活性粉末混凝土耐堿性能的試驗研究

陶仁成（廣州華隧威預制件有限公司）

活性粉末混凝土耐堿性能的試驗研究

陶仁成
（廣州華隧威預制件有限公司）

本文對活性粉末混凝土耐堿性能進行了試驗研究，通過對力學性能和微觀測試，發現隨著齡期的增長，RPC材料的強度不斷降低，聚合物改性的RPC材料的強度則是先升高后降低，但降低的幅度要小于未改性的RPC材料，聚合物可以改善RPC材料的耐堿性能。

活性粉末；混凝土；耐堿性能

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，以下簡稱RPC）是由世界最大的營造公司之一法國布伊格（Bouygues）公司以Pierre Richard為首的研究小組在1993年率先研發成功的一種超高強、高韌性、高耐久性、體積穩定性良好的水泥基復合材料［1-2］。RPC的抗壓強度高達200～800MPa，抗折強度為25～150 MPa，斷裂能可以達到40000J/m2，是普通混凝土的300倍，具有廣泛的應用前景［3-4］。

由于RPC具有優良的力學性能和耐久性能，因此經常被應用于一些極端的惡劣環境中，包括酸性環境和堿性環境，為此對RPC材料的耐酸堿性能進行研究是非常必要的。本文主要對RPC材料的耐堿性能進行了試驗研究。

1　原材料及試驗方法

1.1原材料

水泥采用華潤水泥公司廣西平南廠生產的P042.5水泥，其化學成分及物理性能見表1。硅灰選用挪威埃肯硅灰，Si02含量大于95%，比表面積介于18000～22000m2/kg（采用氮吸附法即BET法測定）。石英砂粒徑范圍為0.25～0.65mm，密度2.59g/cm3。高效減水劑為BASF公司生產的聚羧酸減水劑母液，減水率 30%以上。鋼纖維為山東三利牌鋼纖維，直徑0.2mm，長度13mm。聚合物為德國瓦克公司的7016F可再分散乳膠粉。

表1　水泥化學組成及物理性質

表2　抗侵蝕試件配合比

1.2試驗方法

1.2.1試件制作

本試驗按照表2的配合比，成型3種水泥基復合材料進行耐堿性試驗。普通水泥砂漿試件成型參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢測方法》的規定進行。RPC材料與聚合物改性RPC材料的具體成型步驟如下：先將稱量好的硅灰、水泥和石英砂干拌3min；再將稱好高效減水劑和聚合物溶入水中加入，同時均勻加入鋼纖維，攪拌3min；攪拌完畢后，裝模。本試驗采用40mm× 40mm×160mm試模，裝模時分兩層裝，裝完第一層后在水泥膠砂振動臺上振動120次后裝第二層，全部裝完后再在水泥膠砂振動臺上振動120次刮平成型。

每種配合比試件都成型足夠的試件。普通水泥砂漿（C系列）試件成型后都放入標準養護箱中進行標準養護，28天后取出一組，在表干狀態下測定抗壓、抗折強度值作為基準值，其余試件放在0.1mol/L Na0H溶液中浸泡，浸泡齡期分別為28d、60d以及90d，到齡期后在表干狀態下測得此時的抗壓、抗折強度值；RPC材料（R系列）與聚合物改性RPC材料（P系列）試件成型后，帶模放入標準養護箱中標準養護1天，拆模后，RPC材料放入養護箱中80℃蒸汽養護2天，然后各取一組在表干狀態下測得此時的抗壓、抗折強度值作為基準值，之后其余試件放在0.1mol/L Na0H溶液中浸泡，浸泡齡期分別為28d、60d以及90d，到齡期后取出在表干狀態下測定抗壓、抗折強度值。然后用式（1）計算其在不同齡期時的抗蝕系數。

式中：

k——抗蝕系數；

R浸泡——試體在腐蝕溶液中浸泡一定齡期后的抗折強度，MPa；

R基準——試體在放入腐蝕溶液前的抗折強度，MPa。

1.2.2力學性能試驗

對到達齡期的試件，取出試件表干之后進行強度測試。強度測試按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢測方法》的規定進行。

1.2.3微觀測試

采用荷蘭FEI公司的Quanta 200型環境掃描電子顯微鏡對RPC試樣的微觀結構進行分析。用于微觀測試的試樣均為在RPC強度試驗的破壞試件上制取，烘干后浸沒在無水酒精中，以終止水化反應。

2　試驗結果與討論

圖1為不同試件浸泡在0.1mol/L Na0H溶液中各齡期的抗蝕系數（抗折強度）。通過圖1，可以看出長期浸泡在0.1mol/L Na0H溶液中的普通水泥砂漿，其抗折強度隨著齡期的增加不但沒有降低，反而有了不同程度的增加。其原因是，水泥基復合材料中的Si02等活性物質在養護過程中并沒有完全發揮出其活性，在堿性環境下0H-通過孔隙滲透到基表層，因為接觸面積的不斷增大而進一步的激發了其活性，因此強度增長［5］。

