鋼纖維對活性粉末混凝土性能的影響

陳浩宇，王杰，李俊毅，王娜，蘇忠純，張鵬

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.山海關(guān)船舶重工有限責(zé)任公司，河北 山海關(guān) 066206）

0 引言

1993年法國布伊格（Bouygues）公司的 P.Richard[1]工程師仿效高致密水泥基均勻體系DSP（Densified System Containing Homogenously Arranged Ultra-fine Particle）材料[2]研制出一種新型超高性能混凝土，稱為活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete簡稱RPC），該材料選取的是傳統(tǒng)的原材料和傳統(tǒng)的混凝土成型工藝，其原材料為石英砂、水泥、硅粉、細鋼纖維、高效減水劑等，取消了粗骨料，并且根據(jù)最大密實度理論，使各種顆粒達到最大密實化。活性粉末混凝土與常規(guī)混凝土相比，具有超高強度、高韌性、高耐久性及高溫適應(yīng)性等特點[3-5]。當(dāng)前，RPC材料已成為國際工程材料領(lǐng)域中的一個新的研究熱點。

目前，在我國活性粉末混凝土技術(shù)也在客運專線橋梁整體式人行道擋板、蓋板中得到了較好的應(yīng)用。科技基［2006］129號《客運專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的規(guī)定，同條件養(yǎng)護RPC材料性能要求見表1。

縱觀國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，RPC作為一種新型混凝土材料，盡管比常規(guī)混凝土更均質(zhì)，缺陷更少，但仍然缺少完整的活性粉末混凝土最佳配合比設(shè)計依據(jù)，基本性能的研究相對缺乏系統(tǒng)性。活性粉末混凝土的高強度還來源于條件比較苛刻的養(yǎng)護制度，如達到200 MPa，需要90℃熱水養(yǎng)護3 d，要達到800 MPa，需在400℃下干養(yǎng)護。而這種苛刻的養(yǎng)護制度不利于在工程中推廣應(yīng)用。因此，本文擬采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護制度對不同鋼纖維及摻量、不同摻合料的活性粉末混凝土性能進行研究。

表1 同條件養(yǎng)護RPC材料性能要求

1 原材料與配合比

試驗用RPC混凝土原材料選用水泥、石英砂、粉煤灰、礦渣粉、硅灰、高效減水劑、鋼纖維。

1）水泥（C）

本文采用河南省新鄉(xiāng)同力水泥廠42.5型普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)。水泥性能見表2。

2）粉煤灰（FA）

本文采用河南省平頂山姚孟電力粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的I級粉煤灰。粉煤灰性能見表3。

3）礦粉（SG）

本文采用信陽明港豫鋼冶金加工有限責(zé)任公司微粉廠生產(chǎn)的S95級礦粉，其性能見表4。

4）硅粉（SF）

本文中RPC采用安陽硅粉廠生產(chǎn)的硅粉，其特征狀態(tài)為灰白色細粉，其性能見表5。

5）細骨料（S）

本文RPC均采用河南登封某砂廠定做的石英砂，粒徑范圍為0～1.25 mm，按粗細程度分為粗砂（S1）、中砂（S2）、細砂（S3）、特細砂（S4）等。不同粗細程度石英砂的實測級配范圍見表6。表觀密度與堆積密度見表7。

表2 水泥性能

表3 粉煤灰性能

表4 礦粉性能

表5 硅粉性能

表6 不同粗細程度石英砂的實測通過率%

表7 石英砂的表觀密度及堆積密度kg·m-3

各級砂子用量按集料最大密實度模型[6]計算。設(shè)粗砂、中砂、細砂和特細砂的表觀密度分別為ρ1、ρ2、ρ3和 ρ4，堆積密度分別為 ρ1′、ρ2′、ρ3′、ρ4′，則單位體積粗砂的質(zhì)量為：

粗砂的空隙率為：

則單位體積粗砂內(nèi)的空隙體積為V1，可摻入中砂的質(zhì)量為：

中砂的空隙率為：

V1體積中砂內(nèi)的空隙體積為V2，可摻入細砂的質(zhì)量為：

細砂的空隙率為：

V2體積中砂內(nèi)的空隙體積為V3，可摻入特細砂的質(zhì)量為：

所以試驗中各配合比所需各粒級石英砂的質(zhì)量比為：

6）鋼纖維（SFR）

本文采用兩種鋼纖維。一種是國內(nèi)某鋼纖維有限公司產(chǎn)，細圓形表面鍍銅鋼纖維，直徑0.22 mm，長度12～15 mm。另一種是某鋼纖維有限公司生產(chǎn)的螺紋型碳素鋼纖維，長徑比為32.24，100根平均長度為30.327 mm。

7）水（W）

普通自來水。

8）高效減水劑（A）

采用南京某混凝土外加劑廠生產(chǎn)的新型聚羧酸系高性能減水劑，其特征狀態(tài)為淡黃色透明液體，減水率為29%，1 h無坍落度損失。

9）配合比及性能

根據(jù)集料最大密實度模型，選擇了粗、中、細三種石英砂組合，采用不同礦物摻合料，振搗成型，制備了17組配合比，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，配合比詳細情況見表8。

表8 活性粉末混凝土的配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 普通鋼纖維對活性粉末混凝土性能的影響

