摻偏高嶺土RPC力學及干縮性能試驗研究

閆廣

（中南林業科技大學土木工程學院，湖南長沙 410004）

0 引言

為了減少RPC中水泥的用量，通常在RPC中摻入不同種類的礦物摻合料取代部分水泥，可以一定程度上提高RPC的強度，優化其工作性能。硅灰作為RPC最常用的礦物摻合料，在高強混凝土中的應用已經相當成熟。然而硅灰的成本高、產量低，無法滿足實際工程需求。因此，尋找一種可替代硅灰或更優的礦物摻合料成為形勢所需。

偏高嶺土（Metakaolin，簡稱MK）的化學組分與硅灰相似，具備量大、成本低和便于運輸的優點，且現有研究成果表明，在混凝土中摻入適量的MK可以顯著提升混凝土的強度，并能一定程度上改善混凝土的收縮。陳益蘭等[1]通過試驗測試出偏高嶺土所制備的高性能混凝土和硅灰所制備的有同等的力學性能。鄭居煥等[2]采用偏高嶺土作為活性摻合料制備了RPC，并研究了偏高嶺土對RPC抗壓強度的影響，發現偏高嶺土能夠顯著提高RPC的抗壓強度。

目前，研究者雖然已經對偏高嶺土開展了大量研究，但研究大多著重于偏高嶺土對水泥膠砂及普通混凝土的影響，有關偏高嶺土在RPC中的應用還相對較少，對偏高嶺土在活性粉末混凝土中的最優摻量沒有統一的規范。本文采用偏高嶺土/硅灰5個不同復配比例制備RPC，對比研究兩者對RPC抗壓強度、抗折強度、抗拉強度及干縮性能的影響規律。

1 試驗

1.1 原材料及配合比

本試驗采用的水泥為42.5級硅酸鹽水泥，來自湖南長沙坪塘水泥廠。粉煤灰采用Ι級粉煤灰。硅灰和偏高嶺土均為1250目的高活性摻合料；細骨料為“長沙大型河砂基地”生產的中砂；減水劑選用聚羧酸固體減水劑。拌合水來自長沙市普通自來水。水泥、粉煤灰、硅灰和偏高嶺土材料的主要化學成分如表1所示。鋼纖維的參數如表2所示。

表1 水泥、粉煤灰、硅灰以及偏高嶺土的主要化學成分 單位：（wt·%）

表2 鋼纖維的基本參數

為了研究偏高嶺土與硅灰在不同摻量下對RPC力學及干縮性能的影響規律，本試驗設計了5個不同的配合比，考慮到鋼纖維摻量超過2%時易在攪拌過程中結團，導致拌合物難以成型，將鋼纖維體積摻量固定為2%。參考課題組前期試驗成果，設定水膠比0.18，砂膠比1.15，MK和SF總量為10%，具體配合比見表3。

表3 RPC配合比

1.2 試件制備

按照配合比稱取水泥、粉煤灰、偏高嶺土、硅灰以及河砂倒入攪拌機中，先干拌2min。將2/3的水加入攪拌機中攪拌3min，隨后把固體減水劑與剩余1/3的水混合均勻后倒入攪拌機中并緩慢加入鋼纖維，攪拌10min后成型。接著把成型后的漿體裝入試模中，一邊裝入一邊插搗，盡量使漿體充分加入模具中。隨后，帶有漿體的模具在振動臺上振動2min。待完成后，放置在室溫下養護24h后拆模，并將試件表明未干的水分擦干。隨后將試塊放入蒸養箱中蒸汽養護1d，溫度設為（110±5）℃。

1.3 試驗設計

抗壓和抗折試驗均采用采用TYE-2000E型壓力試驗機，RPC試件規格為邊長均為100mm的立方體和高為400mm的棱柱體，加載速率分別設置為1.2MPa/s和0.08MPa/s。抗拉試件采用不帶缺口狗骨狀單軸拉伸試件，具體尺寸及試驗裝置如圖1所示，加載方式設置為位移控制，速率為1.0mm/min。干縮試件使用堿骨料比長儀和千分表測定RPC的長度變化。

圖1 “狗骨”狀拉伸試件尺寸及試驗裝置

2 結果與討論

2.1 抗壓試驗結果

不同SF和MK復摻比例的RPC抗壓強度如圖2所示，RPC的7d抗壓強度均達到了95MPa以上，在早期就表現出優異的抗壓性能，這主要得益于熱養護能充分激發偏高嶺土與硅灰的火山灰活性。純硅灰試組7d抗壓強度甚至高于120MPa，28d抗壓強度達到135.4MPa，均為所有試組中的最高。在有偏高嶺土摻入的試組中，隨著偏高嶺土對硅灰的取代率逐漸增高，RPC抗 壓 強 度 先 增 大 后 減 小，A2、A3、A4試 組 的RPC28d強度分別為122.3MPa、132.5MPa、124.3MPa。當硅灰與偏高嶺土復摻比例為1:1時RPC7d和28d抗壓強度均達到最大值，與純硅灰試組相差甚微，而純偏高嶺土RPC28d抗壓強度僅有109.1MPa。

