路面工程活性粉末混凝土性能影響因素研究

張秀軍

（中鐵十八局集團有限公司 天津 300000）

1 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）是一種具有超高強度、高韌性和超耐久性的新型水泥基材料，它的力學性能比普通混凝土要好得多，在過去三十年中被認為是水泥基工程材料的最具創新性的成果。活性粉末混凝土實現了工程材料性能的大跨越，具有高強度、高韌性、防爆、耐久性強等特點，抗壓強度可高達200 MPa 以上，抗拉強度也可以達到100 MPa 以上，彈性模量可以與高強度鋼相當，甚至更高。此外，活性粉末混凝土具有極低的滲透性和良好的耐久性，可以在各種復雜環境中保持穩定的性能，被廣泛應用于各種高要求和高性能的關鍵工程領域，如核能、電力、石化等行業的各種結構件和設備中，包括反應堆、大型儲罐、高聳建筑等。由于其卓越的性能，活性粉末混凝土在這些領域中可以發揮出重要的安全保障作用，并大大提高工程的安全性和穩定性。

近年來，RPC 代替普通混凝土在土木工程領域中的應用具有很好的應用前景。國內外對RPC 的配合比等進行了大量的實驗研究。活性粉末混凝土的制造需要經過嚴格的工藝流程，其主要原材料包括硅酸鹽水泥、細砂、超細礦粉、礦物摻合料和高效減水劑等。通過精細的混合和嚴格的成型工藝，活性粉末混凝土可以獲得優異的物理和力學性能。總的來說，活性粉末混凝土是一種具有重要應用價值的新型水泥基材料，其優良的性能和廣泛的應用前景使其成為未來建筑材料的重要發展方向之一。

目前在中國，RPC 的應用仍處于起步階段，中國大量工程仍采用普通混凝土（如C30、C40 和C50）施工。此外，由于RPC 成分復雜，受各地區原材料性能影響較大，沒有統一的配比限制其大規模推廣應用。本文研究了固化溫度和鋼纖維種類對RPC 配比的影響，以獲得合適的RPC，為RPC在路面工程中的應用提供參考。

2 試驗概述

2.1 原材料

水泥：采用國內工廠生產的42.5#普通硅酸鹽水泥。水泥細度為3400 cm2/g；標準稠度用水量為27%；點火損失為0.5%；石膏含量為3.0%；初凝時間為2 h 40 min；終凝時間為3 h 40 min。水泥的礦物成分如表1 所示。

表1 42.5#水泥熟料礦物成分

鋼纖維：采用國內公司生產的細圓表面鍍銅鋼纖維和粗螺紋碳鋼纖維，直徑分別為0.22 mm 和0.35 mm，長度為12～15 mm。

細骨料：粒度在0～0.625 mm 之間的石英砂，根據粒徑大小分為特細砂、細砂、中砂等。測得的不同粒徑大小石英砂的表觀密度和堆積密度如表2 所示。

表2 石英砂的表觀密度和體積密度

RPC 專用添加劑：由活性SiO2等活性礦物和微量元素配制而成。特征狀態為灰白色細粉末，密度為2.18 g/cm3。

高性能減水劑：國內某廠生產的一種新型非萘系高性能減水劑，呈深紫色透明液體，減水率達31%。

2.2 試塊生產與試驗方法介紹

2.2.1 試塊生產。材料按配合比稱重，細骨料、鋼纖維、水泥、特殊添加劑等材料按一定順序倒入攪拌機。骨料與鋼纖維充分接觸并達到宏觀均勻分布后，加水用減水劑攪拌3 min 以上。測量混凝土混合物的坍落度，并在高頻振動臺上振動形成混凝土試塊。成型后，立即將其送到固化室，并在1d 后取出模具。然后將試樣放入不同溫度的養護箱中養護，升溫速度不應超過每小時15 ℃。達到固化溫度后，繼續固化72 h。將固化后的試樣移至標準養護室（20±2 ℃，濕度超過90%），養護至性能測量所需的養護齡期。

2.2.2 試驗方法。混凝土的抗壓強度和抗彎強度應按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2019）進行試驗。

