活性粉末混凝土配合比研究綜述

陶 毅，張海鎮(zhèn)，史慶軒，陳建飛

(1．西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安710055；2．英國貝爾法斯特女王大學(xué)規(guī)劃、建筑及土木工程學(xué)院，英國 貝爾法斯特，BT9 5AG)

法國Bouygues公司Richard等人于1993年率先研制出一種高強、高韌性、高耐久性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料，即活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱 RPC)[1]．隨著活性粉末混凝土制備技術(shù)的發(fā)展，目前常用的制備活性粉末混凝土的原材料包括：水泥、硅灰、磨細石英粉、礦物細摻料、石英砂以及高效減水劑等，根據(jù)其組成、養(yǎng)護方法和成型條件的不同，活性粉末混凝土可以達到200～800 MPa的超高抗壓強度和 1 200～40 000 N/m 的斷裂能[2]．而且RPC相比普通混凝土，其內(nèi)部內(nèi)部缺陷較少，使其具有緊密的微觀結(jié)構(gòu)，從而可獲得優(yōu)異的耐久性能[3-4]．活性粉末混凝土作為一種新型的超高性能建筑材料，其研究與應(yīng)用正在成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界關(guān)注的焦點[5-6]．

混凝土配合比設(shè)計是混凝土材料科學(xué)中最基本且最重要的一個問題，直接關(guān)系到混凝土性能的優(yōu)劣．普通混凝土配合比設(shè)計方法主要是基于絕對體積法和假定密度法的半理論半經(jīng)驗設(shè)計方法．RPC作為一種特殊的超高強混凝土，擁有不同于普通混凝土的制備原料與養(yǎng)護制度，因此其配合比設(shè)計與普通混凝土配合比設(shè)計方法存在較大差別．國內(nèi)外學(xué)者在活性粉末混凝土的配合比設(shè)計理論與試驗方面進行了大量的探索，已經(jīng)較為詳盡地探究了水膠比、硅粉摻量、砂膠比、石英粉摻量、減水劑、鋼纖維摻量以及養(yǎng)護制度對活性粉末混凝土性能的影響．但對于 RPC 的配合比設(shè)計理論，至今還未形成較為系統(tǒng)和被廣泛接受的方法．正因為如此，目前關(guān)于RPC的配合比大都基于試驗進行設(shè)計．

1 RPC配合比設(shè)計理論基礎(chǔ)

RPC是一種性能優(yōu)異水泥基復(fù)合材料[1-2]．水泥基復(fù)合材料是指以水泥為基體與其它材料組合而得到的具有較優(yōu)性能的材料．國內(nèi)外學(xué)者基于不同假設(shè)已經(jīng)提出了較多的水泥基復(fù)合材料配合比設(shè)計理論基礎(chǔ)．

吳中偉等[7]提出水泥基復(fù)合材料的中心質(zhì)假說，認(rèn)為混凝土體系中包含各級中心質(zhì)以及各中心質(zhì)的過渡層．骨料是大中心質(zhì)，水泥熟料顆粒及粉體摻合料(H粒子)為次中心質(zhì)，水泥凝膠(L粒子)為次介質(zhì)，毛細孔為負(fù)中心質(zhì)．在很低的孔隙率和很高的H/L粒子比值時的配合比可以得到很高的性能．

T.C.Powers[8]提出膠空比理論來描述水泥基復(fù)合材料孔結(jié)構(gòu)與強度的關(guān)系．其認(rèn)為水灰比決定了混凝土中漿體的毛細孔率，而水泥石的強度取決于水化產(chǎn)物充滿原始充水空間的程度．

F.Larrard等[9]認(rèn)為水泥基復(fù)合材料的性能與原材料混合物顆粒體系的堆積密度有關(guān)，其獲得高性能的關(guān)鍵在于顆粒體系是否能形成較高的堆積密度，即形成最緊密堆積的顆粒體系．

唐明等[10]提出了具有分形幾何特征的水泥基粉體顆粒群密集效應(yīng)模型，根據(jù)該模型可以評價高性能混凝土粉體顆粒體系密集效應(yīng)，確定最緊密堆積規(guī)律．

