活性粉末混凝土(RPC130和RPC160)的試驗研究

袁宇鵬

(1.四川省建材工業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；2.四川省材科院檢驗檢測有限公司，四川 成都 610081)

0 前 言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,簡稱RPC)是在現(xiàn)代材料科學(xué)領(lǐng)域和混凝土技術(shù)領(lǐng)域迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上衍生出來的一種高性能工程新材料，它具有低脆高韌、超高強度、耐久性優(yōu)異、體積穩(wěn)定性良好的特點，在國防工程、海港橋梁、管道運輸以及對抗震性和耐腐蝕性要求較高的建筑工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。它是由水泥、粉煤灰、石英砂、硅粉、高性能減水劑等組成，剔除粗骨料，通過提高組分的細(xì)度與活性，使材料內(nèi)部的缺陷(孔隙與微裂縫)減少到最低程度，以獲得超高力學(xué)性能和高耐久性[1-4]。在RPC的凝結(jié)、硬化過程中采取適當(dāng)?shù)募訅骸⒓訜岬瘸尚宛B(yǎng)護(hù)工藝，可加速活性分體的水化反應(yīng)，強化水化產(chǎn)物的結(jié)合力。本文分析水膠比、膠材組成、砂膠比、鋼纖維摻量等因素對RPC強度和工作性的影響。

1 原材料

1)水泥。P.O52.5R，表觀密度3 150 kg/m3。

2)粉煤灰。Ⅰ級，表觀密度2 310 kg/m3。

3)硅粉。活性指數(shù)140，表觀密度2 330 kg/m3。

4)石英砂。10～20目、20～40目、40～70目，表觀密度2 650 kg/m3。

5)標(biāo)準(zhǔn)砂。廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

6)高性能減水劑。聚羧酸系，減水率40%。

7)鋼纖維。長度10～13 mm，直徑0.5 mm。

8)水。普通飲用水，符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ63-2006)的規(guī)定。

2 試 驗

2.1 配制目標(biāo)

1)RPC130：抗折強度≥18 MPa，抗壓強度≥130 MPa。

2)RPC160：抗折強度≥22 MPa，抗壓強度≥160 MPa。

2.2 活性粉末混凝土的試配

2.2.1 膠材組成的選擇

以水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、硅粉、粉煤灰、高性能減水劑為原材料，為簡化試驗繁雜程度，均以質(zhì)量比例出發(fā)，膠砂比為1.25，以尋求合適的膠材組成，按照表1中的配合比進(jìn)行試配。養(yǎng)護(hù)制度為：標(biāo)準(zhǔn)條件下靜停24 h脫模，25 ℃/h升溫至90 ℃恒溫72 h，再25 ℃/h降至室溫后標(biāo)養(yǎng)至28 d。試件為40 mm×40 mm×160 mm膠砂試件。

表1 膠材組成的選擇試驗

經(jīng)上述試驗，初步選定1號～3號作為RPC160的配合比的膠材比例(水泥∶硅灰∶粉煤灰=64∶16∶20)，1號～5號作為RPC130的配合比的膠材比例(水泥∶硅灰∶粉煤灰=42∶18∶40)。

2.2.2 石英砂級配的優(yōu)化

對于大摻量活性粉末混凝土來講，砂子是其中唯一的骨料，合理的砂子級配，不僅滿足使砂粒之間的空隙達(dá)到最小，同時也能使混凝土的均勻性更高。本試驗采用的砂子粒徑為10～20目、20～40目、40～70目的三種石英砂顆粒。應(yīng)用黃兆龍密實堆積配合比設(shè)計法，從球體最緊密堆積理論出發(fā)，調(diào)整三種顆粒級配，使得三種骨料組分實現(xiàn)最緊密堆積，改善大摻量礦物細(xì)粉活性粉末混凝土的孔結(jié)構(gòu)，減小孔隙率，提高大摻量礦物細(xì)粉活性粉末混凝土的早期力學(xué)性能[5]。

