活性粉末混凝土的制備與性能研究

吳超凡 滿 晨 李海洋 劉杰文 李夢(mèng)凱

西安交通工程學(xué)院 陜西 西安 710300

1 前言

從1824年至今，“波蘭特水泥”發(fā)生了很大變化。首先，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑的需求，水泥基復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用。此后，建筑結(jié)構(gòu)向高、大跨度方向發(fā)展，要求提高混凝土的力學(xué)性能。提高混凝土強(qiáng)度是一個(gè)亟待解決的問題。水泥強(qiáng)度的提高并不能顯著提高混凝土的強(qiáng)度。隨著社會(huì)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的混凝土建筑和結(jié)構(gòu)。經(jīng)過長(zhǎng)期的自然清洗，建筑物受到腐蝕、凍融破壞和碳化，導(dǎo)致保護(hù)層脫落、鋼筋腐蝕、混凝土材料強(qiáng)度、構(gòu)件脆性增加和延性退化等耐久性問題。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的支撐力減小或損失，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的損失。特別是在對(duì)混凝土耐久性和耐候性要求較高的特殊工程中，如海洋建筑、核工程、地下建筑、橋梁和大壩施工。因此，在強(qiáng)度方面，研究混凝土材料的耐久性非常重要。

活性粉末混凝土是由法國(guó)Bouygues公司研發(fā)使用，使用水泥、硅灰、石英砂、高效減水劑和鋼纖維，按一定配合比通過高溫高壓養(yǎng)護(hù)形成的一種高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的新型水泥復(fù)合基材料。自RPC問世以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在材料配合比設(shè)計(jì)、材料的養(yǎng)護(hù)制度、材料的基本力學(xué)性能、材料的本構(gòu)關(guān)系、柱的抗震性能、構(gòu)件的抗疲勞性能、構(gòu)件的力學(xué)性能等方面做了一些研究，研究表明RPC的力學(xué)性能優(yōu)于普通混凝土和高強(qiáng)混凝土[1]。

2 活性粉末混凝土的制備

配制RPC所需的基本原材料有水泥、砂、硅灰、水、石英粉、高效減水劑、鋼纖維等，也有研究者認(rèn)為可以利用粉煤灰部分替代硅灰以減小RPC的收縮，并降低工程造價(jià)。硅灰與石英細(xì)粉屬于活性材料，內(nèi)部含有大量無定型態(tài)的Si2O，和Al2O3，具有良好火山灰活性，可用于混凝土中部分取代水泥[2]。盡管石英細(xì)砂和磨細(xì)石英粉的火山灰性不如硅灰，但由于其Si2O含量高，顆粒界面的活性強(qiáng)，使其易與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣在顆粒界面發(fā)生二次反應(yīng)，進(jìn)而使集料界面Ca(OH)2的數(shù)量減少并使品體細(xì)化，同時(shí)C-S-H凝膠增多，界面大孔隙減少，膠結(jié)強(qiáng)度和耐久性大大提高。試驗(yàn)采用的水泥的性質(zhì)如表1、表2所示。因此，在配制RPC時(shí)一般都會(huì)摻加一定量的硅灰和石英細(xì)粉。活性粉末混凝土的配合比設(shè)計(jì)如表3所示。

表1 試驗(yàn)用水泥的物理性質(zhì)

表2 試驗(yàn)用水泥的化學(xué)成分

通常，RPC原材料中水泥和硅灰的細(xì)度都較高,石英細(xì)粉的合理級(jí)配對(duì)RPC的強(qiáng)度和流動(dòng)性有著重要的影響[3]。在配制RPC時(shí)，水泥漿填充空隙并包裹在石英細(xì)粉表面，級(jí)配良好的石英細(xì)粉有利于配制較密實(shí)的混凝土，改善混凝土拌合物的和易性，并提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

