粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板力學性能試驗與應用研究

劉峰 婁深鑫 陳峰

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引言

以硅酸鹽水泥為基本膠凝材料的混凝土，摻入高效減水劑和硅灰摻合料后，在和易性良好的情況下拌合成型，硬化后可獲得80MPa以上的抗壓強度，應用這種材料可減少構件截面，實現輕型化。但根據調查結果，這類高強度混凝土比中低強度的更易開裂。

為避免上述問題的產生，法國人P.Richard，根據密實堆積原理，用石英砂為骨料，制備出活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC），不但具有很高的抗壓強度和抗拉強度，收縮變小，耐久性好，而且其抗滲性、抗凍性和耐腐蝕性能均遠優于普通混凝土[1]。RPC中沒有粗骨料，通過改變組分的細度和活性降低材料內部的孔隙與微裂縫，從而獲得超高強度和耐久性[2]。RPC的組分包括硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、減水劑、鋼纖維、石英粉。硅灰是RPC獲得良好性能所需的一種礦物摻合料，其顆粒較細且活性高，其可以提高密實度、改善界面過渡區，提高RPC強度，但硅灰摻量增多會降低拌合物流動性，試件自收縮和干縮值增大。粉煤灰和礦粉中活性二氧化硅含量較高，可以改善RPC的性能。粉煤灰具有“填充”、“活性”、“滾珠”作用，可使拌合物流動性增加，試件的強度增加。粉煤灰和礦粉可提高試件的韌性和抗折強度。纖維是RPC必備組分，纖維的摻入可以顯著提高試件的抗折和抗劈裂強度，但過量摻入會使拌合物流動性變差成型困難，密實度降低，纖維與基體界面過多，內部缺陷增加。降低細骨料尺寸可以增加密實度，減少界面缺陷，提高強度。養護方式采用高壓蒸養可以提高20%左右的試件強度，蒸養有利于試件早期的物理力學性能的提高，不利于后期強度的持續增加，常溫養護也可獲得令人滿意的力學性能[3]。

粗骨料活性粉末混凝土是在拌合物和試件物理力學性能犧牲很小的情況下，摻入粒徑較大的石子，置換部分細骨料和礦物摻合料，由于粗骨料的摻入，其彈性模量比RPC大，收縮比RPC小。最重要的是其制備成本有了顯著的降低，為其規模化應用創造了可能[4]。

鋼筋混凝土隨齡期延長產生收縮變形，變形受鋼筋約束使微裂縫和孔隙連通，導致混凝土的低滲透性喪失，侵蝕介質進入使鋼筋銹蝕鼓脹，是影響混凝土結構耐久性的重要原因[5]。無筋板可以避免這一問題，又能簡化施工流程，但普通混凝土素板脆性大，使其難以得到有效的應用。粗骨料活性粉末混凝土無筋板具有優異的抗彎性能，并且延性較好，具有較廣的應用范圍。

1 試件制備

粗骨料活性粉末混凝土拌合物是預拌核心組分（水泥、硅灰、粉煤灰、液料、礦粉、鋼纖維）、細骨料、粗骨料、水按一定比例混合，通過自動化攪拌裝置內計量系統精準計量，攪拌合適時間后，獲得擴展度適宜的拌合物，下料至料斗中。

無筋薄板的尺寸為1500mm×1500mm×40mm，澆筑模板側模采用木模，以光滑平整的地坪作為底模，試件澆筑時在板中心處下料，依靠拌合物的流動性自由擴展至側模，輔以人工抹平，澆筑成型后，采用自然養護的方式進行常溫養護，齡期3d時脫模，28d達到試驗要求的齡期，本次試驗共制備兩塊薄板。

2 測試方案

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板加載試驗目的有3個：①確定無筋粗骨料活性粉末混凝土薄板抗彎承載力；②確定無筋粗骨料活性粉末混凝土薄板抗裂性能；③評估無筋粗骨料活性粉末混凝土薄板的延性性能。兩塊試驗板，其中一塊為底模面受彎加載，另一塊為頂面受彎加載，用以對比頂底面力學性能的差別。

試驗加載設備采用多通道電液伺服加載系統，變形測量采用位移計，應變測量采用動靜態應變測試系統，裂縫寬度測量采用裂縫綜合測試儀，加載示意圖及位移、應變測點布置如圖1所示。

