活性粉末混凝土(RPC)配制試驗(yàn)研究

郭 敏，李海艷，劉 剛，李小兵

(1. 成都市成華區(qū)政府投資項(xiàng)目評(píng)審管理中心, 四川成都640051; 2. 石家莊鐵道大學(xué)工程力學(xué)系,河北石家莊050043)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，縮寫(xiě)為RPC)是繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后出現(xiàn)的一種新型超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的混凝土，其基本組成材料有水泥、減水劑、微粉末材料(硅灰、粉煤灰、礦渣粉、磨細(xì)石英粉)、石英砂等[1]。為了提高RPC的延性和抗拉強(qiáng)度可以摻入微鋼纖維，為了提高其抗火性能可以摻入聚丙烯等有機(jī)纖維[2]。福州大學(xué)吳炎海等人，進(jìn)行了活性粉末混凝土(RPC200)的配制試驗(yàn)，比較了水膠比、砂膠比、減水劑摻量、硅灰/石英粉等參數(shù)對(duì)RPC的流動(dòng)度以及抗折、抗壓強(qiáng)度的影響[3]；湖南大學(xué)的何峰、黃政宇等人研究了原材料品種、性質(zhì)及配合比對(duì)RPC強(qiáng)度的影響[4]；同濟(jì)大學(xué)的龍廣成等人研究了養(yǎng)護(hù)溫度和齡期對(duì)水泥、粉煤灰以及硅灰等粉末材料為主要原料的RPC強(qiáng)度的影響，以確定最佳養(yǎng)護(hù)條件[5]。

本文通過(guò)18組配比試驗(yàn)，研究了水膠比、減水劑摻量、鋼纖維摻量、聚丙烯纖維摻量、鋼纖維與聚丙烯纖維混摻、齡期及尺寸效應(yīng)對(duì)RPC性能的影響。得到了不同纖維種類與摻量、齡期及尺寸效應(yīng)對(duì)RPC性能的影響規(guī)律，獲得了強(qiáng)度和流動(dòng)度都比較好的活性粉末混凝土。

1 原材料與配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：黑龍江賓州水泥有限公司生產(chǎn)的“虎鼎牌”P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；

硅灰：遵義天冠微硅粉回收有限公司生產(chǎn)的硅灰，SiO2含量94.5 %，比表面積：20 780 m2/kg；

礦渣粉：遼源市金剛水泥有限公司生產(chǎn)的S95型礦渣粉，比表面積4 750 cm2/g；

石英砂：哈爾濱晶華水處理材料有限公司生產(chǎn)的石英砂，40～70目和70～140目各占50 %，SiO2含量在99.6 %以上；

減水劑：山東萊蕪紋河化工有限公司的FDN濃縮型高效減水劑，黃褐色粉末；

鋼纖維：鞍山昌宏鋼纖維廠的超細(xì)超短高強(qiáng)鋼纖維，平直型，長(zhǎng)度為13 mm，等效直徑0.22 mm，長(zhǎng)徑比為59.1;

聚丙烯(PP)纖維：哈爾濱路同科技發(fā)展有限公司提供的聚丙烯 (PP) 纖維，纖維長(zhǎng)度18～20 mm，平均直徑45 μm，密度0.91 g/ cm3，熔點(diǎn)165℃。

1.2 試驗(yàn)配合比

在課題組前期試配的基礎(chǔ)上[6]，通過(guò)變換水膠比、減水劑摻量、纖維種類和摻量得到如下表1所示配合比。

表1 試驗(yàn)配合比

續(xù)表1

注：① 水膠比中，膠凝材料為水泥、硅灰和礦渣三者之和；鋼纖維和聚丙烯纖維為體積摻量。② 編號(hào)A2、B1、D2和E2分別成型2組70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和2組100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，其余每個(gè)編號(hào)均成型2組70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，每3個(gè)試件為一組。

2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

2.1 試件設(shè)計(jì)

試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，每3個(gè)試塊為一組。邊長(zhǎng)70.7 mm立方體的試件澆筑28組84個(gè)試塊，邊長(zhǎng)100 mm立方體的試件澆筑8組24個(gè)試塊。分別用來(lái)研究水膠比、減水劑摻量、纖維種類和摻量以及尺寸效應(yīng)對(duì)RPC流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響。

2.2 試件制備

RPC的制備工藝在設(shè)備上無(wú)特殊要求，但投料順序、攪拌時(shí)間及養(yǎng)護(hù)制度需按一定要求進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，具體步驟為：

