用于TRC基材的RPC-SCC試驗研究

耿靖瑋

（鐵正檢測科技有限公司 山東濟(jì)南 250200）

1 引言

纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土TRC（Textile Reinforced Concrete），是一種使用纖維編織網(wǎng)為增強(qiáng)材料，以精細(xì)混凝土為基體的纖維混凝土材料；現(xiàn)有的研究［1］表明TRC結(jié)構(gòu)力學(xué)效能高低取決于纖維編織網(wǎng)與基體的黏結(jié)效果，而基體強(qiáng)度越高，基體與纖維編織材料的黏結(jié)效果越好，故要求用于TRC的基材需要較高的強(qiáng)度；纖維編織網(wǎng)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及TRC通常用于制備薄板構(gòu)件的特性，要求用于TRC的基體材料在施工時不經(jīng)振搗即可流過纖維網(wǎng)格填充于整個試模，故要求TRC基體應(yīng)具有自密實混凝土特性。

活性粉末混凝土 RPC（Reactive Powder Concrete）是采用緊密堆積理論進(jìn)行設(shè)計的一種超高強(qiáng)度精細(xì)混凝土，由水泥、石英粉、石英砂、硅灰、高性能減水劑、鋼纖維等拌和制備，經(jīng)蒸養(yǎng)、熱養(yǎng)等方式養(yǎng)護(hù)，具有高強(qiáng)度高韌性及優(yōu)異的耐久性［2］。自密實混凝土SCC（Self-Compacting Concrete），是一種流動性和抗離析性能協(xié)調(diào)統(tǒng)一的混凝土類型，即在保證拌和物大流動性條件下，骨料能懸浮于漿體中，拌和物整體具有較好的和易性［3－4］。

從TRC對其基體要求的自密實性能、高強(qiáng)度、精細(xì)混凝土特性出發(fā)，嘗試制備出活性粉末－自密實混凝土（RPC-SCC），從力學(xué)及耐久性能、自密實性能、基體與纖維的黏結(jié)效果方面進(jìn)行試驗，研究RPC-SCC用作TRC基體的可行性。具體試驗方案為：首先制備出RPC130活性粉末混凝土，再以自密實性能為調(diào)節(jié)指標(biāo)，通過調(diào)整水膠比及外加劑摻量，制備活性粉末－自密實混凝土（RPC-SCC）；分析RPC-SCC用作TRC精細(xì)混凝土基材的自密實流變性能；選用具有輕質(zhì)、耐腐蝕、力學(xué)性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點的碳纖維編織網(wǎng)作為纖維增強(qiáng)材料，與RPC-SCC基體結(jié)合制備TRC薄板，研究纖維束與基材的黏結(jié)性能。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

水泥，P.O42.5型普通硅酸鹽水泥，晉城山水合聚水泥有限公司；硅灰，SF90型，洛陽洪圣利微硅粉有限公司；石英粉，400 目，石英砂（0.4～0.6）mm、（0.6～1.25）mm，晉城市金聯(lián)友凈化材料有限公司；鋼纖維，KWS-C06型，陜西群彬科技發(fā)展有限公司；高性能減水劑，鐵正檢測新材料分公司，減水率＞30%；碳纖維雙向網(wǎng)格，CFN 200/200，卡本科技集團(tuán)股份有限公司，纖維單束寬度≥2 mm，網(wǎng)格尺寸20 mm×20 mm。

2.2 活性粉末混凝土養(yǎng)護(hù)方法

成型RPC試件，拌和室（溫度：（20±5）℃；濕度：＞60%）靜置1 d，拆模后置于90℃熱水蒸養(yǎng)3 d，后轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度（20±1）℃；濕度：＞95%）養(yǎng)護(hù)7 d。

