大西客運專線活性粉末混凝土(RPC130)配制試驗研究

王克文

(中鐵十二局集團有限公司大西鐵路客運專線工程指揮部，山西臨汾 041000)

1 概述

大西客運專線是國家《中長期鐵路網規劃》的重要組成部分，線路北起山西省大同市，自北向南貫穿山西省中部后，跨黃河進入陜西省渭南市，經臨潼至西安。線路正線全長859 km。在大西客運專線建設中，存在大量的橋梁工程。以往客運專線橋梁使用的人行道步行板與電纜槽蓋板為普通混凝土制成，它存在覆蓋時截面高、自重大且安裝和更換不方便等缺點。針對這些特點，大西客運專線采用RPC作為制作人行道步行板與電纜槽蓋板的材料。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，縮寫為RPC)是應用于我國鐵路建設的一項新技術，與過去應用材料相比，其質量輕，抗折強度和抗壓強度高，韌性好、有極好的抗沖磨和抗滲透性能，安裝方便且具有良好的使用性能和耐久性。

活性粉末混凝土主要組成為級配良好的石英砂、水泥、礦物外加劑、高效減水劑、微鋼纖維，其成型過程中可采取預壓、加熱等養護成型工藝。筆者進行了活性粉末混凝土(RPC130)的配制試驗，得出RPC130配合比，并通過多次試驗比較分析了水膠比、砂膠比、減水劑摻量、硅灰占膠凝材料比等參數對RPC的流動度以及抗折、抗壓強度的影響。

2 RPC130的配制原理

2.1 原材料的選用

RPC與混凝土不同的主要原因之一就是選用的原材料。RPC選用鍍銅鋼纖維作為混凝土的骨架結構，而不是普通混凝土所用的石子，細骨料選用多粒徑的石英砂，粒徑分別為1.0 ～0.63、0.63 ～0.315、0.315～0.16、0.16 mm 以下［1］，外加劑采用高性能聚羧酸且要求減水率大于29%。這樣做的主要原因是:普通混凝土采用石子的母巖抗壓強度與石子本身的彈性模量無法滿足RPC130混凝土的需求，且會在混凝土中造成粘結時的間隙，當應力、溫度發生變化時，骨料和膠材凝結產生強度的水泥石的變形不一致，致使接口處形成細微的裂縫;另外，在普通混凝土硬化前，水泥漿體中的水分向親水的集料表面遷移，在集料的表面形成一層水膜，從而在硬化的混凝上中留下細小的縫隙;此外，漿體泌水也會在集料下表面形成水囊。因此，混凝土在承受荷載作用以前界面處就充滿了微裂縫;受到荷載作用以后，也易出現微裂縫。RPC骨架采用直徑0.18～0.23 mm、長度為12～14 mm的鋼纖維，這樣在很大程度上增加了混凝土的抗剪性能，且細骨料采用SiO2含量 ＞97%的石英砂，不僅細骨料的堅固性很高，且在與水泥漿結合時，形成被水泥漿包裹的砂漿，石英砂會隨著水泥漿的移動而移動，不會產生裂縫。研究表明，微裂縫寬度與被水泥漿包裹的顆粒直徑成正比;在R PC中，骨料的直徑減小了50倍，可以極大地減小由力學(外荷載)、化學(自收加熱養護，由于砂漿與骨料的膨脹率不同)引起的微裂縫的寬度［2］。

2.2 采用最大密實理論模型選擇材料直徑

RPC采用減水率高達29%以上的減水劑，且水膠比小于0.20，這樣很大程度上就減少了用水量，但膠凝材料并不能完全水化，所以強度產生的另一個方法就是采用最大密實理論。對粉末堆積的研究表明［3］，當大小均勻的球形顆粒粉末倒入容器時，即使進行面心立方或六方密堆排列，堆積密度也較低，一般小于7 4%。通過振動可以提高堆積密度，但即使采用最仔細的振動方式，最高振實密度也只能達到62.8%。所以為提高堆積密度，RPC采用不同粒徑的石英砂作為骨料，且膠材采用的水泥、粉煤灰、礦粉、硅灰也是按照在較大的均一的顆粒之間加入較小的顆粒，這樣就可以使直徑最大的球體堆積成最密填充，剩下的空隙依次由小直徑的球體填充下去，使球體間的空隙減小，從而達到最大密實狀態。

3 RPC配合比設計

查閱資料，選擇設計密度為2 500 kg/m3，膠材總量為1 150 kg，水膠比設計為 0.14，由于水膠比為0.14，所以外加劑摻量為膠材的4%，鋼纖維摻量為體積的10% ～14% 。所用原材料如下:山西襄汾鴻達建材生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，陜西眾幫建材生產的I級粉煤灰，甘肅三遠生產SiO2含量大于85%的硅灰，鄭州禹建渡銅鋼纖維，上海法拉德減水率大于29%的減水劑，河北廣信礦產生產的SiO2大于97%石英砂。