普通鋼纖維的摻量對活性粉末混凝土性能的影響見圖1。由圖1可見，當(dāng)鋼纖維體積摻量為0.5%時，混凝土流動度增大，摻量繼續(xù)增大時，流動度下降。混凝土抗壓強度隨鋼纖維摻量的增大而提高，初始強度增加幅度不大，28 d抗壓強度增加比較明顯，體積摻量為0.5%和2%的鋼纖維活性粉末混凝土的抗壓強度比基準(zhǔn)混凝土抗壓強度分別增加了34.5%和47.6%。由圖1還可以看出，摻加2%鋼纖維的混凝土抗壓強度比1%鋼纖維的混凝土抗壓強度提高不明顯，但是流動度降低較多。對于普通鋼纖維，綜合考慮流動度和抗壓強度，本文認(rèn)為體積摻量為1%時最佳。

圖1 普通鋼纖維對活性粉末混凝土性能的影響

2.2 鍍銅鋼纖維對活性粉末混凝土性能的影響

鍍銅鋼纖維對活性粉末混凝土性能的影響見圖2。由圖2可見，當(dāng)鍍銅鋼纖維體積摻量為0.5%時，混凝土流動度增大，摻量繼續(xù)增大時，流動度下降。混凝土抗壓強度隨鋼纖維摻量的增大而增加，強度增加幅度較大，如體積摻量為0.5%和2%的鋼纖維活性粉末混凝土28 d的抗壓強度比基準(zhǔn)混凝土抗壓強度分別增加了48.8%和66.9%。由圖2還可以看出，摻加2%鍍銅鋼纖維的混凝土強度和1%鋼纖維的混凝土強度相差不大，但是流動度降低較多。對于鍍銅鋼纖維，從流動度和抗壓強度的角度考慮，當(dāng)體積摻量為1%時制備出的活性粉末混凝土綜合性能最佳。

圖2 鍍銅鋼纖維對活性粉末混凝土性能影響

綜合圖1和圖2可知，相同摻量的鋼纖維，鍍銅鋼纖維混凝土的流動度和普通鋼纖維混凝土的流動度相差不大；但是鍍銅鋼纖維混凝土抗壓強度比普通鋼纖維抗壓強度高。因此研究摻合料對鋼纖維活性粉末混凝土抗壓強度的影響采用體積摻量為1%的鍍銅鋼纖維。

2.3 鍍銅鋼纖維對不同摻合料的活性粉末混凝土性能的影響

鍍銅鋼纖維對不同摻合料的活性粉末混凝土性能的影響見圖3。由圖3可見，鋼纖維對不同礦物摻合料的活性粉末混凝土流動度影響不大。摻加礦物摻合料的鋼纖維活性粉末混凝土的早期抗壓強度比基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土降低，但后期抗壓強度均高于基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土的抗壓強度，能滿足科技基［2006］129號《客運專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的要求。單摻硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強度比基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強度增加的幅度最大，提高了45.0%，雙摻礦粉和硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強度增加其次，提高了23.7%。綜上，對于制備鋼纖維活性粉末混凝土，單摻硅灰或復(fù)合摻加硅灰和礦粉的效果較佳。

圖3 鍍銅鋼纖維對不同摻合料的活性粉末混凝土性能的影響

2.4 最佳配合比力學(xué)性能和耐久性能試驗結(jié)果

根據(jù)圖3的結(jié)果分別得出了單摻礦物摻合料和復(fù)合摻加礦物摻合料的最佳配合比，由表9和表10可以看出，單摻硅灰、復(fù)合摻加礦粉和硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土的力學(xué)性能和耐久性能均能滿足《客運專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的規(guī)定。

表9 最佳配合比RPC力學(xué)性能試驗結(jié)果

表10 最佳配合比RPC耐久性能試驗結(jié)果

3 結(jié)語

1）隨著鋼纖維摻量的增加，活性粉末混凝土流動度下降。混凝土強度隨鋼纖維摻量增大而增加，后期強度增加幅度較大。從流動度和抗壓強度的角度考慮，當(dāng)鋼纖維體積摻量為1%時制備出的活性粉末混凝土效果最佳。

相同摻量時，鍍銅鋼纖維混凝土的流動度和普通鋼纖維混凝土的流動度相差不大，但是鍍銅鋼纖維混凝土強度比普通鋼纖維強度高。

2）摻加礦物摻合料的鋼纖維活性粉末混凝土的早期抗壓強度比基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土降低，但后期抗壓強度均高于基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土的抗壓強度，能滿足《客運專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的要求。

3）單摻硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強度比基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強度增加的幅度最大，雙摻礦粉和硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強度增加其次。制備鋼纖維活性粉末混凝土?xí)r，單摻硅灰或復(fù)合摻加硅灰和礦粉的效果較佳。單摻硅灰、復(fù)合摻加礦粉和硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土的力學(xué)性能和耐久性能均能滿足《客運專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的規(guī)定。

[1]RICHARD P.Reactive Powder Concrete，a New Ultra-highstrength Cementitious Material[C]//Proceedings of the 4th International Symposium on Utilization of High-strength/high-performance Conerete.Paris，1996：1 343-1 349.

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[5]RICHARD P，CHEYREZY M H.Reactive Powder Coneretes with High Ductility and 200-800 MPa Compressive Strength[C]//Conerete Technology：Past，Present and Future Proceedings of the V Mohan Malhotra Symposium.S Franciscro，1994：507-518.

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