活性粉末混凝土(RPC)配合比設計試驗研究

劉秀元 宋榮方 劉晉艷

(1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600；2.鄭州工程技術學院土木工程學院 河南鄭州 450044；3.山西大學電力與建筑學院 山西太原 030006)

1 引言

1993年，法國Bouygues公司研制出一種強度高、韌性好、耐久性以及和體積穩定性優良的水泥基復合材料，即活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱 RPC)[1-2]。RPC作為一種新型的工程材料，不但具有很高的抗壓強度和抗拉強度，還具有收縮徐變小、耐久性好等特點，其抗滲性、抗凍性和耐腐蝕性指標均遠優于普通混凝土[3]。RPC原材料平均顆粒尺寸在0.1 μm～1 mm之間，能夠填充混凝土內部細小孔隙，提高拌合物的密實性。作為一種新型混凝土，RPC不僅可以獲得200～800 MPa的超高抗壓強度，而且具有30～60 MPa的抗折強度，有效克服了普通高性能混凝土的高脆性問題。

RPC組成成分沒有石子(粗骨料)，通過改變組分的細度和活性降低材料內部的孔隙與微裂縫，從而獲得超高強度與耐久性[4]。鄭文忠基于56組RPC配合比試驗結果，初步提出RPC配合比設計的建議公式[5]。劉秀元[6]等將RPC應用于鐵路簡支梁，實際效果良好。張榮華[7]、張勁[8]等人也分別對RPC的配合比進行了試驗研究。本文結合工程應用要求，在國內外學者研究的基礎上，初步設定五種RPC基本配合比，通過試驗結果不斷優化調整配合比，最終確定出能滿足工作性和強度要求的RPC配合比，并研究影響RPC強度的各種因素。

2 配合比設計

2.1 RPC性能要求

某高速鐵路橋梁RPC，要求強度等級為R120，配制強度132 MPa，坍落度≥160 mm，28 d電通量＜40C，抗折強度≥18 MPa，抗凍性≥F600，彈性模量≥46 GPa。

2.2 試驗原材料

(1)水泥:采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時間198 min、終凝時間264 min，燒失量為2.5%，密度3.06 g/cm3，比表面積390 m2/kg，28 d抗折強度8.6 MPa，28 d抗壓強度51.4 MPa。

(2)硅灰:為優質中質微硅粉，顏色為暗灰色[9]，SiO2含量為 95.12%，密度 2.2 g/cm3，燒失量2.4%，比表面積19 000 m2/kg，水含量1.2%，氯離子含量 0.018%，28 d活性指數 124%，需水量104%。

(3)粉煤灰:選用600目超細粉煤灰，顏色為灰色。

(4)石英砂:采用某砂廠訂制的石英砂，粒徑范圍為0.16～1.25 mm，按粗細程度分為粗砂、中砂、細砂三種[10]。其中粒徑0.16～0.315 mm為細砂，粒徑0.315～0.63 mm為中砂，粒徑0.63～1.25 mm為粗砂。

(5)減水劑:中國建材院生產的聚羧基減水劑，含固量40%；西卡公司生產的聚羧酸鹽混凝土保塑減水劑3 301 MK和3 301 MU；上海馬貝減水劑。

(6)鋼纖維:采用特制細圓形短細鋼纖維，表面鍍銅，直徑為0.22 mm，長度12～15 mm，抗拉強度2 800 MPa。

The protein cross-linking mechanism evidently requires much more research both with and without a photoinitiator, and such studies could yield different results depending on the relevant amino acids.

(7)石英粉:275目石英粉，顏色為白色，略微發黃[11]，石英含量為90% ～95%，密度為2.65 g/cm3，硬度為7。

2.3 試驗基本配合比

試驗所選用基本配合比見表1。通過改變材料類型、摻量及水膠比，優選出合適的配合比。

表1 試驗基本配合比 kg/m3

3 配合比試驗結果

3.1 第一次配合比試驗

采用基本配合比，分別進行和易性試驗和試塊強度試驗，結果見表2和表3。

表2 和易性試驗結果(第一次)

表3 試塊強度試驗結果(第一次)

配合比A、D抗壓強度不滿足120 MPa的要求，考慮更換減水劑再次試驗。配合比B立方體試塊拆模時較軟導致變形[12]，未進行強度試驗，舍棄不用。配合比C抗壓強度和抗折強度均較低，舍棄不用。配合比E抗壓強度滿足120 MPa要求，但抗折強度較低，需再次試驗。

3.2 第二次配合比試驗

重新采用西卡公司生產的聚羧酸鹽混凝土保塑減水劑3 301 MK和3 301 MU，對配合比D和E進行第二次試驗，結果見表4和表5。

表4 和易性試驗結果(第二次)

表5 試塊強度試驗結果(第二次)

配合比D采用減水劑3 301 MK，拆模時試塊表面起皮，且很軟[13]，舍棄。采用減水劑3 301 MU，強度同樣不滿足要求，舍去不用。配合比E的抗折強度較低，原因為鋼纖維含量較低(1.25%)，其他配比均在1.5%及以上，增加鋼纖維含量再次進行試驗。