而對于RPC水泥基材料，在0.1mol/L Na0H溶液浸泡下，其抗折強度隨著齡期的增加降低，其28d抗蝕系數為90.3%，60d抗蝕系數為93.9%，90d時的抗蝕系數為79.4%。而對于聚合物改性RPC，在0.1mol/L Na0H溶液浸泡下，其抗折強度隨著齡期的增加，出現先升高后降低的規律，但降低的幅度要小于RPC水泥基材料，這表明聚合物改性RPC較之RPC材料，具備更優異的抗堿性侵蝕能力。

圖1不同試件浸0.1mol/L NaOH在不同齡期時的抗蝕系數

圖2、圖3和圖4分別是普通水泥試件、RPC試件和聚合物改性RPC試件浸0.1mol/L Na0H溶液90d的SEM圖。從圖2可見，普通水泥試件浸0.1mol/L Na0H溶液90d后的水化產物主要還是團簇狀的水化硅酸鈣，只是在數量上顯得更多，但結構仍較為疏松。由圖3可見，浸0.1mol/L Na0H溶液90d的RPC試件，出現了較大的溝豁，應該是在堿溶液侵蝕下，硬化水泥漿的水化產物被溶析之后形成的。圖4顯示，浸0.1mol/L Na0H溶液90d的RPC試件，在堿的作用下，增加了水化速度，生成了大量的水化產物，使得結構更為致密，同時出現了多處從集料的界面向集料內部延伸的裂縫，是由堿硅反應產生的。

含堿溶液的侵蝕主要包括化學反應和物理析晶兩方面的作用。化學侵蝕是堿溶液與硬化水泥漿組份之間產生的化學反應，生成膠結能力弱、易為堿液溶析的產物，例如：

而結晶侵蝕則是因堿液滲入漿體孔隙，然后蒸發呈結晶析出，產生結晶壓力所引起的漲裂現象。如Na0H滲入后，再在空氣中二氧化碳作用下形成含大量結晶水的碳酸鈉Na2C03·10H20，在結晶時也會造成混凝土結構的漲裂［6］。

另外，還可以用堿硅酸反應（ASR）來解釋水泥基材料處于強堿性環境下的劣化機理。早在80年代文梓蕓就利用無定形硅膠模擬堿硅酸反應（ASR）過程，提出了著名的“最劣點”化學規律，即0H-離子腐蝕造成Si02溶解，在液相中硅酸根再縮聚成聚合態的溶膠，這些溶膠的組成隨系統原始組成不同而變化，從而產生最劣點，這些硅酸堿凝膠才是ASR膨脹破壞的主體［7］。

對于普通水泥砂漿，因為水灰比較大，形成的結構較為疏松，孔隙較多，有足夠的空間容納更多的水化產物，當發生堿硅酸反應時，不會因為材料的內應膨脹而產生微裂紋，相反，硅酸堿凝膠膨脹反而會使材料更加密實，強度更高。而對于RPC而言，由于水灰比很低，RPC的結構非常密實，無法容納因堿硅酸反應而引起的膨脹量，從而導致結構的開裂破壞。由圖1可以看出，在堿環境下聚合物改性RPC的抗折強度發展與未改性的RPC不同，開始時隨浸水時間的延長抗折強度增加，到達一個峰值后，其抗折強度就隨浸水時間的延長而有所下降。出現這種情況的原因，主要是因為聚合物在水泥基材料中的成膜作用［8］。聚合物所形成的聚合物膜是一種柔性物質，為硅酸堿凝膠膨脹提供了一定的緩沖空間，在吸收了硅酸堿凝膠膨脹的內應力的同時，還使水泥基材料的密實度得到了提高。但是，聚合物膜提供的緩沖空間畢竟是有限的，當堿硅酸反應產生的膨脹超過一定限度后，仍然會造成水泥基材料結構損傷，導致強度下降。

圖2　普通水泥試件浸0.1mol/L NaOH 90d的SEM圖

圖3　RPC試件浸0.1mol/L NaOH 90d的SEM圖

圖4　聚合物改性RPC試件浸0.1mol/L NaOH 90d的SEM圖

3　結論

RPC材料耐堿試驗研究表明，隨著齡期的增長，RPC材料的強度不斷降低，聚合物改性的RPC材料的強度則是先升高后降低，但降低的幅度要小于未改性的RPC材料。因此，摻入聚合物可以改善RPC材料的耐堿性能。●

［1］Richard P.Reactive powder concrete：a new ultra-high-strength cementitious materials［A］.The 4th InternationalSymposiumonUtilizationofHigh Strength/HighPerformanceConcrete［C］，Paris，1996. 1343-1349.

［2］Richard P，Cheyrezy M.Composition of reactive powder concrete［J］.Cement Concrete Research，1995，25（7）：1501-1511.

［3］Bonneau 0，Lachemi M，Dallaire E.Mechanical properties and durability of two industrial reactive powder concretes［J］.ACI Mater J，1997，94（4）：286-290.

［4］Dugat J，Roux N，Bernier G.Mechanical properties of reactive powder concrete［J］.Mater Structure，1996，29（4）：233-240.

［5］Taylor H F W.Cement Chemistry［M］.New York：Academic Press，1990：351-354.

［6］段瑜芳.堿激發煤矸石膠凝材料及水化機理的研究 ［D］.上海：同濟大學材料科學與工程學院，2007.

［7］文梓蕓，錢春香，等.混凝土工程與技術［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2004.

［8］鐘世云，袁華.聚合物在混凝土中的應用［M］.北京：化學工業出版社，2003.