活性粉末混凝土(RPC)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

劉秀元 宋榮方 劉晉艷

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600；2.鄭州工程技術(shù)學(xué)院土木工程學(xué)院 河南鄭州 450044；3.山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院 山西太原 030006)

1 引言

1993年，法國Bouygues公司研制出一種強(qiáng)度高、韌性好、耐久性以及和體積穩(wěn)定性優(yōu)良的水泥基復(fù)合材料，即活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱 RPC)[1-2]。RPC作為一種新型的工程材料，不但具有很高的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，還具有收縮徐變小、耐久性好等特點(diǎn)，其抗?jié)B性、抗凍性和耐腐蝕性指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土[3]。RPC原材料平均顆粒尺寸在0.1 μm～1 mm之間，能夠填充混凝土內(nèi)部細(xì)小孔隙，提高拌合物的密實(shí)性。作為一種新型混凝土，RPC不僅可以獲得200～800 MPa的超高抗壓強(qiáng)度，而且具有30～60 MPa的抗折強(qiáng)度，有效克服了普通高性能混凝土的高脆性問題。

RPC組成成分沒有石子(粗骨料)，通過改變組分的細(xì)度和活性降低材料內(nèi)部的孔隙與微裂縫，從而獲得超高強(qiáng)度與耐久性[4]。鄭文忠基于56組RPC配合比試驗(yàn)結(jié)果，初步提出RPC配合比設(shè)計(jì)的建議公式[5]。劉秀元[6]等將RPC應(yīng)用于鐵路簡支梁，實(shí)際效果良好。張榮華[7]、張勁[8]等人也分別對(duì)RPC的配合比進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文結(jié)合工程應(yīng)用要求，在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，初步設(shè)定五種RPC基本配合比，通過試驗(yàn)結(jié)果不斷優(yōu)化調(diào)整配合比，最終確定出能滿足工作性和強(qiáng)度要求的RPC配合比，并研究影響RPC強(qiáng)度的各種因素。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 RPC性能要求

某高速鐵路橋梁RPC，要求強(qiáng)度等級(jí)為R120，配制強(qiáng)度132 MPa，坍落度≥160 mm，28 d電通量＜40C，抗折強(qiáng)度≥18 MPa，抗凍性≥F600，彈性模量≥46 GPa。

2.2 試驗(yàn)原材料

(1)水泥:采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，初凝時(shí)間198 min、終凝時(shí)間264 min，燒失量為2.5%，密度3.06 g/cm3，比表面積390 m2/kg，28 d抗折強(qiáng)度8.6 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度51.4 MPa。

(2)硅灰:為優(yōu)質(zhì)中質(zhì)微硅粉，顏色為暗灰色[9]，SiO2含量為 95.12%，密度 2.2 g/cm3，燒失量2.4%，比表面積19 000 m2/kg，水含量1.2%，氯離子含量 0.018%，28 d活性指數(shù) 124%，需水量104%。

(3)粉煤灰:選用600目超細(xì)粉煤灰，顏色為灰色。

(4)石英砂:采用某砂廠訂制的石英砂，粒徑范圍為0.16～1.25 mm，按粗細(xì)程度分為粗砂、中砂、細(xì)砂三種[10]。其中粒徑0.16～0.315 mm為細(xì)砂，粒徑0.315～0.63 mm為中砂，粒徑0.63～1.25 mm為粗砂。

(5)減水劑:中國建材院生產(chǎn)的聚羧基減水劑，含固量40%；西卡公司生產(chǎn)的聚羧酸鹽混凝土保塑減水劑3 301 MK和3 301 MU；上海馬貝減水劑。

(6)鋼纖維:采用特制細(xì)圓形短細(xì)鋼纖維，表面鍍銅，直徑為0.22 mm，長度12～15 mm，抗拉強(qiáng)度2 800 MPa。

The protein cross-linking mechanism evidently requires much more research both with and without a photoinitiator, and such studies could yield different results depending on the relevant amino acids.

(7)石英粉:275目石英粉，顏色為白色，略微發(fā)黃[11]，石英含量為90% ～95%，密度為2.65 g/cm3，硬度為7。

2.3 試驗(yàn)基本配合比

試驗(yàn)所選用基本配合比見表1。通過改變材料類型、摻量及水膠比，優(yōu)選出合適的配合比。

表1 試驗(yàn)基本配合比 kg/m3

3 配合比試驗(yàn)結(jié)果

3.1 第一次配合比試驗(yàn)

采用基本配合比，分別進(jìn)行和易性試驗(yàn)和試塊強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表2和表3。

表2 和易性試驗(yàn)結(jié)果(第一次)

表3 試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(第一次)

配合比A、D抗壓強(qiáng)度不滿足120 MPa的要求，考慮更換減水劑再次試驗(yàn)。配合比B立方體試塊拆模時(shí)較軟導(dǎo)致變形[12]，未進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，舍棄不用。配合比C抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均較低，舍棄不用。配合比E抗壓強(qiáng)度滿足120 MPa要求，但抗折強(qiáng)度較低，需再次試驗(yàn)。

3.2 第二次配合比試驗(yàn)

重新采用西卡公司生產(chǎn)的聚羧酸鹽混凝土保塑減水劑3 301 MK和3 301 MU，對(duì)配合比D和E進(jìn)行第二次試驗(yàn)，結(jié)果見表4和表5。

表4 和易性試驗(yàn)結(jié)果(第二次)

表5 試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(第二次)

配合比D采用減水劑3 301 MK，拆模時(shí)試塊表面起皮，且很軟[13]，舍棄。采用減水劑3 301 MU，強(qiáng)度同樣不滿足要求，舍去不用。配合比E的抗折強(qiáng)度較低，原因?yàn)殇摾w維含量較低(1.25%)，其他配比均在1.5%及以上，增加鋼纖維含量再次進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 第三次配合比試驗(yàn)

