鋼纖維摻量對RPC流動性和強度的影響

李小森 程從密 莊玉海

（1廣州大學 土木工程學院；2廣州市城市建設開發有限公司）

0 引言

活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete，簡稱RPC)作為一種超高性能、高韌性的復合水泥基材料[1]。RPC通過使用級配優質的細骨料，提高堆積密度、減小空隙率，降低由粗骨料的使用而產生的空隙與微裂縫等，通過調整配合比，使其總體的缺陷程度降低到最小，使力學性能與耐久性能等達到理想狀態。由于活性粉末混凝土對水分子吸收特性，氯離子擴散速率相比于其他混凝土得到抑制，RPC在鹽堿環境中抗腐蝕能力和耐磨性都高于普通混凝土和高性能混凝土。

自上世紀90年代RPC問世以來，由于其優異的性能，已被廣泛應用于土木、市政、核電、石油、海洋和軍事等工程領域。國內外學者近年來在纖維RPC研究上收獲豐碩，覃維祖團隊率先研究了RPC堆積密度、漿體勻質性與鋼纖維摻量對強度和抗滲性能的影響[2]。解放軍理工大學研究了鋼纖維摻入改善了RPC抗沖擊性能，因此，鋼纖維RPC的開發研制，對于抗爆工程和抗震工程的安全可靠具有十分重要的意義[3]。J.Dugat團隊通過RPC200和RPC800的基本力學性能試驗，深入剖析RPC的一些基本力學性能指標，如本構關系、彈性模量、抗彎拉強度和材料斷裂韌性等[4]。一些研究人員定期宣布，他們已經成功地制造出抗壓強度非常高的混凝土，但必須承認，除了巴赫提出的“致密水泥/超細顆粒基材料”（DSP）概念和Richard和Cheyrezy提出的反應性粉末概念（RPC）之外，很少轉化為的工業應用[5]。

對于纖維RPC增強材料而言，其水膠比一般較低，因此如何保證其流動性能夠滿足實際需求，是一個需要解決的問題；另有團隊質疑在強度增加的同時容重也會大幅度增加，自身的承載力也會受到限制。本實驗通過改變鋼纖維體積摻量來研究適宜水膠比條件下RPC的流動性、鋼纖維摻量與強度的經驗公式。

1 試驗材料與方法

1.1 RPC的基本原材料

⑴鋼纖維：鍍銅鋼纖維，長度13mm，直徑0.22mm，河北致泰鋼纖維有限公司。

⑵水泥：P.I42.5級普通硅酸鹽水泥，撫順水泥有限公司。

⑶硅灰：SiO2含量大于93%的超細活性硅灰，比表面積為20000m2/㎏，相對密度2.21，粒徑范圍：0.1～1.0μm，廣東秦時新能源有限公司。

圖1 鍍銅鋼纖維

圖2 粗石英砂

圖3 細石英砂

圖4 石英粉

表1 水泥、硅灰、石英粉和石英砂化學成分 （%）

⑷石英砂：16～26目的粗石英砂，70-120目細石英砂，1250目的石英粉，主要成分為SiO2；江門華興有限公司。

⑸減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率大于35%，固含量為50%。

1.2 配合比設計

試驗分別探討了不同鋼纖維摻量對RPC坍落擴展度、抗壓強度、抗折強度的影響，水膠比為0.20，鍍銅鋼纖維按照體積摻量的形式摻入基體，鋼纖維體積摻量為0～3.0%，長徑比為60，外加劑為固體含量，實驗配合比見表2。

表2 RPC配合比

1.3 試驗方法

漿體均勻攪拌且時間控制在5min以內，倒入尺寸為40mm×40mm×160mm的模具內，漿體振動成型后移至養護室（20±2℃）24小時后進行拆模，將試件放置蒸箱中連續蒸養48小時，養護后的試件在測試前取出，室溫放置2小時后進行強度試驗。參照GB/P2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行RPC流動性試驗，參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行RPC強度試驗。

