不同摻合料摻量的活性粉末混凝土抗壓強度試驗

金凌志，李月霞，付 強

（桂林理工大學a.廣西礦冶與環境科學實驗中心；b.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004）

不同摻合料摻量的活性粉末混凝土抗壓強度試驗

金凌志a，李月霞b，付 強b

（桂林理工大學a.廣西礦冶與環境科學實驗中心；b.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004）

通過活性粉末混凝土試件的受壓試驗，研究不同摻合料摻量的活性粉末混凝土在標準養護28 d條件下的受壓力學性能。分析活性粉末混凝土立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、彈性模量和峰值應變的相互換算關系，擬合出活性粉末混凝土應力－應變曲線方程式。研究結果表明：摻合料含量對活性粉末混凝土抗壓強度影響較大，不同摻合料對活性粉末混凝土強度影響由大到小依次為：粉煤灰＞硅粉＞雙摻粉煤灰和石英粉＞硅微粉＞石英粉，當粉煤灰摻合料摻量為40%時，活性粉末混凝土能達到較高強度。

活性粉末混凝土；不同摻合料；強度；應力－應變曲線

0 引言

活性粉末混凝土（RPC）是根據密實堆積原理配制出來的具有超高力學性能和高耐久性能的新型水泥基復合材料［1］。與普通混凝土相比，RPC混凝土改善了材料組分的顆粒級配，由級配連續、良好的活性組分組成［2］，從而獲得高強度、高韌性和高耐久性，其中摻加的鋼纖維增加了RPC的強度和韌性，因而具有廣闊的應用前景。文獻［3－4］用不同摻合料取代RPC中的膠凝材料研究其力學性能，試驗結果表明：高爐礦渣和粉煤灰部分替代膠凝材料，可降低RPC的收縮變形，提高混凝土的抗壓強度和韌性。文獻［5－6］通過試驗與有限元模擬對比，分析鋼纖維高強混凝土板的沖切性能，研究結果表明：混凝土強度隨纖維摻量的增加而增加。文獻［7］的研究表明：當硅微粉等量取代硅灰的質量比為40%時，28 d齡期抗壓和抗折強度可以達到128.6 MPa和20.90 MPa。文獻［8］基于試驗基礎，通過嚴格的數學推導，建立了RPC200單軸受壓應力－應變的本構模型方程。文獻［9］通過線性回歸分析，得出了棱柱體與立方體抗壓強度、彈性模量與棱柱體抗壓強度關系的數學表達式。

但是RPC的工程應用還處于初級階段，對其軸心抗壓應力－應變的研究并不多，尚缺乏一套完整的規范和準則。本文通過RPC的軸心抗壓試驗，研究活性摻合量對立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度、彈性模量等力學性能的影響，建立RPC的單軸受壓應力－應變曲線方程，為實際工程應用提供理論依據。

1 試驗

1.1 材料配合比

本文采用單摻及混摻方式，研究不同摻合料對活性粉末混凝土的軸心抗壓強度、彈性模量及受壓應力－應變曲線的影響。鑒于在一定條件下，摻合料取代硅灰的質量分數超過50%條件下［3－4，10－11］，其摻合量替代硅灰質量分數的增加對RPC強度、彈性模量等力學性能的提高有限，因此，在混凝土配合比設計中只討論在標準養護28 d下不同摻合料等量（除硅微粉外）替代硅粉0%～60%活性粉末混凝土的力學性能、破壞形式以及應力－應變曲線。4批15組RPC配合比如表1所示。

1.2 試件制作及養護制度

分別進行了15組、每組3塊、邊長為100 mm的立方體試件抗壓強度試驗，以及15組、每組3塊的100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件的軸心抗壓試驗，制作過程如下：

表1 不同摻合料替代不同比例硅粉RPC配合比

（Ⅰ）按配比確定各材料用量，為防止纖維結團，先將水泥、礦粉、石英砂倒入攪拌桶內，干攪1～2 min，然后再將鋼纖維分批倒入攪拌桶內。

（Ⅱ）量取相應質量的水、減水劑，將高效減水劑和50%的水均勻混合，慢速攪拌2～3 m in。

（Ⅲ）加入剩余的水，快速攪拌2～3 min后將拌合物裝入鋼模中，裝料的同時手工壓實，盡量使試塊密實，最后放在振動臺上振搗2 min，試件自然養護24 h后拆模，并在標準養護條件下養護28 d（見圖1）。

