活性粉末混凝土耐堿性能的試驗(yàn)研究

陶仁成（廣州華隧威預(yù)制件有限公司）

活性粉末混凝土耐堿性能的試驗(yàn)研究

陶仁成
（廣州華隧威預(yù)制件有限公司）

本文對(duì)活性粉末混凝土耐堿性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)力學(xué)性能和微觀測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著齡期的增長(zhǎng)，RPC材料的強(qiáng)度不斷降低，聚合物改性的RPC材料的強(qiáng)度則是先升高后降低，但降低的幅度要小于未改性的RPC材料，聚合物可以改善RPC材料的耐堿性能。

活性粉末；混凝土；耐堿性能

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，以下簡(jiǎn)稱(chēng)RPC）是由世界最大的營(yíng)造公司之一法國(guó)布伊格（Bouygues）公司以Pierre Richard為首的研究小組在1993年率先研發(fā)成功的一種超高強(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［1-2］。RPC的抗壓強(qiáng)度高達(dá)200～800MPa，抗折強(qiáng)度為25～150 MPa，斷裂能可以達(dá)到40000J/m2，是普通混凝土的300倍，具有廣泛的應(yīng)用前景［3-4］。

由于RPC具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能，因此經(jīng)常被應(yīng)用于一些極端的惡劣環(huán)境中，包括酸性環(huán)境和堿性環(huán)境，為此對(duì)RPC材料的耐酸堿性能進(jìn)行研究是非常必要的。本文主要對(duì)RPC材料的耐堿性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1　原材料及試驗(yàn)方法

1.1原材料

水泥采用華潤(rùn)水泥公司廣西平南廠生產(chǎn)的P042.5水泥，其化學(xué)成分及物理性能見(jiàn)表1。硅灰選用挪威埃肯硅灰，Si02含量大于95%，比表面積介于18000～22000m2/kg（采用氮吸附法即BET法測(cè)定）。石英砂粒徑范圍為0.25～0.65mm，密度2.59g/cm3。高效減水劑為BASF公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑母液，減水率 30%以上。鋼纖維為山東三利牌鋼纖維，直徑0.2mm，長(zhǎng)度13mm。聚合物為德國(guó)瓦克公司的7016F可再分散乳膠粉。

表1　水泥化學(xué)組成及物理性質(zhì)

表2　抗侵蝕試件配合比

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試件制作

本試驗(yàn)按照表2的配合比，成型3種水泥基復(fù)合材料進(jìn)行耐堿性試驗(yàn)。普通水泥砂漿試件成型參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》的規(guī)定進(jìn)行。RPC材料與聚合物改性RPC材料的具體成型步驟如下：先將稱(chēng)量好的硅灰、水泥和石英砂干拌3min；再將稱(chēng)好高效減水劑和聚合物溶入水中加入，同時(shí)均勻加入鋼纖維，攪拌3min；攪拌完畢后，裝模。本試驗(yàn)采用40mm× 40mm×160mm試模，裝模時(shí)分兩層裝，裝完第一層后在水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)120次后裝第二層，全部裝完后再在水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)120次刮平成型。

每種配合比試件都成型足夠的試件。普通水泥砂漿（C系列）試件成型后都放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，28天后取出一組，在表干狀態(tài)下測(cè)定抗壓、抗折強(qiáng)度值作為基準(zhǔn)值，其余試件放在0.1mol/L Na0H溶液中浸泡，浸泡齡期分別為28d、60d以及90d，到齡期后在表干狀態(tài)下測(cè)得此時(shí)的抗壓、抗折強(qiáng)度值；RPC材料（R系列）與聚合物改性RPC材料（P系列）試件成型后，帶模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1天，拆模后，RPC材料放入養(yǎng)護(hù)箱中80℃蒸汽養(yǎng)護(hù)2天，然后各取一組在表干狀態(tài)下測(cè)得此時(shí)的抗壓、抗折強(qiáng)度值作為基準(zhǔn)值，之后其余試件放在0.1mol/L Na0H溶液中浸泡，浸泡齡期分別為28d、60d以及90d，到齡期后取出在表干狀態(tài)下測(cè)定抗壓、抗折強(qiáng)度值。然后用式（1）計(jì)算其在不同齡期時(shí)的抗蝕系數(shù)。

式中：

k——抗蝕系數(shù)；

R浸泡——試體在腐蝕溶液中浸泡一定齡期后的抗折強(qiáng)度，MPa；

R基準(zhǔn)——試體在放入腐蝕溶液前的抗折強(qiáng)度，MPa。

1.2.2力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)到達(dá)齡期的試件，取出試件表干之后進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。強(qiáng)度測(cè)試按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》的規(guī)定進(jìn)行。

1.2.3微觀測(cè)試

采用荷蘭FEI公司的Quanta 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)RPC試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。用于微觀測(cè)試的試樣均為在RPC強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞試件上制取，烘干后浸沒(méi)在無(wú)水酒精中，以終止水化反應(yīng)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1為不同試件浸泡在0.1mol/L Na0H溶液中各齡期的抗蝕系數(shù)（抗折強(qiáng)度）。通過(guò)圖1，可以看出長(zhǎng)期浸泡在0.1mol/L Na0H溶液中的普通水泥砂漿，其抗折強(qiáng)度隨著齡期的增加不但沒(méi)有降低，反而有了不同程度的增加。其原因是，水泥基復(fù)合材料中的Si02等活性物質(zhì)在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中并沒(méi)有完全發(fā)揮出其活性，在堿性環(huán)境下0H-通過(guò)孔隙滲透到基表層，因?yàn)榻佑|面積的不斷增大而進(jìn)一步的激發(fā)了其活性，因此強(qiáng)度增長(zhǎng)［5］。

