù)，75℃養(yǎng)護(hù)），鋼纖維長(zhǎng)徑比為45時(shí)抗壓強(qiáng)度最大，小于45時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨長(zhǎng)徑比的增大而增大，大于45時(shí)抗壓強(qiáng)度略有下降。

黃育等[11]將幾種不同形狀纖維（鍍銅鋼纖維、端鉤形鋼纖維、銑削鋼纖維、方直形鋼纖維、波紋形鋼纖維）按不同體積摻量活性粉末混凝土中進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果顯示，活性粉末混凝土的流動(dòng)性隨鋼纖維摻量增加而顯著減小，摻量大于2%后對(duì)流動(dòng)性影響較大。同時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增加，抗壓強(qiáng)度基本呈線性增長(zhǎng)；摻量小于2%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高不多，進(jìn)一步增加摻量時(shí)，抗折強(qiáng)度迅速提高，當(dāng)摻量為6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最大值相對(duì)于無(wú)纖維活性粉末混凝土分別提高了38.3% 和176.1%。鋼纖維摻量相同時(shí)，摻端鉤形鋼纖維的抗壓強(qiáng)度和摻波紋形鋼纖維的抗折強(qiáng)度最高。

閆光杰等[12]考查了不同鋼纖維摻量對(duì)活性粉末混凝土的影響，鋼纖維摻量為50kg/m3，100kg/m3，140kg/m3，170kg/m3，200kg/m3五種。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨鋼纖維摻量的增加，活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增大，但鋼纖維摻量越大，活性粉末混凝土的和易性越差，因此在其試驗(yàn)范圍內(nèi)，綜合考慮流動(dòng)性和強(qiáng)度，鋼纖維摻量為170kg/m3時(shí)，效果最佳。

鋼纖維摻入后在提高活性粉末混凝土性能的同時(shí)會(huì)影響其和易性，進(jìn)而對(duì)施工造成影響，不同類(lèi)型鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土的影響規(guī)律不同。就以上研究可見(jiàn)，配制活性粉末混凝土?xí)r，選取長(zhǎng)徑比為45左右的端鉤形鋼纖維，摻量控制在170kg/m3左右，綜合效果最佳。

4 礦物摻合料

活性粉末混凝土制備過(guò)程中通常摻入大量的礦物摻合料來(lái)改善水化產(chǎn)物，常用的膠凝材料為水泥-硅粉的二元膠凝體系。為降低成本，利用本地原材料，采用粉煤灰、礦渣等替代部分水泥或硅粉，采用三元膠凝體系制備活性粉末混凝土。偏高嶺土替代部分硅粉后，會(huì)降低活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)采用75℃蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，對(duì)其抗折強(qiáng)度影響不大[7]。當(dāng)采用水泥-硅灰-超細(xì)粉煤灰三元膠凝體系時(shí)，水泥：硅灰：粉煤灰為1：0.25：（0.3-0.4）時(shí)，漿體密實(shí)度最佳，在此配比下，采用小于0.16的水膠比，并通過(guò)100℃熱水養(yǎng)護(hù)即可配制抗壓強(qiáng)度高達(dá)200MPa的活性粉末混凝土[13]。

5 結(jié)論

活性粉末混凝土制備過(guò)程中水膠比、集料、礦物摻合料、鋼纖維等類(lèi)型及摻量對(duì)其基本性能都有很大的影響。在保證強(qiáng)度的同時(shí)，考慮施工性能，建議水膠比為0.2左右，采用短細(xì)鋼纖維摻量為170kg/m3左右效果最佳。為節(jié)約成本，在對(duì)強(qiáng)度要求不高的結(jié)構(gòu)中，還可采用三元膠凝體系，并采用河砂替代部分石英砂配制活性粉末混凝土。

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