3.3 第三次配合比試驗

配合比A換用上海馬貝減水劑，增加配合比E中鋼纖維含量，再次進行試驗，結果見表6和表7。

表6 和易性試驗結果(第三次)

表7 試塊強度試驗結果(第三次)

配合比A在24 h拆模時試塊較軟，由于蒸養箱采用養護溫度為50℃，開門降溫2 h且加常溫自來水養護，升溫速度略快；3 d后配合比A產生多條裂紋，試件失效。配合比E增加鋼纖維含量后，抗壓強度超過120 MPa，抗折強度接近20 MPa。

3.4 最終配合比

4 RPC強度影響因素試驗結果

4.1 養護溫度及齡期對RPC強度的影響

為了研究養護溫度及齡期對RPC強度的影響，對最終配合比E在不同養護溫度、不同齡期下進行強度試驗[14]，結果見表8和圖1。

表8 不同養護溫度下強度試驗結果

由表8可知，75℃高溫蒸汽養護的抗壓強度最高，達到129.4 MPa；60℃時的抗壓強度為127.6 MPa，抗折強度為19.55 MPa。由此可見，蒸汽養護溫度在60℃以上即可滿足強度要求。

圖1為標準養護條件((20±2)℃，相對濕度≥95%)不同齡期下的抗壓強度試驗結果。結果表明，RPC早期強度增加很快，24 h后抗壓強度可達到40 MPa以上，7 d后強度增長放緩；28 d強度接近90 MPa，4 d可達到28 d強度的87%；28 d抗壓強度為60℃高溫蒸汽養護抗壓強度的70%。隨著齡期增加，水化反應進行得越充分，粉煤灰、硅灰活性得到充分釋放[15]，RPC抗壓強度和抗折強度隨之增大。

4.2 外加劑摻量對強度的影響

由圖2可知，隨著外加劑摻量增加，混凝土強度整體也在逐漸提高，當摻量提高至3%時，強度最高；隨著外加劑摻量繼續增加，抗壓強度逐漸降低。

4.3 水膠比對強度的影響

水膠比是影響混凝土強度的重要因素之一[15]，在滿足流動性要求前提下，水膠比越低，混凝土強度也就越高。從圖3可知，隨著水膠比逐漸減小，RPC強度逐漸增加，當水膠比在0.2～0.21之間時，強度變化不大，此時混凝土的工作性也較好。

4.4 硅灰摻量對強度的影響

由圖4可知，隨著硅灰摻量提高，RPC抗壓強度逐漸增大，當摻量達到膠凝材料的20%時，強度最高[16]；隨著硅灰摻量繼續增加，RPC抗壓強度逐漸降低。之所以出現這種現象是因為硅灰粒徑很小，能充分填充拌合物顆粒之間的孔隙，摻量合適時可明顯提高RPC的密實性，抗壓強度亦隨之提高。但硅灰本身比表面積很大，拌和時需要較多的水量，隨著摻量的提高，拌合物流動性會下降，導致試件難以成形。

4.5 鋼纖維摻量對強度的影響

混凝土抗壓強度與抗拉強度比值非常大，而隨著抗壓強度提高，混凝土的脆性也隨之增強，為此可在RPC中加入鋼纖維以改善其韌性[17]。由圖5可知，隨著鋼纖維摻量增加，RPC強度也隨之提高，當摻量達到1.9%時，RPC強度最高；隨著鋼纖維摻量繼續增加，RPC強度不增反降，這是因為該條件下需更多水泥漿來包裹鋼纖維，而水泥漿數量不足，導致混凝土各項性能下降，強度降低。

4.6 砂膠比對強度的影響

由于鋼纖維摻量增加后，RPC拌合物工作性變差，要改善混凝土的工作性，可以增大水膠比，但混凝土強度降低、收縮和裂紋等問題會隨之出現[18]。為此，可通過改變砂子與膠凝材料的比例來改善混凝土的工作性。由圖6可知，隨砂膠比提高，混凝土強度先提高后回縮，當砂膠比在1.29～1.40之間時，混凝土強度最高且表現穩定。

5 結論

(1)通過試配，得到滿足該項目要求的RPC配合比為:水泥∶硅灰∶粗石英砂∶中石英砂∶細石英砂∶鋼纖維∶減水劑∶水 ＝920∶170∶460∶340∶280∶120∶22∶174。

(2)RPC混凝土強度隨齡期增加而提高，早期強度增長較快。采用蒸汽養護時，溫度在60℃以上即可滿足強度要求。

(3)RPC混凝土強度隨外加劑、硅灰以及鋼纖維摻量的增加均先提高再降低，摻量分別為3%、20%、1.9%時強度最高。

(4)水膠比在0.2～0.21之間時，混凝土的工作性較好，強度亦滿足要求，變化不大。砂膠比在1.29～1.40之間時，混凝土強度最高且表現穩定。