初步確定粉煤灰摻量為膠材總量的16%，硅灰占膠材總量的18%，水泥用量為 759 kg，石英砂為1 033 kg，鋼纖維為110 kg，其中石英砂由3種級配組成，分別為粗1.0～0.63 mm、中0.63～0.315 mm、細0.315 mm以下，其比例為粗:中:細=3∶5∶2。根據此配合比進行試拌，測得坍落度為200 mm，并對其成型試件在加速養護箱中進行養護。養護時溫度最高控制為80℃，養護時間為72 h，試驗結果如下:72 h抗壓強度為152 MPa，抗折強度為21.5 MPa。根據此結果保持條件不變，進行如下試驗。

(1)改變粉煤灰與硅灰占膠材總量的比例(表1)

表1 改變粉煤灰與硅灰比例的混凝土強度

(2)保持條件不變，對膠砂比進行調整(表2)

表2 改變砂膠比的混凝土強度

(3)保持條件不變，改變鋼纖維的摻量(表3)

表3 改變鋼纖維摻量的混凝土強度

4 試驗結果討論

當條件保持不變的情況下，對粉煤灰與硅灰占膠材總量的比例進行調整。當硅灰的比例增大時，RPC的抗壓強度與抗折強度均有所增加，當粉煤灰的比例增大時，RPC的抗壓強度與抗折強度均有所減小(建議硅灰與粉煤灰占膠凝材料總量不宜超過40%)，但硅灰單價遠遠高出粉煤灰單價，所以在選取配合比的時候要綜合考慮。

當條件保持不變的情況下，在一定范圍內膠砂比增大時，RPC的抗壓強度與抗折強度均有所增加。同樣考慮經濟因素，選取配比時需要注意成本。本文選用膠砂比為1∶0.90。

當條件保持不變的情況下，在一定范圍內，鋼纖維摻量增大后RPC的抗折性能有較大的提高，強度略有增加。本文選用鋼纖維占體積的1.4%。

當鋼纖維的摻量保持不變的情況下，硅灰摻量的增加對抗折強度有較大的提高，并且鋼纖維單價遠遠高出硅灰單價，所以要綜合考慮成本，根據原材料的單價選出最佳配比。

試驗中，隨著粉煤灰所占膠材比例的增加，RPC的流動性有所提高;隨著鋼纖維摻量的增加，RPC的流動性有所降低，且會在現場實際生產應用RPC的時候易造成鋼纖維沉底的現象。

綜合上述因素，選擇如下配合比為最終結果(質量比):

水泥∶粉煤灰∶硅灰∶石英砂∶外加劑∶水∶鋼纖維=759∶207∶184∶1033∶46∶161∶110。

實際生產中，RPC的水膠比很小，這樣對減水劑的質量和拌和的計量系統要求會很高，需注意。

大西客運專線自2011年3月已有部分標段開始使用自行研究的配合比生產RPC人行道步行板，其力學性能及外觀質量完全達到一流水平。

5 結語

RPC作為一種新型的材料，由于其良好的力學性能與耐久性，將會越來越廣泛應用于各個領域。但是配制RPC所需的部分原材料具有特殊性，這在一定程度上阻礙了其發展，比如:石英砂能否用干凈的河沙代替，鋼纖維能否用纖維代替，或者摻入礦物外加劑能否取得更好的工作性能等，這些都需要進一步研究和探索。

［1］中華人民共和國鐵道部.科技基［2006］129號 客運專線活性粉末混凝土(RPC)人行道擋板、蓋板暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］吳炎海，何雁斌.活性粉末混凝土(RPC200)的配制試驗研究［J］.中國公路學報2003(4):44-99.

［3］周美玲.材料工程基礎［M］.北京:北京工業大學出版社，2001.

［4］何雁斌，吳炎海.活性粉末混凝土(RPC200)的材料選用及制作技術［J］.福建建筑，2003，42(1):70-72.

［5］畢巧巍，楊兆鵬.活性粉末混凝土的研究與應用概述［J］.山西建筑，2008(17):5-6.

［6］柯開展，蔡文堯.活性粉末混凝土(RPC)在工程結構中的應用與前景［J］.福建建材，2006(10):16-17.

［7］王俊昌，江波.活性粉末混凝土的發展現狀和機理研究［J］.山西建筑，2007，33(30):189-190.

［8］安明哲，王慶生，丁建彤.活性粉末混凝土的配置原理及應用前景［J］.建筑技術，2000(32):35-36.

［9］蔣宗全，楊 忠，郭曉安，劉士城，王文云.活性粉末混凝土配合比設計研究及生產工藝［J］.鐵道建筑，2010(6):142-143.

［10］屈文俊，鄔生吉，秦宇航.活性粉末混凝土力學性能試驗［J］.建筑科學與工程學報，2008(4):13-18.