2 結果與討論

2.1 同水膠比條件下纖維摻量對坍落擴展度的影響

RPC水膠比較低，纖維摻量不僅要考慮強度因素還要考慮其流動性要滿足使用需求，本文用坍落擴展度衡量拌合物流動性，本試驗中圖5坍落擴展度在150s左右基本停止擴展，說明纖維增強RPC在靜止后表面迅速凝結停止擴展，從擴展速度上看，隨著鋼纖維摻量的增加擴展速度呈下降趨勢。圖6為150s時RPC的坍落擴展度，隨著鋼纖維摻量的增加，RPC漿體的流動性降低；3.0%的鋼纖維摻量較不摻鋼纖維的漿體流動性下降25.0%且下降速度高于第1.0%～2.5%鋼纖維摻量的流動性，3.0%鋼纖維摻量的漿體的坍落擴展度為13mm，流動性與其他鋼纖維摻量的漿體相比較差。通過觀察靜止后漿體，可發現隨著鋼纖維摻量的增加，漿體粘稠度增加，鋼纖維在漿體內呈現三維分布，纖維之間的相互作用力阻礙漿體進一步坍落。同時，當鋼纖維摻量大于2.5%時，中心部位的鋼纖維在RPC漿體中具有環箍作用，即在進行流動性測試時，鋼纖維約束RPC漿體不再移動，邊緣部分鋼纖維較少或沒有，擴散后的漿體呈現出不均勻的狀態[6]。因此，考慮到漿體的均勻程度，當鋼纖維摻量為2.0%左右時，RPC漿體的流動性能仍處于較為理想的狀態。

圖5 RPC擴展度曲線

圖6 RPC擴展度與鋼纖維摻量的關系

2.2 同水膠比條件下纖維摻量對RPC強度的影響

2.2.1 RPC經驗公式、抗壓曲線與鋼纖維摻量的關系

圖7所示為RPC抗壓強度與鋼纖維摻量的折線圖。由折線圖可以看出，鋼纖維摻量與抗壓強度的變化曲線并不呈現單一變化趨勢；從整體分析，摻入鋼纖維的RPC相對于無纖維基準砂漿抗壓強度明顯提高；對折線圖分段分析，鋼纖維摻量從0%增至0.5%其抗壓強度增長29.8MPa，平均增長速率為59.8，低摻量鋼纖維對RPC抗壓強度增強效果顯著；鋼纖維摻量從0.5%增至2.5%其抗壓強度增長35.7MPa，平均增長率為17.9，增長速率相對緩慢；鋼纖維從2.5%增至3.0%時，其抗壓強從223.5MPa降到208.7MPa，抗壓強度降低了6.6%。在追求高強度RPC時不能只依賴鋼纖維摻量，當鋼纖維摻量為3%時，其抗壓強度出現明顯的下降趨勢。

圖7 RPC抗壓強度與鋼纖維摻量的關系

歸一化處理0%至2.5%鋼纖維摻量下RPC的抗壓強度，不同鋼纖維摻量RPC與無纖維基準砂漿的抗壓強度進行對比，得出相對抗壓強度散點圖，關系如圖8所示，在鋼纖維摻量為0%至2.5%時，其相對抗壓強度呈線性增長趨勢。

圖8 相對抗壓強度與鋼纖維摻量的關系

式中：

ρ——鋼纖維摻量，%；

fcu——RPC抗壓強度，MPa；

fc——無纖維基準砂漿抗壓強度，MPa。

RPC抗折強度與鋼纖維摻量的關系曲線如圖9所示，可以看出在0%至3.0%鋼纖維摻量下抗折強度的曲線變化趨勢單一且呈線性增長，當鋼纖維摻量從0%增加至3.0%時，抗折強度提高明顯，由無纖維基準砂漿的17.1MPa增長至47.3MPa,同比增長177%且增長速率為10.0；本試驗中抗折強度并未出現下降趨勢，說明鋼纖維摻量在0～3.0%范圍內對抗折強度一直是增強作用。

圖9 抗折強度與鋼纖維摻量的關系

歸一化處理0%至3.0%鋼纖維摻量下RPC的抗折強度，不同鋼纖維摻量RPC與無纖維基準砂漿的抗折強度進行對比，得出相對抗折強度散點圖，關系如圖10所示；在鋼纖維摻量為0%至3.0%時，其相對抗折強度曲線呈線性增長趨勢。

