活性粉末混凝土材料的試驗(yàn)研究

　　摘要：活性粉末混凝土(RPC)作為一種新型的水泥基結(jié)構(gòu)材料，具有超高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性、良好的體積穩(wěn)定性等優(yōu)良的性能，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。本文將結(jié)合試驗(yàn)研究，闡述配合比因素對RPC強(qiáng)度的影響及RPC的微觀機(jī)理。

　　關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土 配制原理 配合比 微觀機(jī)理

　　1、概述

　　活性粉末混凝土(即Reactive Powder Concrete ，以下簡稱RPC)是繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后，在90年代中期通過采用常規(guī)的水泥等材料開發(fā)出的超高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基材料，是DSP材料與纖維增強(qiáng)材料復(fù)合而成的高性能混凝土。它的強(qiáng)度等級可分為200MPa、500MPa和800MPa三個等級。該材料已成為國際建筑工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

　　1993年，法國的BOUYGUES公司成功研制出了RPC，并與美國陸軍工程師團(tuán)合作生產(chǎn)出RPC制品;加拿大于1994年開始進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，在環(huán)境惡劣的魁北克省Sherbrooke用RPC進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)，并在現(xiàn)場組裝了一座跨長為70m的單跨，供行人和自行車通行的架橋;韓國的漢城用RPC材料建造了一座跨度為120m的拱橋;美國于2001年在伊利諾斯州用RPC材料建造了直徑18m的圓形屋蓋;在澳大利亞，一座用RPC材料建造的公路橋梁不久將問世;在歐洲，跨越克羅地亞Bakar海峽的一座432m的RPC拱橋也正在設(shè)RPC建造的加拿大Sherbrooke行人/自行車橋梁計(jì)中;我國有關(guān)RPC材料的研究主要集中在幾所高校，目前已通過對材料配合比的研究，制備出了的RPC材料小型試件，其抗壓強(qiáng)度超過了200MPa、抗折強(qiáng)度達(dá)50MPa、斷裂能大于、彈性模量大于4.6×104MPa. RPC的基本配制原理是通過提高組分的細(xì)度與活性，使材料的內(nèi)部缺陷(孔隙與微裂隙)減小到最少，從而獲得超高強(qiáng)度與高耐久性，它的研制根據(jù)以下原則進(jìn)行：

　　1、提高體系的勻質(zhì)性RPC采用下列方法改進(jìn)勻質(zhì)性：用細(xì)骨料代替粗骨料;提高漿體的力學(xué)性能，RPC中漿體的彈性模量高達(dá)50 MPa，甚至更高;降低骨料與漿體的比值。通過以上措施，可以有效的提高勻質(zhì)性。

　　2、提高水泥石的密實(shí)程度從原材料選擇與成型工藝兩個方面提高混凝土密實(shí)度，為了獲得高密實(shí)度的混凝土，在配制RPC時，原材料的選擇可以遵循以下原則：

　　由若干粒級組成的級配，每一個粒級都有一個密集的顆粒范圍;粒級之間要有明顯的劃分，兩個相鄰粒級的平均直徑之比大于13;選擇水泥須考慮摻超塑化劑，二者應(yīng)具有相容性，其最佳摻量可通過流變學(xué)分析決定;用水量可通過流變學(xué)和相對密度來決定。

　　在混凝土成型時，對新拌混凝土施加圍壓可以產(chǎn)生以下幾種有利效應(yīng)：減少新拌混凝土中裹夾的空氣，可將新拌混凝土中的氣泡排盡或顯著減少;排除多余的水，這樣活性粉末混凝土的水膠比降低，相應(yīng)地提高了密實(shí)度;化學(xué)收縮的補(bǔ)償，消除試件中因化學(xué)收縮而產(chǎn)生的部分孔隙。以上三種效應(yīng)的疊加可使混凝土相對密實(shí)度提高6%以上，因此在混凝土成型過程中對新拌混凝土施加圍壓可以有效地提高混凝土密實(shí)度。

　　3. 熱處理改善微觀結(jié)構(gòu)熱處理主要在于改進(jìn)活性粉末混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，通過對RPC施加90的熱處理顯著地加速了混凝土內(nèi)部的水化作用，同時改變了已形成的水化物的微觀結(jié)構(gòu);

　　另外，熱處理可大大加速硅灰的火山灰反應(yīng)，生成低堿性水化硅酸鈣，降低了Ca(OH)2的含量。試驗(yàn)證實(shí)，在250高溫時，能使水化產(chǎn)物C-S-H凝膠大量脫水，形成硬硅鈣石結(jié)晶，有利于強(qiáng)度的提高。

　　4.摻入鋼纖維增加韌性加入鋼纖維后可以大大改善RPC的韌性，其斷裂能可達(dá)20000～40000J/m2.通常，RPC內(nèi)采用長度13mm、直徑0.15mm的鋼纖維，摻量為混凝土體積的1.5%～3%，通過試驗(yàn)對比，它比摻長度為3mm的凹凸形短鋼纖維的混凝土斷裂能提高得多。