(1) 將稱量好的石英砂、水泥、硅灰、礦渣和減水劑依次倒入攪拌鍋內(nèi)，干拌3 min；

(2) 加入稱量好的水，攪拌4 min (慢攪1 min ，快攪2 min ，再慢攪1 min )；

(3) 均勻撒入鋼纖維和聚丙烯纖維，攪拌6 min (慢攪2 min ，快攪3 min ，再慢攪1 min)出料并測(cè)定流動(dòng)度；

(4) 將混凝土拌合物一次裝入試模，在混凝土振動(dòng)臺(tái)上經(jīng)高頻振動(dòng)成型，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置24 h后拆模。

2.3 養(yǎng)護(hù)制度

由國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可知，養(yǎng)護(hù)條件對(duì)RPC強(qiáng)度有重要影響[7]。本試驗(yàn)采用的養(yǎng)護(hù)制度為：試件成型后先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h脫模；而后放入溫度為90℃的混凝土加速養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)3 d；再在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室分別養(yǎng)護(hù)至7 d和 28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419-2005)要求，采用跳桌法進(jìn)行RPC流動(dòng)度的測(cè)定；抗壓強(qiáng)度按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》(JGJ 70-90)的要求，在YA-2000型電液式壓力機(jī)上進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水膠比對(duì)RPC強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響

由于RPC不含粗骨料，且提高了水泥用量，并添加了硅灰、礦渣等活性摻和料。因此，用水量的多少直接影響著水泥的水化程度和材料火山灰效應(yīng)的發(fā)揮，并最終影響RPC的性能[3]。所以，水膠比對(duì)RPC有重要影響。從圖1中可以看出，隨著水膠比的增大，RPC流動(dòng)度增大，水膠比為0.22時(shí)，拌合物振搗時(shí)可以達(dá)到自流平；立方體抗壓強(qiáng)度則隨著水膠比的增大逐漸減小，水膠比為0.18時(shí)強(qiáng)度值最大，但此時(shí)流動(dòng)度僅為16 mm。綜合考慮流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度，本試驗(yàn)最佳水膠比取為0.2。

圖1 水膠比對(duì)RPC流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

3.2 減水劑摻量對(duì)RPC強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響

高效減水劑是配制高強(qiáng)混凝土不可缺少的組分之一。由于RPC中粉末材料摻量大，比表面積也較大，所以，減水劑的摻量比普通混凝土大。圖2為減水劑摻量對(duì)RPC流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響。從圖中可以看出，隨著減水劑摻量的增加，RPC流動(dòng)度不斷增大，強(qiáng)度略有降低，減水劑與膠凝材料的比值為4 %和3.5 %的強(qiáng)度相比，二者基本相同，但減水劑摻量為4 %時(shí)對(duì)應(yīng)的流動(dòng)度較好，為21mm。所以，本試驗(yàn)減水劑最佳摻量取為4 %。

圖2 減水劑摻量對(duì)RPC流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

3.3 鋼纖維摻量對(duì)RPC強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響

鋼纖維的摻入能夠阻礙混凝土內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展，顯著提高RPC的強(qiáng)度、韌性和延性。從圖3中可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，但鋼纖維摻量越大，RPC流動(dòng)度越小。綜合考慮流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性，本試驗(yàn)鋼纖維最佳摻量取為2 %。

圖3 鋼纖維摻量對(duì)RPC流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

3.4 PP纖維摻量對(duì)RPC強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響

由于聚丙烯纖維熔點(diǎn)低，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者通過(guò)摻入PP纖維來(lái)提高RPC的抗高溫性能，因?yàn)镽PC熔化后的孔道相互連通，有利于水蒸氣的溢出，從而減小蒸汽壓力[8]。另一方面，PP纖維彈性模量較低，它的摻入降低了RPC的抗壓強(qiáng)度。如圖4所示，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，RPC流動(dòng)度和立方體抗壓強(qiáng)度均不斷減小。從圖中還可看出，摻PP纖維的RPC隨著齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度有倒縮現(xiàn)象，原因可能是隨著齡期的增加，水泥水化反應(yīng)更加充分，RPC彈性模量增大，與PP纖維彈性模量的差距進(jìn)一步增大，強(qiáng)度反而降低。綜合考慮流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度，本試驗(yàn)最佳PP纖維摻量取為0.1 %。