混凝土材料是一種脆性材料，具有較高的脆性和較低的抗拉，抗折強(qiáng)度，并且其自身強(qiáng)度越高,它的脆性也會(huì)變得更大。RPC因其自身的超高強(qiáng)度與應(yīng)用場(chǎng)合的重要性，對(duì)材料的韌性提出了很高的要求。實(shí)驗(yàn)研究表明,鋼纖維有足夠高的抗拉強(qiáng)度(高達(dá)2800 MPa)，微細(xì)鋼纖維的隨機(jī)分布，可以阻礙混凝土內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)大，阻礙宏觀裂縫的發(fā)展。鋼纖維的摻入明顯的提高了混凝土抗裂性、抑制混凝土收縮的作用，并且不會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度，因此，常常被添加到混凝土中用于改善高性能混凝土的韌性。

表3 活性粉末混凝土的配合比設(shè)計(jì)

鋼纖維的摻量、長(zhǎng)度、直徑等對(duì)RPC的增強(qiáng)效率密切相關(guān)。在一定的區(qū)間內(nèi)，隨著鋼纖維摻量的增加，RPC的抗壓強(qiáng)度也隨之提高。但由于鋼纖維摻量的不斷增加，大量的鋼纖維相互支撐，造成混凝土內(nèi)部出現(xiàn)孔洞的，對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生造成不良影響。同時(shí)，鋼纖維的摻入會(huì)造成混凝土混合困難。混凝土的和易性降低，施工的難度加大。此外，因?yàn)殇摾w維價(jià)格較高，相對(duì)密度也較大的，所以摻入過多的鋼纖維并不利于降低結(jié)構(gòu)自重。因此，考慮拌和易成型和強(qiáng)度因素，實(shí)際應(yīng)用中一般選擇鋼纖維摻量為1.5%～3.0%[4]。

高效減水劑是配制RPC的重要材料，RPC采用的水膠比較低，如果不摻加減水劑很難成型。本試驗(yàn)采用的聚羧酸高效減水劑，是一種高性能減水劑，是水泥混凝土運(yùn)用中的一種水泥分散劑，它對(duì)于水泥粒子有很強(qiáng)的分散作用，可全面提高或改善混凝土的各種性能。聚羧酸高性減水劑是新一代高性能減水劑。適用于素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、高強(qiáng)高性能混凝土，宜用于各種類型混凝土。

3 活性粉末混凝土的性能研究

隨著社會(huì)的發(fā)展，大量混凝土材料的建筑物和構(gòu)筑物問世。經(jīng)過大自然漫長(zhǎng)的洗滌，建筑物遭受腐蝕、凍融破壞、碳化等導(dǎo)致保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕等耐久性問題，使得混凝土材料強(qiáng)度降低、脆性增大、構(gòu)件延性變差，從而降低甚至喪失結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力，造成不可逆的損失。尤其在海洋工程、核工程、地下工程、橋梁大壩工程等對(duì)混凝土耐久性和抵御惡劣環(huán)境能力要求較高的特殊工程中。由此可見，在混凝土滿足強(qiáng)度的條件下，對(duì)混凝土材料的耐久性研究也是非常重要的[5]。

3.1 力學(xué)性能

已有多位學(xué)者研究過活性粉末混凝土的強(qiáng)度，采用的原材料、配合比、養(yǎng)護(hù)條件、試件尺寸等有較大的區(qū)別，但試驗(yàn)結(jié)果都顯示，RPC具有超高的抗壓強(qiáng)度。活性粉末混凝土具有很高的抗壓強(qiáng)度，較大的試件尺寸要求試驗(yàn)機(jī)具有很大的量程，因此活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試一般選擇100 mm×100 mm×100 mm或40 mm×40 mm×40 mm試件[6]。需要注意的是各單位測(cè)定抗壓強(qiáng)度時(shí)其加載速率并不一定相同，國(guó)內(nèi)一般根據(jù)GB/T 50081——2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，加載速率為6～10 kN/s，也有采用位移控制的，如文獻(xiàn)《鋼纖維摻量對(duì)活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響》[7]，其加載速率為0.03 mm/min。國(guó)外的加載速率不能做到統(tǒng)一，如文獻(xiàn)《Mechanical and thermal evaluation of Ultra High Performance Fiber Reinforced Concretes for en-gineering applications》[8]加載速率為0.1mm/min，文獻(xiàn)《Mechanical properties of reactive powder concrete containing mineral admixtures under different curingre gimes》[9]則根據(jù)規(guī)范EN 1015-11，加載速率小于1 kN/s。