試驗按照國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB／T50081—2002）進行，加載設備采用桂林理工大學結構實驗室YAW-2000B型電液式壓力試驗機，數據采集儀采用DH3816靜態應變測試系統。

圖1 養護中的一組試塊

2 結果分析

將試驗記錄的數據整理，得到15組試件立方體抗壓強度fcu、棱柱體抗壓強度fc、峰值應變ε0和彈性模量Ec的平均值，詳見表2。

2.1 RPC變形與破壞特征

RPC軸心受壓試件的破壞過程與普通混凝土試件一樣，經歷了彈性階段、彈塑性階段、裂縫擴展和試件壓碎等過程，不同的是由于摻加了鋼纖維，RPC試件破壞時并沒有被壓酥散落，而是仍然保持整體（見圖2）。試件達到最大荷載前，試件表面很少出現裂縫，達到最大值后，立方體試塊表面出現明顯裂縫，特別是棱角處裂縫最大，試件中部外鼓開裂；而棱柱體試件應力到達峰值后，很快出現斜裂縫并迅速發展成主斜裂縫。無論是立方體試塊還是棱柱體試塊，由于摻加了鋼纖維，在破壞過程中，伴隨清晰的“嘣嘣”聲，裂縫面的鋼纖維逐漸被拔出。

表2 力學性能試驗結果

2.2 摻合料摻量對RPC力學性能的影響

由表2可知：當摻合料摻量為0%～20%時，RPC抗壓強度隨摻合料摻量的增加而降低，摻硅微粉的RPC強度降低幅度最小，降低4.6 MPa，摻粉煤灰的RPC強度降低幅度最大，強度降低7.9 MPa；摻合料摻量為20%～40%時，摻硅微粉和摻石英粉的RPC抗壓強度隨摻量的增加而降低，而摻粉煤灰RPC和雙摻粉煤灰石英粉的RPC抗壓強度卻隨摻量的增加而提高；當摻合料摻量達到40%時，所有試塊的RPC抗壓強度都在120 MPa以上，特別是摻粉煤灰RPC試件，抗壓強度達到最高值134.4 MPa，比單摻硅粉的抗壓強度提高了3%左右；摻合料摻量為40%～60%時，RPC抗壓強度隨摻合料摻量的增加而降低，摻硅微粉試件強度降低22 MPa，摻石英粉的試件強度降低19.7 MPa，雙摻粉煤灰石英砂試件強度降低15.1 MPa，摻粉煤灰試件強度降低10.5 MPa。

圖2 RPC抗壓試件破壞形態

圖3為摻合料摻量對RPC抗壓強度的影響，從圖3可以直觀地看出4種不同摻合料對抗壓強度影響作用由大到小為：粉煤灰＞單摻硅粉＞雙摻粉煤灰、石英粉＞硅微粉＞石英粉。從市場調查材料成本來看，成本由高到低順序為：硅粉＞硅微粉＞石英粉＞粉煤灰。因此，摻入40%以下的粉煤灰替代價格昂貴的硅粉不僅能提高RPC的強度，還將產生很好的經濟效益。粉煤灰的增強機理主要有以下兩方面的內容：（Ⅰ）形態效應和微集料效應：粉煤灰的顆粒粒徑非常小，遠小于水泥顆粒，顆粒呈球形，表面光滑。在配制低水膠比RPC混凝土時，隨著攪拌的進行，粉煤灰產生“滾珠”效應，從而提高RPC漿體的流動性。同時粉煤灰還起到填充顆粒間隙的作用，改善漿料粒徑級配，提高漿體密實度。（Ⅱ）火山灰效應：在水化初期，粉煤灰的火山灰反應很慢，主要產生物理填充作用，改善摻合料的微觀結構以推進復合膠凝材料抗壓強度的提高。水化后期粉煤灰的火山灰效應充分發揮出來，粉煤灰中的SiO2在常溫下與水泥水化產物氫氧化鈣（Ca（OH）2）發生二次水化反應，生成大量凝膠，填充在骨料間，進一步改善微觀結構，提高漿體密實度，從而提高混凝土強度。同樣的活性作用，用硅微粉和石英粉代替40%以下的硅粉，也能產生較好的經濟效益。