而對(duì)于RPC水泥基材料，在0.1mol/L Na0H溶液浸泡下，其抗折強(qiáng)度隨著齡期的增加降低，其28d抗蝕系數(shù)為90.3%，60d抗蝕系數(shù)為93.9%，90d時(shí)的抗蝕系數(shù)為79.4%。而對(duì)于聚合物改性RPC，在0.1mol/L Na0H溶液浸泡下，其抗折強(qiáng)度隨著齡期的增加，出現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律，但降低的幅度要小于RPC水泥基材料，這表明聚合物改性RPC較之RPC材料，具備更優(yōu)異的抗堿性侵蝕能力。

圖1不同試件浸0.1mol/L NaOH在不同齡期時(shí)的抗蝕系數(shù)

圖2、圖3和圖4分別是普通水泥試件、RPC試件和聚合物改性RPC試件浸0.1mol/L Na0H溶液90d的SEM圖。從圖2可見(jiàn)，普通水泥試件浸0.1mol/L Na0H溶液90d后的水化產(chǎn)物主要還是團(tuán)簇狀的水化硅酸鈣，只是在數(shù)量上顯得更多，但結(jié)構(gòu)仍較為疏松。由圖3可見(jiàn)，浸0.1mol/L Na0H溶液90d的RPC試件，出現(xiàn)了較大的溝豁，應(yīng)該是在堿溶液侵蝕下，硬化水泥漿的水化產(chǎn)物被溶析之后形成的。圖4顯示，浸0.1mol/L Na0H溶液90d的RPC試件，在堿的作用下，增加了水化速度，生成了大量的水化產(chǎn)物，使得結(jié)構(gòu)更為致密，同時(shí)出現(xiàn)了多處從集料的界面向集料內(nèi)部延伸的裂縫，是由堿硅反應(yīng)產(chǎn)生的。

含堿溶液的侵蝕主要包括化學(xué)反應(yīng)和物理析晶兩方面的作用。化學(xué)侵蝕是堿溶液與硬化水泥漿組份之間產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，生成膠結(jié)能力弱、易為堿液溶析的產(chǎn)物，例如：

而結(jié)晶侵蝕則是因堿液滲入漿體孔隙，然后蒸發(fā)呈結(jié)晶析出，產(chǎn)生結(jié)晶壓力所引起的漲裂現(xiàn)象。如Na0H滲入后，再在空氣中二氧化碳作用下形成含大量結(jié)晶水的碳酸鈉Na2C03·10H20，在結(jié)晶時(shí)也會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)的漲裂［6］。

另外，還可以用堿硅酸反應(yīng)（ASR）來(lái)解釋水泥基材料處于強(qiáng)堿性環(huán)境下的劣化機(jī)理。早在80年代文梓蕓就利用無(wú)定形硅膠模擬堿硅酸反應(yīng)（ASR）過(guò)程，提出了著名的“最劣點(diǎn)”化學(xué)規(guī)律，即0H-離子腐蝕造成Si02溶解，在液相中硅酸根再縮聚成聚合態(tài)的溶膠，這些溶膠的組成隨系統(tǒng)原始組成不同而變化，從而產(chǎn)生最劣點(diǎn)，這些硅酸堿凝膠才是ASR膨脹破壞的主體［7］。

對(duì)于普通水泥砂漿，因?yàn)樗冶容^大，形成的結(jié)構(gòu)較為疏松，孔隙較多，有足夠的空間容納更多的水化產(chǎn)物，當(dāng)發(fā)生堿硅酸反應(yīng)時(shí)，不會(huì)因?yàn)椴牧系膬?nèi)應(yīng)膨脹而產(chǎn)生微裂紋，相反，硅酸堿凝膠膨脹反而會(huì)使材料更加密實(shí)，強(qiáng)度更高。而對(duì)于RPC而言，由于水灰比很低，RPC的結(jié)構(gòu)非常密實(shí)，無(wú)法容納因堿硅酸反應(yīng)而引起的膨脹量，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂破壞。由圖1可以看出，在堿環(huán)境下聚合物改性RPC的抗折強(qiáng)度發(fā)展與未改性的RPC不同，開(kāi)始時(shí)隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)抗折強(qiáng)度增加，到達(dá)一個(gè)峰值后，其抗折強(qiáng)度就隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)而有所下降。出現(xiàn)這種情況的原因，主要是因?yàn)榫酆衔镌谒嗷牧现械某赡ぷ饔茫?］。聚合物所形成的聚合物膜是一種柔性物質(zhì)，為硅酸堿凝膠膨脹提供了一定的緩沖空間，在吸收了硅酸堿凝膠膨脹的內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)，還使水泥基材料的密實(shí)度得到了提高。但是，聚合物膜提供的緩沖空間畢竟是有限的，當(dāng)堿硅酸反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹超過(guò)一定限度后，仍然會(huì)造成水泥基材料結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

圖2　普通水泥試件浸0.1mol/L NaOH 90d的SEM圖

圖3　RPC試件浸0.1mol/L NaOH 90d的SEM圖

圖4　聚合物改性RPC試件浸0.1mol/L NaOH 90d的SEM圖

3　結(jié)論

RPC材料耐堿試驗(yàn)研究表明，隨著齡期的增長(zhǎng)，RPC材料的強(qiáng)度不斷降低，聚合物改性的RPC材料的強(qiáng)度則是先升高后降低，但降低的幅度要小于未改性的RPC材料。因此，摻入聚合物可以改善RPC材料的耐堿性能。●

［1］Richard P.Reactive powder concrete：a new ultra-high-strength cementitious materials［A］.The 4th InternationalSymposiumonUtilizationofHigh Strength/HighPerformanceConcrete［C］，Paris，1996. 1343-1349.

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