圖1 加載示意圖

圖2 兩個試件撓度—荷載曲線圖

試驗測試的加載步驟包括預加載，第一次加載至出現裂縫后緩慢卸載，第二次加載至試件破壞，裂縫剛產生時十分細微，即使用專用的裂縫觀測儀也難以發現，試驗中以跨中應變發生非比例增加時的加載等級作為裂縫出現的荷載等級。兩塊試驗板采用同樣的加載步驟。

3 試驗結果

試件運送至結構試驗室后，加載前對試件進行外觀檢查，確保構件表面不存在破損，裂縫等外觀缺陷。試件安裝就位，位移、應變傳感器布置好以后即可按加載方案進行加載，本試驗采用應變片測量應變，在貼完測點應變片后，另外布置了溫度補償片。

經測試，試件1在荷載達到22.5kN時，撓度—荷載曲線斜率發生變化，且試件跨中位置處應變發生突變，此時判斷為試件初裂；當繼續加載至下一級25kN時，測得裂縫寬度為0.02mm。在荷載30kN后繼續加載至下一級時，荷載已無法上升并出現下降，判定為試件破壞并停止加載，此時裂縫寬度0.14mm。試件2在荷載達20kN時，撓度—荷載曲線斜率發生變化，且試件跨中位置處應變發生突變，此時判斷為試件初裂；當繼續加載至下一級22.5kN時，測得裂縫寬度為0.02mm。在荷載32.5kN后繼續加載至下一級時，荷載已無法上升，判定為試件破壞并停止加載，此時裂縫寬度0.1mm。

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板的抗拉強度較普通混凝土有了大幅度提升，初裂抗拉強度大于10MPa，使其在彈性工作范圍內能承受更大的荷載。

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板不僅抗拉性能優異，從試驗的荷載-位移曲線可以看出，試件初裂后的循環加載過程中，曲線斜率未發生明顯變化，說明素板具有很好的彈性工作性能。并且試件開裂后，粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板不像普通混凝土素板在受彎開裂后會迅速發生脆斷。如試件一加載至22.5kN時開裂，開裂后加載至30kN時，才發生不能持荷，此時試件也并未發生斷裂，存在比較大的塑形變形；試件二加載至20kN時開裂，加載至32.5kN時，不能持荷，試件亦未發生斷裂，塑性發展更充分。由此可見，粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板具有良好的延性，用于承載不會發生脆性破壞。

4 應用探討

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板具有較高的抗裂性能和抗彎承載力，亦具備良好的延性性能，不配鋼筋也極大程度簡化制造工藝，有利于降低總體的工程造價，可以在以下幾個方面考慮應用。

4.1 樹池擋板

普通的樹池一般采用厚度大于10cm的花崗巖邊框圍護形成，邊框埋深較淺，常發生樹池邊路基因水土流失導致的路基病害。用粗骨料活性粉末混凝土無筋板將樹木根系包裹住，可以解決這類路基病害。經計算，在主動土壓力和車輛荷載土壓力共同作用下，3.5cm厚的板即可滿足受力要求，更輕薄的樹池擋板同樣提升了美觀效果。

4.2 人行道板及電纜溝蓋板

人行道及電纜溝蓋板一般跨徑不大，承受荷載較小，通常采用厚度較大的配筋普通混凝土板，重量較大，給安裝和檢修帶來一定的困難。經計算，輕薄的粗骨料活性粉末混凝土無筋板就可滿足使用要求，而且無普通鋼筋，制造簡便，安裝容易，具有較好的經濟效益。

4.3 檢查井蓋板

常規檢查井蓋板采用球墨鑄鐵蓋板，這種檢查井蓋板一個重要問題是防腐問題。尤其對于南方城市，降水較多，雨污水會加速蓋板腐蝕，鑄鐵蓋板更換頻繁。粗骨料活性粉末混凝土無筋板不配置普通鋼筋，耐久性更好，無須經常更換，是比較有優勢的方案。

5 結束語

經過試驗驗證，粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板抗彎拉強度大于10MPa，比素混凝土板具有更高的受彎承載力。

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板具有良好的彈性工作性能，構件開裂后也不會發生脆性斷裂，具備良好的延性。

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板由于未配置普通鋼筋，構件耐久性更好，使用壽命更長。

根據粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板突出的力學性能和耐久性，可以考慮將此種輕薄無筋板用于樹池擋板，人行道及電纜溝蓋板及檢查井蓋板，可以產生良好的經濟效益和社會效益。