采用機制砂制備RPC100的抗壓和抗折性能研究

熊竑瑞 陳 杰 鄔文祥 徐國林

（西南林業大學土木工程學院，云南 昆明 650244）

0 引言

活性粉末混凝土（RPC）是一種新型材料，具有優異的工作性能，一直受到國內外學者的廣泛重視與關注，在道路、市政、橋梁、核電和軍事工程等領域具有廣泛的應用前景。在RPC的制備中，效仿高致密水泥基均勻體系，將其中的粗骨料剔除，換用最大粒徑為400μm~600μm的石英砂作為骨料，摻入適量短纖維和硅灰等活性礦物摻料，通過成型施壓、熱養護等工藝制備性能優異的水泥基復合材料。雖然RPC具有優異的性能，但是其采用的是特殊的制備原料和特殊養護工藝，增加了RPC的成本。在制備RPC的過程中，集料一般采用石英礦石制備的石英砂，這是導致RPC成本增加的原因之一，如果將石英砂替換為更易獲得的機制砂，則可以降低成本。

陳毅卓等人嘗試用同摻量的標準砂代替石英砂制備RPC，結果表明，在抗壓強度上，代替部分石英砂制備的RPC不比全部采用石英砂制備的RPC低，為代替石英砂制備RPC提供了可能性。為了降低RPC的制備成本，該文設計試驗采用機制砂完全代替石英砂制備RPC，并對其抗折強度和抗壓強度進行檢測分析。

1 原材料與儀器設備

1.1 原材料

活性粉末混凝土是一種成分較多的復合材料，其成分的種類和性質對性能有很大影響。因此，根據特定的特性需要，合理選用原料：1）水泥是RPC中最主要的原料，是能溶解于水中并硬化的水硬性膠凝材料，按用途和性質分類可分為通用水泥、專用水泥和特種水泥三大類。該試驗使用的是標號為42.5的普通硅酸鹽水泥。2）機制砂是由母巖經過破碎加工分制成的粒徑不大于4.75mm的巖石顆粒，由于生產機制砂的礦源分布在不同區域且生產加工機制砂的設備和工藝不同，因此生產的機制砂雖然都符合國家技術標準，但是機制砂粒形和級配可能會有很大區別。該試驗篩分出0.16~2.25mm粒徑的機制砂用于制備RPC。3）機制砂因粒型的原因，拌和過程中需要較多的水，同時由于機制砂中含有石粉、泥塊等雜質，導致拌和過程中和易性稍差，易產生泌水。該使用的外加劑中有山東化學公司的聚羧酸型減水劑。4）該機制砂制備RPC試驗中摻入的礦物摻合料有硅灰和粉煤灰。硅灰對提高水泥混凝土的力學性能有顯著的作用。粉煤灰在混凝土中屬于活性物質，能夠使凝膠材料間的縫隙變得更小，填充縫隙后能夠提高拌合物密度以及其均勻性。5）在鋼纖維RPC中，纖維的分布主要是為了防止微裂縫在RPC中的傳播，在受荷作用初期（拉彎），混凝土基礎材料和纖維都受到了外力的作用，而在混凝土開裂后，纖維在混凝土內部起到跨縫連接的作用，這時纖維受到的拉力更大，將阻止裂縫進一步發展。該試驗中將摻入適量的鋼纖維，以提高RPC的性能。

1.2 儀器設備

該試驗所采用的儀器設備見表1。

表1 儀器設備

2 機制砂RPC的制備與檢測

2.1 機制砂RPC的制備

在制備RPC時，計算配合比是前期準備最基本的工作，計算合理的配合比能大大提高活性粉末混凝土的整體性、均勻性，從而提高RPC的抗折性能、抗壓性能、耐久性等，為制備RPC提供理論上的支撐。活性粉末混凝土和普通混凝土最大的不同體現在兩方面：一方面，RPC中的粗骨料用細集料代替，另一方面，活性粉末混凝土中加入了礦物摻合料的活性物質，同時也加入了纖維料，目前應用最廣泛的纖維種類是鋼纖維。該試驗配合比設計參考了根據鮑米羅公式改進的活性粉末混凝土強度預測公式，改進的公式中考慮了礦物摻和料（活性摻合料）和鋼纖維摻量對RPC強度的影響。