2.3 混凝土力學(xué)性能試驗

依據(jù)《活性粉末混凝土》（GB/T 31387－2015），抗壓強(qiáng)度：100 mm×100 mm×100 mm，加載速率：1.2 MPa/s；抗折強(qiáng)度：100 mm ×100 mm ×400 mm，加載速率：0.08 MPa/s；彈性模量：100 mm ×100 mm ×300 mm，加載速率：1.1～1.2 MPa/s。抗壓及抗折均不需尺寸換算。

2.4 TRC薄板制備

（1）碳纖維編織網(wǎng)經(jīng)環(huán)氧樹脂膠結(jié)浸漬后，未干前灑上0.15～0.3 mm 細(xì)砂［5］，砂＋纖維編織網(wǎng)＋環(huán)氧樹脂固化凝結(jié)成一體后，用于成型TRC平板。

（2）選用鋼板試模尺寸 350 mm×50 mm×20 mm，先倒入10 mm基材后，放入裁剪好相應(yīng)尺寸的纖維網(wǎng)，再倒入上層混凝土，靜置1 d后拆模，養(yǎng)護(hù)方式為：標(biāo)養(yǎng)28 d（溫度（20±1）℃、濕度＞95%）及熱養(yǎng)（同2.2 節(jié)）。

2.5 纖維材料與基材的黏結(jié)性試驗

（1）試件制備：制作350 mm ×50 mm×20 mm TRC平板，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后利用切石機(jī)切割平板件為160 mm×50 mm×20 mm，利用切割端暴露出的碳纖維束，在平板面部畫出大約的纖維網(wǎng)埋置方位，主要標(biāo)注出中心纖維束的位置（由于平板尺寸限制，在平板中實際只有三根纖維束，見圖1）。選擇纖維束埋置長度為30 mm：距平板一端30 mm處劃線，與處于平板中心的纖維束方位線交點為A，在A點兩側(cè)各標(biāo)注出5 mm寬點BC，利用切石機(jī)在30 mm線處開始切割，兩邊分別切至B/C處，在平板中間約留有10 mm×2 mm的微量混凝土，以保證中間纖維束不受損傷（見圖2）。切割的過程，注意把BC點之外的纖維束都切斷。切口縫隙寬度2～3 mm。

圖1 TRC平板件中含三條長纖維束

圖2 平板切割僅保留中心一根纖維束

（2）特制鋼板凹槽用作平板夾具，將TRC平板用環(huán)氧樹脂粘到鋼板夾具上，夾具上帶有螺栓孔，與試驗機(jī)配套，可通過插銷將下鋼板夾具固定在試驗機(jī)平臺上，上鋼板夾具固定在試驗機(jī)運(yùn)動橫梁上。夾具間拉伸試件凈距離為100 mm，采用長春科新0～20 kN的WDW3020型微控電子萬能驗機(jī)進(jìn)行加載，速率 1.0 mm/min。

3 結(jié)果與分析

3.1 制備活性粉末混凝土（RPC）

參考已有的研究成果［6］，固定水泥∶硅灰＝1∶0.25，水泥∶石英粉＝1∶0.32，膠砂比＝1∶1.15；采用最緊密堆積理論，調(diào)配出石英砂最佳摻配比例為粗∶細(xì)＝4∶6；投料順序為石英砂、鋼纖維、水泥、摻合料，干料預(yù)攪拌5 min，再加入水及外加劑攪拌4 min以上［7］，進(jìn)行配比試拌，調(diào)整水膠比及外加劑摻量，最終確定活性粉末混凝土比例為：水泥∶硅灰∶石英粉∶粗砂∶細(xì)砂∶水∶外加劑∶鋼纖維＝1∶0.25∶0.32∶0.72∶1.08∶0.25∶0.016∶0.23；鋼纖維摻量為砼的2%（體積分?jǐn)?shù)），水膠比 0.16，外加劑摻量 1.0%。所制備RPC性能指標(biāo)如表1所示，結(jié)果符合《活性粉末混凝土》（GB/T 31387－2015）RPC130配比級別要求。