經(jīng)反復(fù)試驗和理論計算，最終確定三種石英砂的級配比例為10～20目∶20～40目∶40～70目=60∶16∶24。

2.2.3 砂膠比的選擇

砂膠比對混凝土強度的影響涉及混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性問題。RPC膠凝材料量較多，對其體積穩(wěn)定性可能造成不利影響，因此有必要控制漿體數(shù)量，確定RPC中最佳的漿骨比，從而提高RPC的體積穩(wěn)定性。本試驗為選擇較為理想的砂膠比，通過表2的配合比試驗來確定，試件為40 mm×40 mm×160 mm膠砂試件。

表2 砂膠比的選擇試驗

通過上述試驗可以看出，在水膠比不變的情況下，砂膠比在1.25～1.50時強度處于一個峰值區(qū)間，當(dāng)砂膠比增大到1.62時強度降低；另外，為降低膠凝材料用量，特別是降低水泥用量，最終選擇砂膠比為1.50。

2.2.4 水膠比的選擇與鋼纖維的摻量

一般來說，RPC的抗壓強度隨著水膠比的增加而減小，對于RPC來說，水膠比宜為0.16～0.20。水膠比太小時，RPC拌合物的黏性很大，在振搗過程中不容易密實，也會影響RPC的抗壓強度。因此，在配制RPC時不應(yīng)該一味地追求低水膠比，而應(yīng)該綜合考慮水膠比和拌合物對模具的可填充性，在此基礎(chǔ)上選擇最佳的水膠比，以達(dá)到較高的強度。

另外，為增加RPC的抗拉強度與韌性，選擇向RPC摻入鋼纖維。鋼纖維對RPC的作用在于它能夠阻礙混凝土基體內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生、擴展，顯著提高RPC的韌性、延性和抗彎強度，有效地避免無征兆的脆性破壞的發(fā)生。不同鋼纖維含量對RPC的強度有影響，鋼纖維摻量越大，混凝土的28d抗壓強度越大，抗彎強度也越大。鋼纖維摻量對抗彎強度的影響比對抗壓強度的影響更明顯，這是因為鋼纖維的增強作用只有在試件受力達(dá)到抗壓強度之后，裂縫擴展到水泥石之中才得以發(fā)揮，這就是試件抗彎時在出現(xiàn)裂縫后，抗彎強度還能繼續(xù)上升的原因。但也不是鋼纖維摻得越多越好，摻得太多會降低混凝土的和易性、增加成本，而且也不能全部發(fā)揮作用。考慮和易性及強度因素，綜合考慮選擇鋼纖維摻量。為此，通過表3～4的配合比試驗，選擇合適的水膠比和鋼纖維摻量。

表3 RPC160水膠比和鋼纖維摻量的選擇試驗

表4 RPC130水膠比和鋼纖維摻量的選擇試驗

通過上述試驗，確定RPC160水膠比為0.17，鋼纖維摻量為3.0%；RPC130水膠比為0.18，鋼纖維摻量為1.5%。

3 配合比確定

按上述所有試驗確定的各參數(shù)，成型100 mm×100 mm×100 mm的抗壓強度試件，100 mm×100 mm×400 mm的抗折強度試件，其養(yǎng)護(hù)制度為：標(biāo)準(zhǔn)條件下靜停24 h脫模，25 ℃/h升溫至90 ℃恒溫72 h，再25 ℃/h降至室溫后標(biāo)養(yǎng)至28 d。配合比及28 d強度結(jié)果如表5。

表5 RPC130和RPC160最終配合比及力學(xué)性能

4 結(jié) 論

1)RPC的抗壓強度隨著水膠比的增加而減小，采用0.17和0.18水膠比可分別配制RPC160和RPC130混凝土。

2)鋼纖維的摻入，使得活性粉末混凝土的強度得到明顯提高，但鋼纖維不是摻得越多越好，摻量太大會降低混凝土的工作性。

3)在水膠比不變的情況下，砂膠比在1.25～1.50時,強度處于一個峰值區(qū)間，當(dāng)砂膠比增大到1.62時,強度明顯降低。

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