式中：f-活性粉末混凝土預測強度（MPa）；f-同等養護條件下的水泥強度（計算時水浴養護條件下的水泥強度取32.5MPa，蒸汽養護條件下的水泥強度取42.5MPa）；，-回歸系數，=0.6，=1.29/-混凝土膠水比；為骨膠比影響系數,見式（2）。

式中：為集膠比。為膠凝材料級配影響系數，根據混凝土的最大密實度理論，當配合比滿足水泥體積占總粉量體積的60%至70%時，硅灰質量和水泥質量的比值為0.2至0.3，即（硅灰）/（水泥）=0.2~0.3；礦渣質量和水泥質量比值在0.15~0.30，即（礦渣）/（水泥）=0.15~0.3。滿足以上所有條件時，可以直接取=1。

是鋼纖維對RPC強度的影響系數，取值，=1+8，為鋼纖維體積摻量。

參考上述公式，該試驗的配合比設計見表2。

表2 機制砂RPC配合比

RPC的制備由于摻加了硅灰且水膠比較低，因此RPC的漿體比較黏稠，如果使RPC各組分均勻混合，攪拌工藝較為重要。將水泥、水、機制砂、粉煤灰、硅灰、減水劑、鋼纖維按比例準確稱量，然后用攪拌機攪拌，干攪3min，然后再加入鋼纖維干拌，使鋼纖維在拌合劑中均勻地分散，再拌合水、減水劑等濕料攪拌3min，使其充分混合。攪拌流程如圖1所示。

圖1 攪拌流程圖

將剛拌好的RPC混凝土裝入模具內，置于振動平臺上進行振搗，并在高頻振動臺（50Hz）上振動1.5min，然后將試模旋轉90°后振動1.5min后成形。確認混凝土完全填充到模具中，并用邊鏟進行封口。24小時后，將模具拆除，并用記號筆標記樣品編號、制做日期等。

對RPC而言，養護工藝更重要，這是因為RPC的水膠比非常低，能夠提供給水泥、硅灰（粉煤灰）水化的水量更少，當基體毛細孔封閉后，水就不容易進入RPC內部；另外，如果不及時養護，在內部水膠比極低的情況下就不可能產生沁水現象，因此試件表面容易產生干縮裂縫，甚至會因自身收縮產生的應力過大出現開裂，從而影響其強度和耐久性。試驗制備的機制砂RPC試塊采用兩種養護方式，一種是蒸汽養護，在蒸汽箱中70℃蒸汽養護3天，一種是水浴養護，在（20±2℃）水中養護28天。初養結束后，將兩種規格的試件取3份放入蒸汽養護箱中進行養護，3天后取出試件，置于通風干燥處干燥，其余3份試件，進行水浴養護28天后取出，置于通風干燥。養護結束后對試塊進行抗折和抗壓強度檢測。

2.2 機制砂RPC的抗壓、抗折檢測

該試驗檢測了機制砂RPC抗壓和抗折這兩種物理性能。一共兩組試塊，每組3個試塊，試塊規格均采用標準試塊，測試結果取三個試塊的平均值。其中檢測方法和計算參照規范《活性粉末混凝土》GB/T 31387-2015和《混凝土物理學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2019。

抗壓強度檢測試塊采用100m×100m×100m立方體試件，當試塊養護完成后，檢查試塊外觀是否完整，滿足要求后將試塊放入液壓試驗機的承壓板中，試件中心與下壓板中心對準。啟動液壓試驗機，試件與上、下承壓板均勻接觸，試驗機的加載速率為1.2 MPa/s，當試件急劇破壞時，試驗機停止加載并記錄峰值。試塊抗壓強度檢測結果如圖2所示。

圖2 抗壓強度檢測結果

RPC抗壓強度計算公式如下。

式中：f-混凝土抗壓強度（MPa）；-試件破壞荷載（N）；-試件承壓面積（mm）。

抗折強度檢測試塊采用100m×100m×400m棱柱體試件，當試塊養護完成后，檢查試塊外觀是否完整，滿足要求后找出支承點和加荷載點位置并用筆標記出來。支承點和加荷載位置如圖3所示。