配合比A換用上海馬貝減水劑，增加配合比E中鋼纖維含量，再次進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表6和表7。

表6 和易性試驗(yàn)結(jié)果(第三次)

表7 試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(第三次)

配合比A在24 h拆模時(shí)試塊較軟，由于蒸養(yǎng)箱采用養(yǎng)護(hù)溫度為50℃，開門降溫2 h且加常溫自來水養(yǎng)護(hù)，升溫速度略快；3 d后配合比A產(chǎn)生多條裂紋，試件失效。配合比E增加鋼纖維含量后，抗壓強(qiáng)度超過120 MPa，抗折強(qiáng)度接近20 MPa。

3.4 最終配合比

4 RPC強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)結(jié)果

4.1 養(yǎng)護(hù)溫度及齡期對(duì)RPC強(qiáng)度的影響

為了研究養(yǎng)護(hù)溫度及齡期對(duì)RPC強(qiáng)度的影響，對(duì)最終配合比E在不同養(yǎng)護(hù)溫度、不同齡期下進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)[14]，結(jié)果見表8和圖1。

表8 不同養(yǎng)護(hù)溫度下強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，75℃高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到129.4 MPa；60℃時(shí)的抗壓強(qiáng)度為127.6 MPa，抗折強(qiáng)度為19.55 MPa。由此可見，蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度在60℃以上即可滿足強(qiáng)度要求。

圖1為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件((20±2)℃，相對(duì)濕度≥95%)不同齡期下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，RPC早期強(qiáng)度增加很快，24 h后抗壓強(qiáng)度可達(dá)到40 MPa以上，7 d后強(qiáng)度增長放緩；28 d強(qiáng)度接近90 MPa，4 d可達(dá)到28 d強(qiáng)度的87%；28 d抗壓強(qiáng)度為60℃高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度的70%。隨著齡期增加，水化反應(yīng)進(jìn)行得越充分，粉煤灰、硅灰活性得到充分釋放[15]，RPC抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨之增大。

4.2 外加劑摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

由圖2可知，隨著外加劑摻量增加，混凝土強(qiáng)度整體也在逐漸提高，當(dāng)摻量提高至3%時(shí)，強(qiáng)度最高；隨著外加劑摻量繼續(xù)增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

4.3 水膠比對(duì)強(qiáng)度的影響

水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素之一[15]，在滿足流動(dòng)性要求前提下，水膠比越低，混凝土強(qiáng)度也就越高。從圖3可知，隨著水膠比逐漸減小，RPC強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)水膠比在0.2～0.21之間時(shí)，強(qiáng)度變化不大，此時(shí)混凝土的工作性也較好。

4.4 硅灰摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

由圖4可知，隨著硅灰摻量提高，RPC抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)摻量達(dá)到膠凝材料的20%時(shí)，強(qiáng)度最高[16]；隨著硅灰摻量繼續(xù)增加，RPC抗壓強(qiáng)度逐漸降低。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)楣杌伊胶苄。艹浞痔畛浒韬衔镱w粒之間的孔隙，摻量合適時(shí)可明顯提高RPC的密實(shí)性，抗壓強(qiáng)度亦隨之提高。但硅灰本身比表面積很大，拌和時(shí)需要較多的水量，隨著摻量的提高，拌合物流動(dòng)性會(huì)下降，導(dǎo)致試件難以成形。

4.5 鋼纖維摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值非常大，而隨著抗壓強(qiáng)度提高，混凝土的脆性也隨之增強(qiáng)，為此可在RPC中加入鋼纖維以改善其韌性[17]。由圖5可知，隨著鋼纖維摻量增加，RPC強(qiáng)度也隨之提高，當(dāng)摻量達(dá)到1.9%時(shí)，RPC強(qiáng)度最高；隨著鋼纖維摻量繼續(xù)增加，RPC強(qiáng)度不增反降，這是因?yàn)樵摋l件下需更多水泥漿來包裹鋼纖維，而水泥漿數(shù)量不足，導(dǎo)致混凝土各項(xiàng)性能下降，強(qiáng)度降低。

4.6 砂膠比對(duì)強(qiáng)度的影響

由于鋼纖維摻量增加后，RPC拌合物工作性變差，要改善混凝土的工作性，可以增大水膠比，但混凝土強(qiáng)度降低、收縮和裂紋等問題會(huì)隨之出現(xiàn)[18]。為此，可通過改變砂子與膠凝材料的比例來改善混凝土的工作性。由圖6可知，隨砂膠比提高，混凝土強(qiáng)度先提高后回縮，當(dāng)砂膠比在1.29～1.40之間時(shí)，混凝土強(qiáng)度最高且表現(xiàn)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)通過試配，得到滿足該項(xiàng)目要求的RPC配合比為:水泥∶硅灰∶粗石英砂∶中石英砂∶細(xì)石英砂∶鋼纖維∶減水劑∶水 ＝920∶170∶460∶340∶280∶120∶22∶174。

(2)RPC混凝土強(qiáng)度隨齡期增加而提高，早期強(qiáng)度增長較快。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，溫度在60℃以上即可滿足強(qiáng)度要求。

(3)RPC混凝土強(qiáng)度隨外加劑、硅灰以及鋼纖維摻量的增加均先提高再降低，摻量分別為3%、20%、1.9%時(shí)強(qiáng)度最高。

(4)水膠比在0.2～0.21之間時(shí)，混凝土的工作性較好，強(qiáng)度亦滿足要求，變化不大。砂膠比在1.29～1.40之間時(shí)，混凝土強(qiáng)度最高且表現(xiàn)穩(wěn)定。