通過總結(jié)以上針對水泥基復(fù)合材料配合比設(shè)計的理論基礎(chǔ)可以得出：(1) 當(dāng)水泥基復(fù)合材料中含有的微裂縫和孔隙等缺陷最少時，可以獲得原材料所決定的最大強度；(2) 水泥基復(fù)合材料中原材料相互間的緊密堆積可以有效地改善其微觀結(jié)構(gòu)，提高其性能．因此，為獲得性能優(yōu)異的活性粉末混凝土，需采取的主要技術(shù)措施包括：

作為新時代背景下的技術(shù)革新，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)為為社會各個領(lǐng)域提供了嶄新的發(fā)展契機。鐵路運輸作為我國運輸體系的重要組成部分，貨運業(yè)務(wù)的安全與效率提升一直以來都是影響社會發(fā)展的重要因素。鐵路運輸與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合過程中，摒棄了傳統(tǒng)管理方式的一些不足，實現(xiàn)了新時代背景下管理方式的優(yōu)化與創(chuàng)新。

(1) 剔除粗骨料，使用粒徑較小的石英砂，從而改善混凝土體系的勻質(zhì)性，降低原始缺陷；

(2) 摻入硅灰、石英粉等高活性材料，改善膠凝材料體系級配，提高密實度，并且促進膠凝材料的水化反應(yīng)；

(3) 優(yōu)選與活性材料相容性較好的高性能減水劑，如聚羧酸減水劑，在保證流動性的前提下，減少用水量，從而降低水膠比，減小孔隙率；

(4) 摻入短細鋼纖維，改善RPC韌性與延性；

(5) 采用熱水或高溫養(yǎng)護，加速和促進活性成分的水化反應(yīng)，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)．

2 RPC配合比設(shè)計方法

由于活性粉末混凝土與普通混凝土在材料選用、養(yǎng)護制度等方面具有很大的差別，因此普通混凝土的配合比設(shè)計方法已經(jīng)不再適用，需要針對RPC進行專門的研究．本節(jié)將目前活性粉末混凝土(RPC)等(超)高性能混凝土配合比設(shè)計方法總結(jié)如下．

2.1 試驗方法

RPC包括兩個混合體系：一是膠凝材料自身體系，包括水泥、硅灰、石英粉、粉煤灰和鋼渣粉等；二是膠凝材料與細骨料復(fù)合體系．為實現(xiàn)膠凝材料體系和膠凝材料細骨料復(fù)合體系的緊密堆積，劉娟紅[11]及其他學(xué)者[12-13]提出了基于緊密堆積理論的配合比設(shè)計方法(以下簡稱試驗方法1)．該方法的步驟如下：(1) 基于最緊密堆積理論確定膠凝材料漿體體積Vp；(2) 基于最緊密堆積理論確定骨料體積Vagg；(3) 確定用水量W與膠凝材料用量B．

法國路橋試驗中心[11]提出了基于最小需水量的配合比設(shè)計方法(以下簡稱試驗方法2)，該方法是為了實現(xiàn)膠凝材料體系的最緊密堆積．材料粉末從固體粉末狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闈{體狀態(tài)的瞬間需水量稱為最小需水量，顆粒孔隙由最小需水量確定，從而確定材料密實度．測定膠凝材料體系獲得最大堆積密度時的最小需水量，來確定復(fù)合膠凝材料之間的最佳比例．

此外，文獻[14-15]介紹了基于正交理論的設(shè)計方法(以下簡稱試驗方法3)，該方法采用兩階段設(shè)計，第一階段應(yīng)用正交設(shè)計理論確定RPC材料的最佳基體，第二階段通過實驗優(yōu)選鋼纖維摻量．第一階段設(shè)計過程：(1) 確定正交試驗設(shè)計中考慮因素；(2) 確定各因素水平；(3) 設(shè)計并進行正交試驗；(4) 確定各因素的合理水平，然后確定最佳基體．

2.2 半經(jīng)驗半理論公式方法

法國路橋試驗中心[16-17]提出了基于改進的Feret公式的高性能混凝土強度預(yù)測公式(以下簡稱法國路橋公式)

