填充活性粉末路面混凝土配合比試驗(yàn)研究

代國鋒

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司 天津 300000）

活性粉末混凝土(RPC)是布伊格公司1993年研制的一種高強(qiáng)、高韌、低孔隙率的超高性能混凝土[1,2]。目前國外對活性粉末混凝土的研究取得了很大進(jìn)展，但中國對活性粉末混凝土的研究和應(yīng)用還處于起步階段，其設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范還很缺乏。目前對混合比例還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[3]。傳統(tǒng)路面面層為普通水泥混凝土路面面層，但強(qiáng)度較低。當(dāng)長時(shí)間存在車輛載荷或飛機(jī)載荷時(shí)，容易引起疲勞損傷等問題。將RPC技術(shù)應(yīng)用于路面，可以有效地解決這些問題。例如，日本東京國際機(jī)場D跑道擴(kuò)建工程采用6900預(yù)應(yīng)力RPC路面作為機(jī)場跑道，該工程是世界上RPC用量最大的工程[4]。目前國內(nèi)外研究者主要集中在RPC微觀組成及其自身配合比的研究[5-6]，關(guān)于活性粉末路面混凝土配合比的文獻(xiàn)報(bào)道較少。為此，作者對活性粉末路面混凝土的配合比進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了偏高嶺土、硅灰和特種礦物填料對活性粉末路面混凝土配合比的影響，以期為其工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 測試條件

1.1 原材料

圖1顯示了樣品制作過程。水泥是42.5型普通硅酸鹽水泥，由北京某水泥廠生產(chǎn)。細(xì)度為3400 cm2/g。初始設(shè)定時(shí)間為2小時(shí)40分鐘，最終設(shè)定時(shí)間為3小時(shí)40分鐘。其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27%，著火損失為0.5%。表1顯示了水泥的礦物組成。表2顯示了水泥的主要力學(xué)性能。

圖1 標(biāo)本制作過程

表1 水泥的礦物組成

表2 水泥的主要力學(xué)性能

硅煙是河北省一家合金廠生產(chǎn)的。其密度為2.1 g/cm3，比表面積為20 m2/g。偏高嶺土產(chǎn)自陽泉，粒徑范圍為10～50 μm。SiO2含量為53.75%，Al2O3含量為37.85%。標(biāo)準(zhǔn)砂是福建省生產(chǎn)的水泥試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂。其粒徑范圍為0.16～1.25 mm。鋼纖維是由河北省生產(chǎn)的表面薄而圓的鍍銅鋼纖維制成的。其直徑為0.22 mm，長度為12～15 mm。特殊礦物填料由多種活性礦物制成，經(jīng)活性測試及最佳粒度分布計(jì)算而成，主要化學(xué)成份為二氧化硅及微量元素。其特征狀態(tài)為灰白色細(xì)粉，密度為2.18 g/cm3。減水劑是中國某混凝土外加劑廠生產(chǎn)的一種新型非萘系高性能減水劑。它是深紫色的透明液體。減水率為31%，1小時(shí)內(nèi)無坍落度損失。

2.2 樣本制作

每種物料按混合比例稱重。將細(xì)集料、鋼纖維、水泥、特種礦物填料、硅灰、偏高嶺土等投入攪拌機(jī)。將骨料與鋼纖維充分接觸均勻分布后，加入減水劑和減水劑，充分?jǐn)嚢?min以上。混凝土配合比測定確定坍落度，然后在高頻振動臺上對試件進(jìn)行振動。振動成型后立即將樣品送至養(yǎng)護(hù)室，1 d后取出模具。試樣被放置在不同溫度的固化箱中進(jìn)行固化，加熱速率較低，每小時(shí)15℃。達(dá)到固化溫度后，試樣進(jìn)一步固化72 h。然后將試樣移入標(biāo)準(zhǔn)固化(20±2℃，濕度90%以上)，固化至性能測定所需的時(shí)間。

2.3 試樣尺寸和試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試樣為100×100×100 mm的立方體，斷裂模數(shù)試樣為100×100×400 mm的棱柱體。按照普通混凝土力學(xué)性能測試方法(GB/T50081-2019)測試立方體抗壓強(qiáng)度和斷裂模數(shù)。按照GB/T0506-2005《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測試?yán)庵w的抗壓強(qiáng)度和斷裂模數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 偏高嶺土和硅灰對壓縮強(qiáng)化

