活性粉末混凝土(RPC)配制試驗研究

郭 敏，李海艷，劉 剛，李小兵

(1. 成都市成華區政府投資項目評審管理中心, 四川成都640051; 2. 石家莊鐵道大學工程力學系,河北石家莊050043)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，縮寫為RPC)是繼高強、高性能混凝土之后出現的一種新型超高強度、高韌性、高耐久性、體積穩定性良好的混凝土，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、磨細石英粉)、石英砂等[1]。為了提高RPC的延性和抗拉強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纖維[2]。福州大學吳炎海等人，進行了活性粉末混凝土(RPC200)的配制試驗，比較了水膠比、砂膠比、減水劑摻量、硅灰/石英粉等參數對RPC的流動度以及抗折、抗壓強度的影響[3]；湖南大學的何峰、黃政宇等人研究了原材料品種、性質及配合比對RPC強度的影響[4]；同濟大學的龍廣成等人研究了養護溫度和齡期對水泥、粉煤灰以及硅灰等粉末材料為主要原料的RPC強度的影響，以確定最佳養護條件[5]。

本文通過18組配比試驗，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、齡期及尺寸效應對RPC性能的影響。得到了不同纖維種類與摻量、齡期及尺寸效應對RPC性能的影響規律，獲得了強度和流動度都比較好的活性粉末混凝土。

1 原材料與配合比

1.1 試驗原材料

水泥：黑龍江賓州水泥有限公司生產的“虎鼎牌”P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥；

硅灰：遵義天冠微硅粉回收有限公司生產的硅灰，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超短高強鋼纖維，平直型，長度為13 mm，等效直徑0.22 mm，長徑比為59.1;

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

1.2 試驗配合比

在課題組前期試配的基礎上[6]，通過變換水膠比、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 試驗配合比

續表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，其余每個編號均成型2組70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，每3個試件為一組。

2 試件制作與養護

2.1 試件設計

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個試塊為一組。邊長70.7 mm立方體的試件澆筑28組84個試塊，邊長100 mm立方體的試件澆筑8組24個試塊。分別用來研究水膠比、減水劑摻量、纖維種類和摻量以及尺寸效應對RPC流動度和強度的影響。

2.2 試件制備

RPC的制備工藝在設備上無特殊要求，但投料順序、攪拌時間及養護制度需按一定要求進行。實驗采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機進行攪拌，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，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)出料并測定流動度；

(4) 將混凝土拌合物一次裝入試模，在混凝土振動臺上經高頻振動成型，標準環境下靜置24 h后拆模。

2.3 養護制度

由國內外文獻可知，養護條件對RPC強度有重要影響[7]。本試驗采用的養護制度為：試件成型后先標準養護24 h脫模；而后放入溫度為90℃的混凝土加速養護箱內養護3 d；再在標準養護室分別養護至7 d和 28 d后進行抗壓強度試驗。

2.4 試驗方法

根據《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419-2005)要求，采用跳桌法進行RPC流動度的測定；抗壓強度按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ 70-90)的要求，在YA-2000型電液式壓力機上進行。

3 試驗結果及分析

3.1 水膠比對RPC強度和流動度的影響

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的發揮，并最終影響RPC的性能[3]。所以，水膠比對RPC有重要影響。從圖1中可以看出，隨著水膠比的增大，RPC流動度增大，水膠比為0.22時，拌合物振搗時可以達到自流平；立方體抗壓強度則隨著水膠比的增大逐漸減小，水膠比為0.18時強度值最大，但此時流動度僅為16 mm。綜合考慮流動度和抗壓強度，本試驗最佳水膠比取為0.2。

圖1 水膠比對RPC流動度和強度的影響

3.2 減水劑摻量對RPC強度和流動度的影響

高效減水劑是配制高強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RPC流動度和強度的影響。從圖中可以看出，隨著減水劑摻量的增加，RPC流動度不斷增大，強度略有降低，減水劑與膠凝材料的比值為4 %和3.5 %的強度相比，二者基本相同，但減水劑摻量為4 %時對應的流動度較好，為21mm。所以，本試驗減水劑最佳摻量取為4 %。

圖2 減水劑摻量對RPC流動度和強度的影響

3.3 鋼纖維摻量對RPC強度和流動度的影響

鋼纖維的摻入能夠阻礙混凝土內部微裂紋的擴展，顯著提高RPC的強度、韌性和延性。從圖3中可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強度逐漸增大，但鋼纖維摻量越大，RPC流動度越小。綜合考慮流動性、抗壓強度和經濟性，本試驗鋼纖維最佳摻量取為2 %。

圖3 鋼纖維摻量對RPC流動度和強度的影響

3.4 PP纖維摻量對RPC強度和流動度的影響

由于聚丙烯纖維熔點低，國內外一些學者通過摻入PP纖維來提高RPC的抗高溫性能，因為RPC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的抗壓強度。如圖4所示，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，RPC流動度和立方體抗壓強度均不斷減小。從圖中還可看出，摻PP纖維的RPC隨著齡期的增長，強度有倒縮現象，原因可能是隨著齡期的增加，水泥水化反應更加充分，RPC彈性模量增大，與PP纖維彈性模量的差距進一步增大，強度反而降低。綜合考慮流動度和抗壓強度，本試驗最佳PP纖維摻量取為0.1 %。

圖4 聚丙烯纖維摻量對RPC流動度和強度的影響

圖5 混雜纖維摻量對RPC流動度和強度的影響

3.5 混雜纖維對RPC強度和流動度的影響

PP纖維能提高RPC的抗高溫性能，但對強度有不利影響；鋼纖維的摻入則對RPC強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，又能提高抗壓強度。由圖5可知，鋼纖維摻量2 %、聚丙烯纖維摻量0.1 %時，強度和流動性較好，為本試驗的最佳纖維摻量。

3.6 齡期和試件尺寸對RPC強度的影響

對圖1～圖5進行分析可知，28 d強度相對于7 d強度提高幅度不是很大，因為RPC養護制度采用了高溫養護，所以早期強度發展較快，后期強度增長空間 較小。表2 為邊長分別為70. 7 mm 和100 mm 的試件所對應 的立方體抗壓強度。從表中可以看出摻鋼纖維RPC 的抗壓 強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 內部缺 陷出現的幾率，試件尺寸越大，鋼纖維RPC 內部缺陷出現的 概率也越大。

表2 RPC尺寸換算系數

表3 優選配合比

4 配合比優選

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RPC強度和流動度的影響，從中選出了4組強度和流動度都較好的配合比(表3)，其中摻鋼纖維的RPC試件強度高達161.28 MPa。

5 結論

(1) 采用地方常見材料配制出了抗壓強度高達160 MPa的RPC，同等養護條件下比素RPC的強度提高了將近48.8 %。

(2) 通過試驗發現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值分別為0.2、4 %、2 %和0.1 %。相比其他因素，水膠比對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的強度和韌性。

(3) 采用高溫養護的RPC，受齡期的影響較小，RPC早期強度發展較快，后期強度增長空間較小。摻聚丙烯纖維的PRC后期強度有倒縮現象，摻鋼纖維的RPC尺寸效應大于素RPC和單摻聚丙烯纖維的RPC。

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