當(dāng)摻入礦渣或粉煤灰時公式為

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度；KG為集料相關(guān)的系數(shù)(與集料形狀相關(guān))；Rc為水泥28 d抗壓強度；w、c分別為單位體積混凝土用水量和水泥用量；a為單位體積混凝土中引入的空氣量；k1為火山灰性系數(shù)；k2為填充料的活性系數(shù)；SF、BFS分別為單方混凝土中硅灰和礦渣用量．澳大利亞Ken.W.Day[18]基于等效水泥用量提出了高性能混凝土配合比設(shè)計公式(以下簡稱Day公式)

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度；α為混凝土含氣量；w為單位體積混凝土用水量；c為等效水泥用量．

文獻[19]在水膠比定則的基礎(chǔ)上提出了考慮骨膠比、膠凝材料顆粒級配、鋼纖維摻量影響的改進鮑羅米公式(以下簡稱李莉公式)：

式中：fcu為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的RPC立方體抗壓強度；fce為水泥強度；c/w為活性粉末混凝土膠水比；A、B為根據(jù)水膠比變化的試驗數(shù)據(jù)回歸得到的系數(shù)；α、β、δ分別為骨膠比、膠凝材料顆粒級配、鋼纖維影響系數(shù)．

2.3 編程計算方法

通過試驗方法設(shè)計緊密堆積情況下各原材料的比值，但試驗方法工作量大，并且由于原材料的來源變化需要重復(fù)試驗，因此計算機編程計算成為一種較為適用的方法．崔鞏[20]和國愛麗[21]對試驗使用的原材料粉料進行粒度分析測試，并且按 Dinger-Funk方程得到最緊密堆積的固體顆粒粒徑分布曲線．最緊密堆積數(shù)學(xué)模型Dinger-Funk方程確定的粒徑分布為RPC固體混合物體系所應(yīng)達到的粒徑分布(以下簡稱編程方法 1)．

現(xiàn)將RPC配合比設(shè)計方法總結(jié)于表1．從中可以看出：(1) 各配合比設(shè)計方法涉及的參數(shù)或者因素都不盡相同，其中配合比設(shè)計方法基本都涉及了水膠比、水泥特性(細度、密度、強度等級等)、硅灰特性以及礦物摻合料特性，但是基本都沒有考慮鋼纖維和養(yǎng)護溫度的影響；(2) 所總結(jié)的配合比設(shè)計方法中，能夠進行強度預(yù)測的都是基于水灰比定則，通過引入影響系數(shù)來考慮其他因素的影響．其他以試驗和編程計算為基礎(chǔ)的配合比設(shè)計方法都無法直接預(yù)測強度，而需通過試驗來評價其得出的配合比方案．

表1 配合比設(shè)計方法分析Tab.1 Analysis of the mix design methods

3 RPC配合比設(shè)計的影響參數(shù)分析

3.1 水膠比

水膠比指用水量與膠凝材料的質(zhì)量比，膠凝材料一般包括水泥、硅灰以及粉煤灰等．水膠比在一定程度上決定了RPC的強度，也是影響其工作性能和耐久性的主要因素．研究表明隨著水膠比的增加，RPC的強度隨之下降，但同時由于水膠比增加，RPC的流動性隨之改善[12,19]．鄭文忠等[19]分析了水膠比對強度和流動度的影響，當(dāng)水膠比低于0.18時，流動度較差，成型困難，造成密實度下降，最終對強度和耐久性產(chǎn)生不利影響；當(dāng)水膠比大于0.22時，雖然流動度較好，但用水量增多，造成強度下降，這一結(jié)論亦符合其他學(xué)者的研究成果[5]．目前的RPC配合比中水膠比多位于0.14～0.22之間．

3.2 砂膠比

砂膠比指石英砂與膠凝材料的質(zhì)量比．砂膠比涉及RPC內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性問題，因此也是決定RPC強度的關(guān)鍵指標(biāo)．目前國內(nèi)學(xué)者針對RPC的研究，采用的砂膠比介于0.5～1.5之間．隨著砂膠比的增大，RPC流動度減小[19]，砂膠比為0.8～1.2左右時，RPC抗壓強度最高[19]．

3.3 膠凝材料級配與砂級配

原料的顆粒體系具有高的堆積密度是 RPC獲得高性能的關(guān)鍵[22]，而膠凝材料級配和砂級配決定了RPC顆粒體系的堆積密度以及RPC硬化后的孔結(jié)構(gòu)分布[8,11,22]，因此，合理的膠凝材料級配和砂級配是RPC配合比設(shè)計的關(guān)鍵．