圖3 抗折加載位置（單位：mm）

將試件固定好，保證加載過程中試塊和加荷載點不會移動，啟動液壓機，液壓機的加載速率為0.1MPa/s，當試件斷裂破壞時，停止加載并記錄峰值。試塊抗折強度檢測結果如圖4所示。

圖4 抗折強度檢測結果

RPC抗折計算公式如下。

式中：f-混凝土抗折強度（MPa）；-試件破壞荷載（N）；-支座間跨度（mm）；-試件截面寬度（mm）；-試件截面高度（mm）。

3 試驗結果分析

分別對水浴養護和蒸汽養護的RPC進行了抗壓和抗折強度檢測，檢測結果見表3。由檢測結果可知，采用水浴養護的RPC平均抗壓強度為70.75MPa，抗折強度為9.84MPa，而采用蒸汽養護的組抗壓強度為101.42 MPa≥100MPa，抗折強度13.25 MPa≥12MPa，已經符合RPC100的抗折和抗折力學性能，當制備RPC100時，采用蒸汽養護方式，可以用機制砂代替石英砂來降低制備成本，而水浴養護制備的機制砂RPC并沒有達到RPC100的抗壓和抗折力學性能標準，不能采用水浴養護的方式降低養護成本。

表3 檢測結果

由于天然材料本身的物理特性不同，石英石的抗壓強度能達到200MPa至300MPa，除了砂本身的物理特性以外，石英砂具有較高的純度、合理的級配和粒型。而在機制砂的制備中，難免會帶入部分山皮，導致機制砂中0.075mm以下的顆粒含有部分泥粉和破碎過程中產生的石粉，這些雜質會影響RPC的性能。由于機制砂的破碎方式不同，因此機制砂的級配不均勻，粒型相對石英砂來說表面積較大，需要更多的用水量，良好的砂料級配有利于拌合物的工作性，提高RPC的強度、耐久性，減少混凝土的形變，而良好的粒型表面積小，減少了用水量，提高了RPC的強度。同時，良好的級配能夠大大提高混凝土的均勻性，每一級集料之間相互填充，使混凝土變得更密實，從而能夠抵御由于二氧化碳侵蝕導致的混凝土碳化；抵御高濕度、低溫環境下導致的混凝土凍融循環破壞；抵御海洋環境中氯離子的侵蝕。這使得混凝土的耐久性大大增加，減少了維護成本，使其可以在更特殊的環境中使用。機制砂和石英砂各有優劣，在制備RPC100時，應該根據需求綜合考慮兩種不同沙料的性能、成本以及地域等因素，而對于采用機制砂制備RPC100時，應該考慮機制砂的泥粉、石粉含量、級配、粒型等參數。

4 結語

現階段，隨著我國建筑行業的快速發展，天然砂資源迅速減少，有的地區天然礦石已經接近枯竭，我國許多江河地區已經出現河沙資源匱乏和采集困難的問題，同時運輸距離長導致天然砂成本居高不下，雖然石英砂具有許多優異的性能且為天然礦石制備，但是復雜的加工和提純導致它不能在建筑行業更廣泛地使用。機制砂有以下3個優勢：1）資源上的優勢，易獲取、環保等。2）質量上的優勢，由于原料固定，工廠機械化生產，保證了機制砂可調可控等。3）發展潛力較大，在市場細化、行業標準提高的環境下，機制砂的性能將隨生產工藝的提高而提升。采用機制砂代替天然砂澆筑混凝土已經成為建筑行業發展的趨勢。

試驗結果表明，在蒸汽養護條件下制備的RPC，采用機制砂代替石英砂，能夠達到RPC100的抗壓強度和抗折強度性能，能夠降低RPC的成本，有巨大的經濟效應。采用機制砂制備RPC時，應選用優質機制砂，其中包括母巖性能良好、雜質少、級配合理、粒型優良的機制砂。

在制備RPC的過程中，采用機制砂代替天然砂能夠降低成本。由于材料本身的物理性能不同，因此制備的RPC性能不同。例如石英砂具有硬度高、高耐燃性、高純度但成本高等特點，而機制砂則有成本低、易獲得、質量可控卻物理性能差、雜質多等特點，導致最終制備的RPC有性能差異。該試驗未對機制砂RPC100進行耐久度檢測，僅在抗壓性能和抗折性能上達到了RPC100，若要檢測其彈性模量及耐久性能，還須大量的試驗驗證。