圖3 摻合料摻量對RPC抗壓強度的影響

2.3 RPC棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的關系

表2給出了RPC棱柱體與立方體強度的關系，由表2可看出：RPC材料的軸心抗壓強度隨立方體抗壓強度的增加而增加，棱柱體強度與立方體強度存在著fc／fcu∈（0.8～0.9）的換算關系，平均值為0.84，比文獻［13］給出C50及以下混凝土的比值（0.76）高；與C80的比值（0.82）接近［14］。本文通過15組試驗數據，擬合出RPC材料的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度計算公式（見圖4）：fc＝0.84 fcu＋1.35 MPa，其中fc、fcu分別為混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度，單位為MPa。

2.4 RPC彈性模量與立方體抗壓強度的關系

彈性模量是混凝土重要的性能指標，它反映了混凝土應力與應變之間的關系。由表2可知：混凝土的彈性模量隨強度單調增長，但兩者之間并不呈線性關系。本文通過15組彈性模量的數據，擬合出公式適應于RPC的彈性模量與立方體抗壓強度的計算公式如圖5所示。

圖4 RPC棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的關系

圖5 RPC彈性模量與立方體抗壓強度關系

2.5 RPC峰值應變與RPC棱柱體抗壓強度的關系

試驗試件實測的峰值應變ε0見表2。RPC峰值應變與棱柱體抗壓強度關系見圖6。由表2和圖6可看出：RPC峰值應變隨棱柱體抗壓強度的增大而單調增大，比普通混凝土和一般高強混凝土峰值應力都大［15］；同時摻合料摻量對峰值應變的影響不明顯。本文通過對試驗數據進行回歸分析和數據擬合，得到RPC峰值應變與棱柱體抗壓強度的關系式ε0＝（23.10 MPa－1fc＋1 030）×10－6。在相同配比和養護制度條件下，與文獻［16］給出的摻鋼纖維RPC峰值應變與棱柱體抗壓強度關系式類似。

3 RPC應力－應變曲線方程

圖6 RPC峰值應變與棱柱體抗壓強度關系

混凝土應力－應變曲線是混凝土力學性能的一個重要指標，是構件應力分析、建立強度和變形計算理論必不可少的依據。與普通混凝土破壞變形一樣，經歷了骨料與水泥晶體的彈性變形、彈塑性變形、裂縫快速發展不穩定和壓酥脆性破壞等階段。混凝土的破壞機理和裂縫的發展變化過程都可用應力－應變曲線來解釋，主要是由于混凝土內微裂縫的擴展所致。目前，國內外針對混凝土單軸受壓應力－應變全曲線已有大量研究，盡管各學者提出的數學函數類型和表達式各不相同，但全曲線具有的形狀及特征均得到研究人員的一致公認。

圖7 RPC實測應力－應變全曲線

3.1 RPC破壞特征與應力－應變曲線特征

RPC棱柱體受壓的應力－應變全曲線見圖7，以B2組配比試驗值說明應力－應變全曲線特征。由圖7可看出：RPC棱柱體受壓的應力－應變全曲線與普通混凝土典型應力－應變全曲線基本一致，曲線上有6個特征點：A、B、C、D、E、F表示混凝土在受壓狀態下的不同階段。

（Ⅰ）從開始加載至比例極限A點（σ＝0.6 fc～0.8 fc），應力－應變關系接近直線，混凝土的變形主要是骨料與水泥顆粒的彈性變形，裂縫主要表現為混凝土內的黏結裂縫，但裂縫處于穩定狀態，這個階段的應力比普通混凝土增大了近1倍，說明RPC的開裂荷載提高了1倍，具有非常優異的抗裂性能。

（Ⅱ）A-B（σ＝0.8 fc～0.9 fc）為彈塑性階段，B點稱為臨界點。隨著荷載的增大，裂縫的數量和寬度急劇增加，裂縫演變為通縫，但裂縫仍處于穩定擴展階段。

（Ⅲ）超過B點，混凝土進入裂縫快速發展的不穩定狀態直至峰值點C，混凝土內裂縫形成與水平方向45°的破壞面，荷載將由混凝土分割的小柱體承擔。

（Ⅳ）超過峰值點C后，可見裂縫迅速發展，多條裂縫沿著試件成型面對角線貫通，混凝土損傷嚴重，應力急劇下降，而應變變化無幾，曲線到達拐點D。

（Ⅴ）曲線下降到D點以后，應力－應變曲線凸向x軸發展，在此階段出現曲率最大點E稱為收斂點。裂縫寬度進一步擴大，鋼纖維隨著應變的增加沿裂縫面逐漸脫黏拔出，試件發出急促的鋼纖維被拔出的聲音，伴有爆裂聲，同時碎塊向四周飛濺。