3.2 耐久性

混凝土的抗凍性能通常用耐久性指數(shù)DF（凍融循環(huán)后的動(dòng)彈性模量與凍融前的動(dòng)彈性模量之比）、質(zhì)量損失率、強(qiáng)度損失率和凍融循環(huán)次數(shù)等指標(biāo)來評(píng)價(jià)。不同學(xué)者對(duì)RPC 試件進(jìn)行的凍融循環(huán)試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果分析，各參數(shù)影響下RPC試件經(jīng)過200次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失幾乎為0。但其相對(duì)動(dòng)彈性模量變化有些差異，可能是由于試件的材料配合比、養(yǎng)護(hù)制度等不同造成。

通過凍融實(shí)驗(yàn)，Alkaysi M等發(fā)現(xiàn)硅灰對(duì)超高性能混凝土（UHPC)呈現(xiàn)出較高的抗凍融循環(huán)能力,而 Ehsan GI20l研究不含硅 UHPC可使內(nèi)部鋼筋腐蝕速率顯著降低，減緩UHPC裂縫出現(xiàn)時(shí)間，其中機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。安明喆等[10]通過試驗(yàn)證明了粉煤灰和礦粉替代部分硅粉提高了抗海水凍融能力；摻入粉煤灰或礦粉的RPC的使用壽命均大于單摻硅粉的RPC，且均超過90年；考慮凍融循環(huán)作用的氯離子侵蝕壽命預(yù)測(cè)分析，當(dāng)保護(hù)層厚度為40mm 時(shí)，不同配合比活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命均達(dá)到60年以上，當(dāng)保護(hù)層厚度為50mm時(shí)，不同配合比活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命均達(dá)到100年以上。因此適當(dāng)增加保護(hù)層厚度能顯著提高RPC構(gòu)件耐久性。

4 結(jié)論

活性粉末混凝土因?yàn)槠涓邚?qiáng)度、高耐久性的特性已經(jīng)在海洋工程、核工程、石油工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，并且在其他工程上也得到了廣泛的應(yīng)用。但就其性能來說,還存在一些問題有待解決。

（1）由于自然條件和現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，很難滿足RPC成型和養(yǎng)護(hù)制度要求加壓和熱養(yǎng)護(hù)，因此只能制作一些小型的預(yù)制構(gòu)件，限制其應(yīng)用和發(fā)展。我們有必要對(duì)RPC的常溫養(yǎng)護(hù)條件作進(jìn)一步研究。

（2）由于RPC的水灰比非常低和鋼纖維的加人，現(xiàn)在的攪拌設(shè)備很難使組成材料攪拌均勻并使鋼纖維在基體中有效的分布。需要研發(fā)機(jī)械設(shè)備使纖維均勻地分布在混凝土中。

（3）在不同養(yǎng)護(hù)條件下RPC早期收縮的變化規(guī)律和控制技術(shù)需要進(jìn)一步研究。

（4）需要對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)條件下RPC的配合比、制備工藝等與其耐久性能的關(guān)系做更進(jìn)一步研究,使RPC更好的應(yīng)用到實(shí)際工程之中。

（5）為了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)一步提高RPC試件的耐久性，耐久性問題在多因素耦合作用下需要進(jìn)一步研究。

（6）纖維對(duì)RPC耐久性方面的作用研究依舊是以試驗(yàn)及定性分析為主,因?yàn)槔w維的參數(shù)較多，因此導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果各異,很難形成直接指導(dǎo)纖維設(shè)計(jì)的理論。因此，在纖維對(duì)RPC耐久性影響和應(yīng)用數(shù)值仿真分析方面還有待突破。