表1 RPC混凝土工作性能及力學(xué)性能、耐久性試驗結(jié)果

3.2 制備RPC-SCC

以自密實特性指標(biāo)為依據(jù)，調(diào)整RPC（無鋼纖維）體系外加劑摻量及水膠比，最終比例調(diào)整為：水泥∶硅灰∶石英粉∶粗石英砂∶細(xì)石英砂∶外加劑∶水＝1∶0.25∶0.32∶0.72∶1.08∶0.031∶0.31。水膠比0.2，外加劑摻量2.0%（占膠材）。自密實性能指標(biāo)如表2所示。

表2 RPC-SCC自密實性能試驗結(jié)果

依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行評估：所制備的RPC-SCC已具備二級自密實混凝土標(biāo)準(zhǔn)要求（CECS 203—2006），填充性能SF2級、間隙通過性能PA2級（JGJ/T 283—2012），適合絕大多數(shù)普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［8］；滿足中國鐵路總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土》（Q/CR 596—2017）對自密實混凝土拌和物性能技術(shù)要求。

3.3 RPC-SCC流變性能

依據(jù)文獻(xiàn)［9］進(jìn)行RPC-SCC的自密實流變性指標(biāo)檢測（見表3），表3為測試值及換算過程。表3數(shù)據(jù)顯示，RPC-SCC的自密實流變性能指標(biāo)均滿足建議值要求，且U型試驗填充高度換算值L＝2.13遠(yuǎn)高于建議值0.73，證明RPC-SCC透過鋼筋的填充能力較好。

表3 基體流變性指標(biāo)［9］

3.4 RPC-SCC力學(xué)及耐久性能

RPC-SCC的力學(xué)及耐久性指標(biāo)列于表4。對比同養(yǎng)護(hù)條件下的RPC試件：

表4 RPC-SCC力學(xué)及耐久性能指標(biāo)

（1）RPC-SCC由于未加鋼纖維，其抗壓強(qiáng)度下降了4.6 MPa；抗壓結(jié)束后，加入鋼纖維的試件尚能保持完整，而RPC-SCC破壞明顯，呈現(xiàn)環(huán)箍效應(yīng)的棱椎體結(jié)構(gòu)。

（2）熱養(yǎng)有助于提高RPC類型混凝土的強(qiáng)度，原因主要在于RPC的組成成分石英粉在≥90℃高溫時方具有反應(yīng)活性［10］，標(biāo)養(yǎng)條件下石英粉僅起到微骨料填充作用。RPC-SCC配比體系相比較RPC配比，按體積法計算，RPC整體為1，通過增加水膠比和外加劑摻量的方式制備的RPC-SCC，實際上已經(jīng)破壞了配比整體，而配比密實體系一旦破壞，石英石的活性效應(yīng)也不足以彌補(bǔ)整個密實結(jié)構(gòu)崩塌帶來的強(qiáng)度損失，表現(xiàn)在力值上即是熱養(yǎng)條件下的RPC-SCC試件抗壓強(qiáng)度并不比標(biāo)養(yǎng)條件有明顯優(yōu)勢。

（3）由于膠材用量較大，不可避免地造成配比的收縮問題，熱養(yǎng)條件可以減少RPC收縮，與已有的活性粉末混凝土耐久性研究結(jié)論［11］相符。

（4）考慮到RPC-SCC的熱養(yǎng)護(hù)工藝、制備所需原材料價格較高且不具有屬地性優(yōu)勢，需要對其進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，減少能源損耗且增加原材料的普適性，提高RPC-SCC的實用性。