硅灰的影響是一種高活性、超細(xì)顆粒的摻合料。它含有大量的二氧化硅，可以提高混凝土的強(qiáng)度。偏高嶺土作為一種新型的輔助膠凝材料，可以改善混凝土的和易性。研究了偏高嶺土與硅灰混合時(shí)的影響。圖2顯示抗壓強(qiáng)度曲線。

從圖2可以看出，R1和R3的抗壓強(qiáng)度大于R2和R4。研究結(jié)果顯示，部分偏高嶺土取代硅粉后，混凝土的抗壓強(qiáng)度會減少。同時(shí)，與R1相比，R2的3天抗壓強(qiáng)度下降了8.45%，與R3相比，R4的3 d抗壓強(qiáng)度下降了5.34%。與R1相比，R2的28天抗壓強(qiáng)度下降了11.79%，與R3相比，R4的28 d抗壓強(qiáng)度下降了11.96%。作者的結(jié)論是，硅灰對抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用明顯大于偏高嶺土。增加偏高嶺土的含量，混凝土的抗壓強(qiáng)度會明顯減少。單純加入硅粉的抗壓強(qiáng)度比加入偏高嶺土的硅粉大。與R1相比，R2的坍落度提高了30%，與R3相比，R4的坍落度提高了18%。結(jié)果表明，摻加偏高嶺土對混凝土的工作性能有明顯的改善作用。筆者認(rèn)為偏高嶺土是一種高活性火山灰材料的礦物摻合料。其內(nèi)部反應(yīng)類似于粉煤灰。它可以提高水泥漿的強(qiáng)度，增加混凝土的抗壓強(qiáng)度。但如偏高嶺土含量過高，表面的片狀顆粒形態(tài)會大大削弱顆粒的形態(tài)分布，導(dǎo)致顆粒在水泥中分布不均，減低混凝土的抗壓強(qiáng)度。

表3 混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度 (kg/m3)

圖2 偏高嶺土與硅灰混合下的抗壓強(qiáng)度曲線

3.2 特種礦物填料對混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響

特種礦物填料能顯著改善混凝土的工作性能，降低坍落度損失。它由多種礦物質(zhì)和微量元素構(gòu)成。圖3顯示了抗壓強(qiáng)度曲線。

圖3 特種礦物填料作用下的抗壓強(qiáng)度曲線

從圖3可以看出，R5的抗壓強(qiáng)度大于R6。與對照組相比，對照組3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別下降了0.32%和2.61%。與R6相比，R5坍落度明顯增大，粘度降低，施工性能明顯改善。同時(shí)，R5和R6的3天和28天抗壓強(qiáng)度幾乎相同，表明可以加入特殊的礦物填料進(jìn)行混合比例設(shè)計(jì)。特種礦物填料的組成為SiO2和微量元素，其內(nèi)部反應(yīng)類似于硅粉。它可與氫氧化鈣反應(yīng)，產(chǎn)生水合硅酸鈣。這種反應(yīng)會增加水泥石的骨架，降低孔隙率，增加混凝土的抗壓強(qiáng)度。此外，專用礦物填料為低密度灰粉，可提高混凝土的工作性能。

3.3 RPC100的配比

目前，RPC的相關(guān)配比在中國仍屬商業(yè)秘密。因此，結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室成功制備了適合于路面工程的RPC100混合料配合比。表4顯示了RPC100的混合比例。

表4 RPC100的混合比例

4 結(jié)語

（1）硅粉可改善活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)用偏高嶺土代替部分硅灰時(shí)，抗壓強(qiáng)度會減少，但混凝土混合料的工作性能會明顯改善。因此，偏高嶺土應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行添加；（2）特殊礦物填料能明顯改善混凝土的施工性能，在不影響抗壓強(qiáng)度的情況下降低粘度，增加坍落度。因此，應(yīng)該首先把它們加起來；（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出了RPC100的配合比及相關(guān)力學(xué)性能。