抗擠壓強度的加載速度為1.2 MPa/s，抗彎曲強度的加載速率為0.1 MPa/s。抗彎強度試驗中使用的試塊的載荷圖和失效如圖1 和圖2 所示。

圖1 試塊加載

圖2 試塊破裂

3 測試結果

3.1 養護溫度對RPC 強度的影響

為了研究不同養護溫度對RPC 抗壓強度的影響，試驗中使用了8 組共24 個試樣，即養護溫度為60 ℃的R1、養護溫度為75 ℃的R2、養護溫度80 ℃的R3 和養護溫度為90 ℃的R4，以比較RPC 的抗壓強度28 d 的試樣在不同的固化溫度下固化。各RPC 試件的配合比和抗壓強度如表3 所示，試驗結果數據對比如圖3 所示。

圖3 不同齡期試塊RPC 抗壓強度的比較

表3 RPC 配合比和不同固化溫度下的抗壓強度

從圖3 中可以看出，在RPC 配合比相同的條件下，RPC 的抗壓強度隨著固化溫度的升高而增加。可以看出，RPC 在不同固化溫度下的強度有明顯差異。RPC 在高溫條件下固化之所以能獲得更高的抗壓強度，是因為高溫固化加速了RPC 中礦物和礦物的火山灰效應。

根據現有的試驗結果，RPC 在90 ℃熱水養護下可以獲得最大的抗壓強度，但在75～90 ℃熱水固化下的抗壓強度差異不明顯。當齡期為3 d 時，R2 和R3 的抗壓強度分別為R4 的96.7%和98.6%；當年齡為28 d 時，R2 和R3 的抗壓強度分別為R4 的96.0%和96.8%。在工程應用中，施工人員需要綜合考慮RPC 的強度要求和維護難度。由于養護溫度為75～90 ℃時RPC 強度差異很小，在實際工程中，75 ℃的養護溫度是最佳選擇。

3.2 鋼纖維類型對RPC 強度的影響

為了研究鋼纖維類型對RPC 抗壓強度的影響，本研究采用2 組共計24 根相同含量的細鋼纖維和厚鋼纖維試樣進行試驗，細鋼纖維試樣編號為R5，粗鋼纖維試樣編號為R6。兩組試塊的鋼纖維含量為200 kg/m3，固化溫度為60 ℃。RPC 使用的配合如表4 所示，測試結果如表5 所示，從測試結果中得出的強度比較如圖4 所示。

圖4 不同鋼纖維試塊強度的比較

表4 不同鋼纖維類型的RPC 配合比（kg/m3）

表5 抗壓強度和抗彎強度測試結果

從圖4 中可以看出，細鋼纖維試樣的抗壓強度大于粗鋼纖維試樣，3 d 固化時的抗壓強度高出7.2%，28 d 固化時的抗壓強度高出9.6%。兩個試塊的抗彎強度相差不大。在測試過程中，發現測試塊R5 在被破壞時保持完整，并且可以在裂化后仍保持一段時間。試塊R6 局部嚴重損壞，一旦破裂，它很快就達到了極限強度。觀察試驗片表明，R5 混凝土斷裂面的纖維含量很小分布極不均勻；相反，纖維在R6 混凝土裂縫上的分布表面致密均勻；同時，還可以觀察到許多厚的鋼纖維試塊R6中的細鋼纖維幾乎沒有斷裂。

綜合試驗結果和觀察結果表明，摻入細鋼纖維可以保證RPC 具有更好的力學性能。

4 結論

通過本文試驗系統研究養護溫度和鋼纖維種類對RPC 強度的影響，可以得出以下結論：

（1）RPC 在不同固化溫度下的強度有明顯差異，高溫固化加速了RPC 中礦物和礦物的火山灰效應，高溫養護條件有利于RPC 抗壓強度的增強。

（2）在相同的養護齡期，RPC 的強度隨著養護溫度的升高而增加；在工程施工中，養護溫度應為75℃。

（3）鋼纖維的加入可以有效地提高RPC 的抗壓強度和抗彎強度，并且在RPC 中加入細鋼纖維比粗鋼纖維更能改善其力學性能。