圖10 不同鋼纖維摻量RPC相對抗折強度

式中：

ρ——鋼纖維摻量，%；

fts——RPC抗折強度,MPa；

ff——無纖維基準砂漿抗折強度，MPa。

2.2.2 鋼纖維摻量對RPC強度影響的細觀結構分析

圖11為鋼纖維摻量0.5%與3.0%的RPC斷面顯微圖，當少量鋼纖維摻量時，RPC總孔隙率下降，孔體積減少，混凝土的孔結構得到改善。當較高鋼纖維摻量時，漿體和易性變差，難以振搗密實，混凝土的總孔隙率、孔體積呈現增大的趨勢，摻量過大時，又會在混凝土內部出現纖維的結團現象，造成孔結構分布不均勻，總孔隙率增大[7]。故過大鋼纖維摻量會導致抗壓強度會有所降低。

圖11 不同鋼纖維摻量RPC斷面顯微圖

實驗結果表明單摻鋼纖維時，隨著纖維體積摻量的增加，抗折強度隨之提高[8]。這與鋼纖維的分布規律也有密切關聯，拌合物從上而下倒入磨具中，受力方向豎直向下，鋼纖維在混凝土中趨于沿垂直于成型方向分布的規律，在試件抗折時鋼纖維與受力方向垂直，抗壓時鋼纖維與受力方向平行，鋼纖維在與受力方向垂直方向更能發揮其力學作用[9]。從擬合公式的增長率來看，抗折強度的增長率大于抗壓強度的增長率，故鋼纖維對RPC試件抗折強度的增強作用大于RPC試件抗壓強度，這是因為鋼纖維的增強作用只有在試件受力達到極限強度之后，裂縫擴展到水泥石之中才得以發揮[10]。雖鋼纖維體積摻量在0～3.0%并未出現抗折強度的降低，但過多的鋼纖維摻入必然會使試塊空隙率增加鋼纖維不規則聚團。鋼纖維的摻入極大優化了RPC的抗折強度，但過量的鋼纖維摻入會導致抗折強度的增加幅度有所降低，應合理控制鋼纖維摻入量。

2.3 同水膠比條件下鋼纖維摻量對折壓比的影響

圖12所示，折壓比（fcr=fts/fcu）隨鋼纖維摻量（ρ）增加而增加，增長速率也隨之增加；折壓比作為延性和抗裂性能的指標，可以得出隨著鋼纖維摻量的增加RPC的延性和抗裂性能也隨之增強。少量鋼纖維摻入，折壓比增長不明顯，少量鋼纖維的摻入對抗折、抗壓強度都有明顯的貢獻；鋼纖維摻量2.0%至3.0%的折壓比增長率大于0.5%至2.0%的鋼纖維摻量，過大鋼纖維的摻入導致抗壓強度的增長緩慢。

圖12 RPC的折壓比與鋼纖維摻量的關系

對鋼纖維摻量為0～3.0%的RPC折壓比數據進行歸一化處理，處理結果如圖12所示。

根據圖12擬合鋼纖維摻量（ρ）與折壓比（fcr=fts/fcu）的經驗公式：

式中：

fcr——折壓比；

ρ——鋼纖維摻量，%。

試驗中可以觀察到鋼纖維摻量為0%的RPC在抗折試驗中出現脆斷，抗壓試驗中出現爆裂現象，裂紋發展迅速，從出現裂縫到斷裂迅速完成，使試件失去力學性能不能繼續工作；隨著鋼纖維摻量的增加在抗折試驗中RPC會出現鋼纖維拔出，鋼纖維拔出聲隨纖維摻量增加而增加，抗折強度試驗中，剛開始加載時，表面裂縫不明顯；當達到約60%極限荷載時，表面細微裂縫開始出現并緩慢發展，同時發出鋼纖維斷裂聲；達到極限荷載時，試件中心處附近出現主裂縫，同時看到裂縫處從RPC中拔出的鋼纖維，裂縫順著鋼纖維方向繼續發展直至試件破壞。摻入鋼纖維的試件抗折抗壓試驗均不會出現脆斷與爆裂現象，裂縫從產生到發展使試件失去力學性能過程緩慢且裂縫較少，其仍然沒有發生整體性破壞，試驗結果表明，摻有鋼纖維的RPC破壞后的試件仍有一定的工作性能。

3 結論

⑴鋼纖維摻量增加，RPC漿體坍落擴展度呈現快慢快的下降趨勢，鋼纖維摻量在3.0%時流動性較差，坍落擴展度為138mm。

⑷鋼纖維摻量為0～3.0%時，RPC的折壓比（fcr）與鋼纖維摻量（ρ）的經驗關系式為：

⑸根據經濟、強度和流動性綜合分析，RPC的鋼纖維適宜摻量為2.0%左右。