3.5 纖維編織網(wǎng)與基材的黏結(jié)性試驗

拉拔試件制備時在纖維網(wǎng)埋置長度30 mm處進(jìn)行切割，留下了10 mm×2 mm（切口縫寬）的“頸部”混凝土，以保障中心纖維束在安裝試驗裝置時，不受損傷。所遺留的混凝土塊隨著拉力的增加，混凝土塊剝離，表現(xiàn)在拉拔曲線上，即在峰值出現(xiàn)前出現(xiàn)了小型的力值突降，如圖3所示；隨拉力增加，拉拔曲線持續(xù)上升至出現(xiàn)拉力峰值后，纖維網(wǎng)與基體脫黏，黏結(jié)峰值過后的拉力陡降，說明碳纖維材料再從基材中拔出的過程中受到了部分損傷而不能繼續(xù)承載。

圖3 熱養(yǎng)條件RPC-SCC件拉伸黏結(jié)試驗

對比圖3～圖4的拉拔曲線圖形及拉力峰值，隨基材強(qiáng)度增大纖維材料與基材的黏結(jié)力增強(qiáng)。RPC-SCC熱養(yǎng)件，抗壓強(qiáng)度90.3 MPa，對應(yīng)的黏結(jié)力為1.793 kN；RPC-SCC28d 標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度為85.7 MPa，對應(yīng)的黏結(jié)力為1.705 kN；文獻(xiàn)［12］中表4所示數(shù)值，使用OPTC3系列混凝土（52 MPa），纖維埋置長度30 mm，噴砂＜0.6 mm，拉拔試驗獲得纖維與混凝土最大黏結(jié)力為1.392 8 kN。由于原材料不同，并不能說明RPC-SCC比OPT3具有優(yōu)勢，但可以說明RPC-SCC與碳纖維的黏結(jié)效果較好，二者可以達(dá)到良好的協(xié)同效果。

纖維材料與基材黏結(jié)力＞纖維本身抗拉力，將導(dǎo)致纖維材料被拉斷，黏結(jié)力＜纖維抗拉力而使纖維材料被拉出。圖3表明基材與纖維的黏結(jié)力超過了纖維本身抗力，纖維材料被拉出前即斷裂，表現(xiàn)在曲線上即峰值過后的拉力曲線直降；圖4為纖維從基材中緩慢拉出而呈現(xiàn)的力值回彈波動現(xiàn)象，由于纖維表面噴砂，在被拉出混凝土基材時，纖維材料損傷不可避免，故而峰值過后并未經(jīng)太長時間，纖維即不能承受載荷。

圖4 標(biāo)養(yǎng)條件RPC-SCC件拉伸黏結(jié)試驗曲線

4 結(jié)論及展望

（1）制備的 RPC-SCC基體，自密實性能滿足CECS 203—2006（二級），填充性能SF2級、間隙通過性能PA2級（JGJ/T 283—2012），滿足中國鐵路總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土》（Q/CR 596—2017）標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足TRC對配比基材的自密實流變性能要求。

（2）RPC-SCC用作TRC基體，碳纖維網(wǎng)經(jīng)環(huán)氧樹脂膠凝固化噴砂（＜0.3 mm），成型TRC拉拔試件，結(jié)果表明無論RPC-SCC基體熱養(yǎng)還是標(biāo)養(yǎng)，纖維埋置深度30 mm的情況下，RPC-SCC與纖維的黏結(jié)效果良好，證明RPC-SCC與碳纖維兩者可較好發(fā)揮協(xié)同作用。

（3）RPC-SCC養(yǎng)護(hù)工藝及原材料需要優(yōu)化。骨料使用精細(xì)石英砂、摻合料使用硅灰，一方面價格較高，另一方面原材料不具備屬地性優(yōu)勢，不利于配比推廣；使用熱養(yǎng)（90℃）耗能較大，有違綠色環(huán)保理念。下一步的研究思路是，應(yīng)用普通原材，例如河砂、石灰石粉等對RPC-SCC進(jìn)行材料替換，并采用標(biāo)養(yǎng)方式，延用RPC設(shè)計理念（低水膠比、緊密堆積），制備具有高自密實性能，良好力學(xué)、耐久性能的TRC基體。