圖2 不同SF和MK復摻比例的RPC抗壓強度

2.2 抗折試驗結果

不同SF和MK復摻比例的RPC抗折強度如圖3所示。與抗壓強度規律相似，在有偏高嶺土的試組中RPC抗折強度先增加后減小，A2、A3、A4、A5試組的RPC28d抗 折 強 度 分 別20.6MPa、30.9MPa、27.7MPa、23.2MPa。偏高嶺土與硅灰復摻比例為1:1時7d和28d抗折強度為復摻試組中最高值，強度接近純硅灰試組。當偏高嶺土對硅灰的取代率超過50%，其抗折強度有一定程度的下降。試驗中A4、A5試組的RPC在裝模時均表現出流動性變差，振動時相比其他試組溢出的氣泡較少。這可能是因為偏高嶺土具有其特殊的片狀結構，與水接觸時會呈現一定的層疊和團聚現象，顆粒間會包裹一部分自由水[3]。當其達到一定的摻量時，導致RPC工作性下降，從而影響RPC成型時的密實度。

圖3 不同SF和MK復摻比例的RPC抗折強度

2.3 抗拉試驗結果

不同SF和MK復摻比例的RPC抗拉強度如圖4所示。從圖4可知，RPC28d抗拉強度在均達到了10MPa以上，表現出極其優異的抗拉性能。這是由于本試驗所有試組中均加入了2%的鍍銅鋼纖維，其存在會約束RPC內部的裂縫的擴展，達到阻裂、增強的作用。此外，偏高嶺土、硅灰和粉煤灰均可有效發揮其活性，生成更加致密的微觀結構，增強鋼纖維與基體之間的粘結強度。混摻試組中，偏高嶺土摻量與硅灰為3:1時抗拉強度最高，7d和28d強度分別達到了8.3MPa和12.5MPa，28d強度略高于純硅灰試組。由于不同RPC試件制作時尺寸有一定的誤差，試件安裝時夾具和試件之前存在縫隙，受力面易出現應力集中，導致部分RPC試件在受拉過程中斷裂處未穩定在有效測距段，從而產生較大的誤差。

圖4 不同SF和MK復摻比例的RPC抗拉強度

2.4 干縮性能試驗結果

各個齡期的RPC干縮率變化如圖5所示。在28d齡期前，RPC的干燥收縮值隨著齡期的增長逐漸增大，且增長趨勢逐漸減緩，干縮發展主要集中在前期。而在28d齡期后，部分試組RPC存在長度輕微回脹現象，這可能是因為本試驗摻入了高彈性模量的鍍銅鋼纖維，在混凝土材料收縮過程中鋼纖維內部會產生殘余應力，混凝土材料發展到后期趨于穩定時，應力釋放導致出現回脹現象[4]。隨著偏高嶺土對硅灰的取代率增加，RPC干縮率逐漸減小，當偏高嶺土占比在50%及以上時對RPC的收縮抑制較為明顯，偏高嶺土取代率為50%、75%和100%時90d干縮率分別為6.67×10-4、6.04×10-4、5.62×10-4，相比純硅灰試組分別降低了19.7%、27.3%、32.4%。說明與硅灰相比，偏高嶺土更能有效抑制RPC的干燥收縮。可能是因為偏高嶺土能更有效地優化RPC的孔隙結構[5]，而且偏高嶺土中大量的Al2O3與水化產物反應促進了鈣礬石的產生，對混凝土收縮有一定抑制作用。

圖5 各個齡期的RPC干縮率

3 結語

（1）在有偏高嶺土摻入的試組中，偏高嶺土與硅灰摻量比例為1:1時RPC的7d、28d抗壓和抗折性能達到最佳，其中28d抗壓和抗折強度分別高達到135.4MPa和30.9MPa；偏高嶺土與硅灰摻量比例為3:1時RPC抗拉強度最佳，7d、28d抗拉強度分別高達8.3MPa和12.5MPa。

（2）偏高嶺土能有效降低RPC的干縮率，隨著偏高嶺土對硅灰的取代率增加，RPC干縮率呈下降趨勢，完全取代時RPC干縮率僅為5.6×10-4，相比純硅灰試組降低了32.4%。