（Ⅵ）應力超過曲線E點后，試件進入殘余強度階段。在該階段，殘余強度主要由開裂后的試件殘體承擔。此時，有大量被剪碎的RPC碎屑從裂縫中掉落，曲線到達F點，試件加載結束。

3.2 RPC應力－應變曲線方程

針對普通混凝土受壓應力－應變曲線方程，大量專家學者提出了多種函數類型和數學表達式，如Hognestad的多項式［17］、Young的指數式、Desayi-Krishman的有理式［18］和Umemura的指數式［19］等。由于活性粉末混凝土應力－應變曲線形式與普通混凝土類似，其本構模型可基于現有的本構模型形式［20－23］進行研究。

3.2.1 上升段曲線

對于上升段曲線（0≤x≤1），采用多項式進行擬合。考慮到鋼纖維活性粉末混凝土的強度較高，彈性部分較長，故選擇次數較高的多項式，本文選擇過原點的6次多項式進行推導擬合。

（Ⅰ）當x＝0時，y＝0，滿足式（1）的要求；當x＝1時，y＝1，則有：

將曲線方程簡化為：

3.2.2 下降段曲線

試驗設備和試驗方法對應力－應變曲線下降段有很大的影響，因而離散性較大。文獻［22］針對各研究學者的本構模型，提出了更適合擬合曲線下降段的有理式方程。本文采用既滿足要求且較為簡單的有理式方程：

3.3 RPC單軸受壓應力－應變全曲線參數值的確定

據上所述，對12組不同摻合料摻量不超過60%的RPC無量綱坐標應力－應變試驗曲線進行數據擬合，圖8為擬合得到的理論曲線與試驗曲線的比較。圖8中，字母A、B、C、D分別表示4種不同活性摻合料，數字1、2、3分別代表試件在該組的編號。由圖8可看出：上升段曲線吻合良好，下降段曲線離散性較大，但在理論曲線范圍內，擬合方程有效。基于本文試驗結果，各種摻合料替代硅粉百分量的RPC受壓應力－應變曲線方程為：

4 結論

（1）與普通混凝土一樣，RPC同樣經歷彈性變形、裂縫發展的穩定階段、裂縫迅速發展不穩定和試件破壞等4個階段。但由于RPC集料顆粒級配連續良好，提高了漿體的密實度，彈性變形階段比普通混凝土長很多；再者由于摻加了鋼纖維，延遲了RPC混凝土裂縫的開展，試件破壞時，RPC試塊仍能保持呈整體，而不是像普通混凝土那樣被壓酥散架。

（2）摻合料對RPC抗壓強度的影響由大到小排列順序為：粉煤灰＞硅粉＞雙摻粉煤灰、石英粉＞硅微粉＞石英粉。當摻入40%粉煤灰替代部分價格昂貴的硅粉時，試件的抗壓強度提高幅度最大，因此，在RPC配比中加入適量的粉煤灰將產生很好的經濟效應。

圖8 理論曲線與試驗曲線對比圖

（3）在標準養護28 d條件下，棱柱體抗壓強度隨立方體抗壓強度單調增加，強度比值fc／fcu為0.8～0.9，兩者的換算關系為fc＝0.84 fcu＋1.35 MPa；將試驗數據進行擬合，得到RPC彈性模量與棱柱體立方強度的擬合方程式RPC的峰值應變明顯高于普通混凝土，將試驗數據進行擬合，得到RPC受壓峰值應變與棱柱體抗壓強度的關系曲線方程：ε0＝（23.10 MPa－1fc＋1 030）×10－6。

（4）由于鋼纖維活性粉末混凝土RPC強度較高，彈性部分較長，試件破壞后的應力－應變離散性較大。對于RPC的軸心受壓應力－應變全曲線方程式，上升段選擇通過原點的6次多項式進行推導擬合，下降段曲線方程采用文獻［24］提出的有理式方程：

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TU312.1；TU317.1

A

1672－6871（2014）05－0055－08

國家自然科學基金項目（51368013）；廣西科技攻關基金項目（桂科攻0995004）；廣西重點實驗基金項目（11－cx－04）

金凌志（1959－），女，廣西桂林人，教授，碩士生導師，研究方向為結構工程.

2014－02－22