3.4 水泥與礦物細粉摻料

膠凝材料通常包括水泥和礦物細粉摻料，礦物細粉摻料一般包括：硅粉、粉煤灰、礦渣微粉等．水泥的等級越高，RPC的抗壓強度越高，流動性越好[12]．硅粉良好的孔隙填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)能有效地改善活性粉末混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高其流動度與強度[23]．隨著硅粉摻量增加，RPC的強度有較大的增長，但當(dāng)硅灰摻量超過25%時強度增長已不明顯[23]．因此，硅灰摻量多控制在15%～25%之間．為降低造價和改善性能，也可使用其他礦物細摻料代替部分硅粉和水泥．粉煤灰(超細粉煤灰)和礦渣微粉等摻入可以提高RPC的流動度，但為保證RPC強度，礦物細摻合料摻量宜為膠凝材料質(zhì)量20%左右[24-25]．

3.5 磨細石英粉

研究表明石英粉在養(yǎng)護條件達到200～250 ℃才明顯發(fā)揮火山灰效應(yīng)[26]，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和熱水養(yǎng)護時主要發(fā)揮微集料效應(yīng)，在保證水泥和硅粉摻量的前提下，同時摻入硅粉和石英粉有利于同時提高RPC在標(biāo)準(zhǔn)、熱水和高溫養(yǎng)護條件下的抗壓強度．研究表明磨細石英粉摻量一般取水泥用量的25%～40%為宜[19,26]．

3.6 高效減水劑

由于RPC水膠比很低，為保證其具有良好的流動度和較高的密實度，一定量高效減水劑的摻入非常必要．聚羧酸減水劑具有很高的減水效果(常見減水效果在25%～35%)和良好的相容性，因此成為制備RPC的常用減水劑，其用量通常可取膠凝材料摻量的2%～3%[11,27]．此外，若采用早強型聚羧酸減水劑能進一步促進RPC強度提高[28]．

3.7 鋼纖維

鋼纖維通過閉合裂紋與稍栓拉結(jié)作用，增大RPC的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角，提高抗剪強度，并使得RPC由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞[29,11]．但研究表明鋼纖維摻量的增加對活性粉末混凝土的抗拉與抗剪強度提高較大，而對其抗壓強度的提高并不顯著[30]．鋼纖維含量過高時，RPC強度提高效率降低，流動度變差，造成施工不便．因此，綜合考慮成本因素，鋼纖維體積摻量宜為 1.5%～3%．此外，鋼纖維的長徑比與端部構(gòu)造形式也對RPC強度有較大影響，長徑比多控制在為65上下，采用端勾型鋼纖維能進一步增強RPC的強度[31]．

3.8 養(yǎng)護條件

現(xiàn)階段活性粉末混凝土養(yǎng)護方法與制度主要有[32-34]：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、熱水養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護、高溫干熱養(yǎng)護，及組合養(yǎng)護制度．前期學(xué)者的研究已經(jīng)表明：活性粉末混凝土需要以高溫來促進和加速活性膠凝材料的水化反應(yīng)，分析實際養(yǎng)護制度對RPC強度的影響可以發(fā)現(xiàn)：(1) 對強度而言，高溫干熱養(yǎng)護＞蒸汽養(yǎng)護＞熱水養(yǎng)護＞標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護；(2) 對早期強度而言：相對于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護而言，溫度較高的干熱、蒸汽、熱水養(yǎng)護制度能有效提高活性粉末混凝土的早期強度，最終強度也有較大提高；(3) 高溫養(yǎng)護完成后，后期活性粉末混凝土的后期強度增長較為緩慢；(4) 對熱養(yǎng)護時間，90 ℃左右熱水養(yǎng)護或蒸汽養(yǎng)護的最佳養(yǎng)護時間為3 d左右，熱養(yǎng)護時間進一步增加對強度影響不大[32-34]．