圖4 聚丙烯纖維摻量對(duì)RPC流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

圖5 混雜纖維摻量對(duì)RPC流動(dòng)度和強(qiáng)度的影響

3.5 混雜纖維對(duì)RPC強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響

PP纖維能提高RPC的抗高溫性能，但對(duì)強(qiáng)度有不利影響；鋼纖維的摻入則對(duì)RPC強(qiáng)度和韌性有極大提高。因此，若將二者混合摻入RPC中，既可以提高抗高溫性能，又能提高抗壓強(qiáng)度。由圖5可知，鋼纖維摻量2 %、聚丙烯纖維摻量0.1 %時(shí)，強(qiáng)度和流動(dòng)性較好，為本試驗(yàn)的最佳纖維摻量。

3.6 齡期和試件尺寸對(duì)RPC強(qiáng)度的影響

對(duì)圖1～圖5進(jìn)行分析可知，28 d強(qiáng)度相對(duì)于7 d強(qiáng)度提高幅度不是很大，因?yàn)镽PC養(yǎng)護(hù)制度采用了高溫養(yǎng)護(hù)，所以早期強(qiáng)度發(fā)展較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)空間 較小。表2 為邊長(zhǎng)分別為70. 7 mm 和100 mm 的試件所對(duì)應(yīng) 的立方體抗壓強(qiáng)度。從表中可以看出摻鋼纖維RPC 的抗壓 強(qiáng)度受試件尺寸的影響大于不摻纖維的素RPC 和單摻PP 纖維的RPC。原因可能是鋼纖維的摻入增加了RPC 內(nèi)部缺 陷出現(xiàn)的幾率，試件尺寸越大，鋼纖維RPC 內(nèi)部缺陷出現(xiàn)的 概率也越大。

表2 RPC尺寸換算系數(shù)

表3 優(yōu)選配合比

4 配合比優(yōu)選

分別考察了36組試件的水膠比、減水劑摻量、纖維種類和摻量以及試件尺寸對(duì)RPC強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響，從中選出了4組強(qiáng)度和流動(dòng)度都較好的配合比(表3)，其中摻鋼纖維的RPC試件強(qiáng)度高達(dá)161.28 MPa。

5 結(jié)論

(1) 采用地方常見(jiàn)材料配制出了抗壓強(qiáng)度高達(dá)160 MPa的RPC，同等養(yǎng)護(hù)條件下比素RPC的強(qiáng)度提高了將近48.8 %。

(2) 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)RPC水膠比、減水劑摻量、鋼纖維體積摻量和PP纖維體積摻量的最佳數(shù)值分別為0.2、4 %、2 %和0.1 %。相比其他因素，水膠比對(duì)RPC性能的影響較大；相比聚丙烯纖維，鋼纖維能更好地提高RPC的強(qiáng)度和韌性。

(3) 采用高溫養(yǎng)護(hù)的RPC，受齡期的影響較小，RPC早期強(qiáng)度發(fā)展較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)空間較小。摻聚丙烯纖維的PRC后期強(qiáng)度有倒縮現(xiàn)象，摻鋼纖維的RPC尺寸效應(yīng)大于素RPC和單摻聚丙烯纖維的RPC。

[1] RICHARD P, CHEYREZY M. Composition of reactive powder concretes [J]. Cement and Concrete Research,1995,25(7):1501-1511

[2] P. Pliya, A-L. Beaucour, A. Noumowé. Contribution of cocktail of polypropylene and steel fibres in improving the behaviour of high strength concrete subjected to high temperature. Construction and Building Materials,2011,25:1926-1934

[3] 吳炎海, 何雁斌. 活性粉末混凝土(RPC200)的配制試驗(yàn)研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào), 2003, 16(4): 44-49

[4] 何峰, 黃政宇. 原材料對(duì)RPC強(qiáng)度的影響初探[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2001, 28(2): 89-94

[5] 龍廣成, 謝友均, 王培銘，等. 活性粉末混凝土的性能與微細(xì)觀結(jié)構(gòu)[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2005, 33(4): 456-461

[6] 鄭文忠, 李莉. 活性粉末混凝土配制及其配合比計(jì)算方法[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2009, 36(2): 13-17

[7] Halit Yaz1c1, Mert Y. Yard1mc1, Huseyin Yigiter. Mechanical properties of reactive powder concrete containing high volumes of ground granulated blast furnace slag. Cement & Concrete Composites,2010,32(8): 639-648

[8] Zeiml M, Leithner D, Lackner R. How do polypropylene fibers improve the spalling behavior of in-situ concrete [J]. Cement and Concrete Research, 2006,36(5):929-942