　　為了研究上述因素對RPC材料強(qiáng)度的影響，本試驗(yàn)主要通過采用不同水膠比、骨料品種和級配以及鋼纖維的種類和粗細(xì)條件下成型RPC試件，并測試其強(qiáng)度，進(jìn)而分析上述配合比因素對RPC強(qiáng)度的影響。

　　2、原材料與試驗(yàn)方法

　　2.1 原材料水泥：北京某水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥;

　　礦粉：某礦粉加工廠生產(chǎn)的灰白色超細(xì)粉A與某新型建材公司生產(chǎn)的灰色細(xì)粉B;北京高鈣粉煤灰(一級超細(xì)粉煤灰);

　　細(xì)集料：采用兩種砂，福建平潭產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)砂和北京某砂廠定做的細(xì)石英砂;山西陽泉產(chǎn)高嶺土;

　　鋼纖維：一種是國內(nèi)某鋼纖維有限公司產(chǎn)，細(xì)圓形表面鍍銅鋼纖維，直徑0.22mm，長度12～15mm.另一種是某鋼纖維有限公司生產(chǎn)的螺紋型碳素鋼纖維，長徑比為32.24，100根平均長度為30.327mm;

　　化學(xué)外加劑：高效減水型，它的減水率大于29%，呈黃灰色的固體外加劑，與水泥的相容性良好，并具有良好的保水性。

　　2.2.試驗(yàn)方法混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度測試按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GBJ81-85)進(jìn)行[37]，但加荷速度變?yōu)榭箟涸囼?yàn)10KN/s、抗折試驗(yàn)0.27 KN/s;抗壓強(qiáng)度試件尺寸100mm×100mm×100mm、抗折強(qiáng)度試件尺寸100mm×100mm×400mm.

　　3、配合比因素對強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

　　3.1 不同水膠比對活性粉末混凝土強(qiáng)度的影響。

　　一般情況下，水膠比取值為0.16～0.22，試驗(yàn)選用水膠比為0.17和0.19兩種，共制作了兩種配合比試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)1d，拆模后放入70℃水中養(yǎng)護(hù)，并測定其3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度。

　　細(xì)石英砂的顆粒級配對活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度的影響本次試驗(yàn)采用四種粒級的石英砂，粗砂：0.63～1.25mm，中砂：0.315～0.63mm，細(xì)砂：0.16～0.315mm，特細(xì)砂：<0.16mm;采用了三種石英砂組合：

　?、?粗砂+中砂+細(xì)砂;

　　②.中砂+細(xì)砂;

　?、?中砂+細(xì)砂+特細(xì)砂。按最大密實(shí)度理論，得到三種組合中各級砂子用量：第一個組合：粗砂+中砂+細(xì)砂=677.7 kg +403.8 kg +204.5kg;

　　第二個組合：中砂+細(xì)砂=854 kg +432 kg;

　　第三個組合：中砂+細(xì)砂+特細(xì)砂=727.5 kg +367.8 kg +190.7 kg.

　　粉煤灰的摻入增大了顆粒間的填充密實(shí)度，建議RPC的骨料級配選用中、細(xì)、特細(xì)砂的組合。

　　鋼纖維種類及摻量對活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度的影響纖維能夠阻礙混凝土內(nèi)部微裂紋的繁衍、擴(kuò)展，顯著提高混凝土的韌性、延性和抗折強(qiáng)度，有效地避免混凝土無征兆的脆性破壞的發(fā)生。鋼纖維對混凝土的增強(qiáng)效果與鋼纖維長度(lf)、直徑(df)、長徑比(lf/df)、體積率(Vf)以及纖維外形等密切相關(guān)。本試驗(yàn)采用不同含量的細(xì)鋼纖維和粗螺紋型碳素鋼纖維進(jìn)行對比試驗(yàn)，分析鋼纖維種類及摻量對活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，碳素粗鋼纖維摻量分別為混凝土容重的8%、6%、4%.

　　(1)摻入粗鋼纖維的活性粉末混凝土破壞時局部破壞嚴(yán)重，抗折時，一旦開裂很快就達(dá)到極限強(qiáng)度，而摻入細(xì)鋼纖維的活性粉末混凝土在開裂后仍能維持一段時間，強(qiáng)度仍有增長。

　　(2)摻粗鋼纖維的混凝土破壞時不少粗鋼纖維被拉斷，而細(xì)鋼纖維則是被拔出的，幾乎沒有被拉斷。

　　4、結(jié)論

　　通過以上RPC中不同組分摻量對其強(qiáng)度影響的系統(tǒng)研究，可得到以下結(jié)論：

　　(1)相同齡期下RPC強(qiáng)度隨著水膠比的增大而降低;

　　(2)在RPC中，可以用石英砂取代標(biāo)準(zhǔn)砂，且石英砂的摻量不宜低于50%，顆粒級配對強(qiáng)度有一定的影響，在摻粉煤灰時宜選用中+細(xì)+特細(xì)組合的骨料;

　　(3)RPC中摻入鋼纖維能提高其力學(xué)性能，摻入長徑比大的細(xì)鋼纖維比長徑比小的鋼纖維更有利于提高混凝土的韌性，鋼纖維摻入量以6%為宜。

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