4 活性粉末混凝土配合比設(shè)計方法評價

為評價RPC配合比的設(shè)計方法，本文僅列舉典型的試驗配合比方案，選取了文獻[13,27,35,36]中的試驗與配合比方案，使用法國路橋公式[15-16]、Day公式[18]、李莉公式[19-20]進行強度預(yù)測，并將預(yù)測強度與試驗結(jié)果進行對比．針對抗壓試件的尺寸效應(yīng)，研究表明[5,37]，由于RPC中無粗骨料，建議取邊長100 mm和邊長70.7 mm的立方體抗壓強度之比為0.959，取RPC棱柱體軸心抗壓強度與邊長 70.7 mm的立方體抗壓強度之比為0.845．本文采用此參數(shù)將抗壓強度統(tǒng)一處理，其結(jié)果如表2所示．

圖1～3為三種不同強度預(yù)測值與實際強度值之間的關(guān)系．可以看出，李莉公式的預(yù)測結(jié)果偏于保守，這是由于其理論中骨膠比影響系數(shù)來自統(tǒng)計分析，當(dāng)骨膠比小于0.778時，將導(dǎo)致其公式中α值過大，預(yù)測結(jié)果會出現(xiàn)較大偏差；Day公式所預(yù)測的抗壓強度精度較差，這是由于公式(3)中采用了絕對用水量及膠凝材料絕對用量，和水膠比未直接相關(guān)，一定配合比條件下，會導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值，這說明其配合比理論對于活性粉末混凝土而言適用性較差．基于法國路橋公式的預(yù)測效果較好，但由于沒有其未涉及鋼纖維與養(yǎng)護溫度的影響，預(yù)測結(jié)果亦偏于保守．

表2 RPC實測強度與預(yù)測結(jié)果#Tab. 2 Results of the RPC actual and predicted strength from different design methods #

圖1 李莉公式強度預(yù)測值Fig. 1 Comparison between RPC actual and predicted strength fromLili's model

圖2 Ken.W.Day公式的強度預(yù)測值Fig. 2 Comparison between RPC actual and predicted strength from Day's model

圖3 法國路橋公式強度預(yù)測值Fig.3 Comparison between RPC actual and predicted strength from LCPC model

對本文總結(jié)的目前現(xiàn)有 RPC的強度預(yù)測公式分析可知：(1) 除了李莉公式之外，其余方法都未考慮鋼纖維摻量的影響，其對鋼纖維影響的考慮基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并未建立明確的物理力學(xué)意義．(2) 目前所有方法都未考慮活性粉末混凝土養(yǎng)護溫度對于強度的貢獻．(3) 由最緊密堆積理論可知，膠凝材料的級配和砂的級配是否合理，也將對活性粉末混凝土強度產(chǎn)生較大的影響，本文總結(jié)的預(yù)測方法中尚未考慮膠凝材料的級配和砂級配的影響．(4) 硅灰或其他細礦物摻合料的摻入將產(chǎn)生明顯的火山灰效應(yīng)，對于其活性的考慮不可或缺，但是由于其材料來源和材料性質(zhì)的不確定性，如何考慮其活性的影響尚待研究．

6 結(jié)論

國內(nèi)外學(xué)者針對活性粉末混凝土配合比設(shè)計理論與方法已經(jīng)進行了較為廣泛的研究，本文通過對現(xiàn)有RPC配合比設(shè)計理論的分析，總結(jié)了現(xiàn)階段 RPC配合比設(shè)計理論及相關(guān)設(shè)計方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，主要為以下幾個方面：

(1) 現(xiàn)階段活性粉末混凝土配合比設(shè)計主要基于試驗方法、半經(jīng)驗半理論公式方法、編程計算方法．其中試驗方法和編程計算方法無法直接進行強度預(yù)測，配合比設(shè)計具有較大不確定性．通過對典型半經(jīng)驗半理論公式方法進行評價分析發(fā)現(xiàn)法國路橋公式的準(zhǔn)確度較高，可作為簡易的強度預(yù)測公式使用．

(2) 鋼纖維和養(yǎng)護溫度參數(shù)影響應(yīng)該在配合比設(shè)計時加以考慮，例如在配合比設(shè)計時提出基于性能和經(jīng)驗的影響系數(shù)．

(3) 活性粉末混凝土配合比設(shè)計可將原材料的級配設(shè)計和強度預(yù)測公式相結(jié)合，從而推動活性粉末混凝土配合比設(shè)計的實用化．

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