掺合料对活性粉末混凝土性能的影响

陈浩宇，李俊毅，王娜，苏忠纯，张鹏

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

1993年法国布伊格（Bouygues）公司的 P.Richard[1]工程师仿效高致密水泥基均匀体系DSP（Densified System Containing Homogenously Arranged Ultra-fine Particle）材料[2]研制出一种新型超高性能混凝土，称为活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC），该材料选取的是传统的原材料和传统的混凝土成型工艺，其原材料为石英砂、水泥、硅粉、细钢纤维、高效减水剂等，取消了粗骨料，并且根据最大密实度理论，使各种颗粒达到最大密实化。活性粉末混凝土与常规混凝土相比，具有超高强度、高韧性、高耐久性及高温适应性等特点[3-4]。RPC面世以来，发展迅速，并成功应用于一些实际工程中[5-8]。目前，国内外掀起了研究RPC的新热点。

目前，活性粉末混凝土技术在我国客运专线桥梁人行道挡板、盖板上也得到了一定的应用。采用RPC材料，可以很大程度地减轻桥面荷载，桥面设施的耐久性也可以得到提高。由于RPC的抗拉强度也很高，可保证构件在使用过程中不开裂，整体性能较好，使得构件具有较好适用性和耐久性。

RPC作为一种新型混凝土材料，尽管比常规混凝土更均匀，缺陷更少，但是，RPC的高强度还来源于条件比较苛刻的养护制度，如达到200MPa，需要90℃热水养护3 d，要达到800MPa，需在400℃下干养护。而这种苛刻的养护制度不利于在工程中推广应用。因此，本文拟采用标准养护方法对不同掺合料及掺量的RPC的性能进行研究。探讨该材料在客运专线工程应用的普遍性。

1 原材料与配合比

活性粉末混凝土是继高强、高性能混凝土之后，20世纪90年代中期开发出的超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的水泥基复合材料。

1.1 水泥 （C）

采用新乡同力水泥厂42.5型普通硅酸盐水泥（P.O42.5）。水泥性能见表1。

表1 水泥性能

1.2 粉煤灰（FA）

本课题采用平顶山姚孟电力粉煤灰开发有限公司生产的I级粉煤灰。粉煤灰性能见表2。

表2 粉煤灰性能

1.3 矿粉 （SG）

本课题采用信阳明港豫钢冶金加工有限责任公司微粉厂生产的S95级矿粉，其性能见表3。

表3 矿粉性能

1.4 硅粉 （SF）

本文中RPC采用安阳硅粉厂生产的硅粉，其特征状态为灰白色细粉，其性能见表4。

表4 灰性能

1.5 细骨料 （S）

混凝土的性能受细骨料影响非常大[8]，混凝土的物理力学性能和耐久性等性能均受其影响。石英砂作为RPC中的唯一骨料，不仅具有较高的强度和硬度，还具有较高的化学稳定性，且不含有害杂质。

本文RPC均采用河南登封某砂厂定做的石英砂，粒径范围为0～1.25mm，按粗细程度分为粗砂（S1）、中砂（S2）、细砂（S3）、特细砂（S4）等。不同粗细程度石英砂的实测级配范围见表5～表6。表观密度与堆积密度见表5。

表5 不同粗细程度石英砂的实测通过率

表6 石英砂的表观密度及堆积密度

各级砂子用量按集料最大密实度模型计算。设粗砂、中砂、细砂和特细砂的表观密度分别为ρ1、ρ2、ρ3和 ρ4，堆积密度分别为和，则单位体积粗砂的质量为：

粗砂的空隙率为：

则单位体积粗砂内的空隙体积为V1，可掺入中砂的质量为：

中砂的空隙率为：

V1体积中砂内的空隙体积为V2，可掺入细砂的质量为：

细砂的空隙率为：

V2体积中砂内的空隙体积为V3，可掺入特细砂的质量为：

所以试验中各配合比所需各粒级石英砂的质量比为：

粗砂 ∶中砂 ∶细砂 ∶特细砂 =m1∶m2∶m3∶m4

1.6 高性能减水剂（A）

采用江苏博特生产的聚羧酸型高性能减水剂。

1.7 水 （W）

采用饮用水。

1.8 配合比

根据集料最大密实度模型，本文选择了粗、中、细三种石英砂组合，采用不同矿物掺合料，振捣成型，制备了14组配合比，尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试件，配合比详细情况见表7。

表7 配合比

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰对活性粉末混凝土性能的影响

粉煤灰对活性粉末混凝土性能的影响见图1。由图1可见，掺加粉煤灰的活性粉末混凝土比不掺粉煤灰的流动度大，但是随着粉煤灰掺量的增加，流动度减小。掺加粉煤灰的活性粉末混凝土1 d的强度较基准混凝土的低，3 d强度和7 d强度相差不大，后期强度与不掺粉煤灰的相比有较大提高。如C1-1的28 d强度比B1-1的28 d强度提高了54.9%。活性粉末混凝土早期强度和后期强度均随着粉煤灰掺量的增加而降低。从表中不难看出，对于组合砂活性粉末混凝土，粉煤灰掺量为10%时，效果最佳。

图1 粉煤灰对活性粉末混凝土的影响

2.2 矿粉对活性粉末混凝土性能的影响

矿粉对活性粉末混凝土性能的影响见图2。

图2 矿粉对活性粉末混凝土性能的影响

由图2可见，随着矿粉掺量增加，活性粉末混凝土的流动度增大；掺量越大，增加的幅度越大。随着矿粉掺量的增加混凝土强度增大，但是1～3 d的混凝土强度增幅不大，7 d强度随着矿粉掺量的增加而明显增大，28 d抗压强度随矿粉的增大而增加的幅度较大。矿粉掺量为30%的活性粉末混凝土28 d强度比不掺矿粉的提高了89.1%。

2.3 硅灰对活性粉末混凝土性能的影响

硅灰对活性粉末混凝土性能的影响见图3。

图3 硅灰对活性粉末混凝土性能的影响

由图3可见，掺加硅灰的混凝土流动度较大，随着硅灰掺量的增加，流动度增大。这是由于硅灰的“滚珠”作用使水泥浆体的流动性增加；另外，由于细小的硅灰粒子填充了水泥颗粒间的空隙，将空隙的间水置换出来，成为自由水，使混凝土材料的流动性提高。

由图3还可以看出，1～3 d龄期时，掺入硅灰的混凝土强度比基准混凝土均有提高，这说明火山灰效应在3 d就产生，使得硅灰有较高的活性。火山灰效应随着龄期的增加而增强，混凝土的强度也大幅度提高。但是对于相同养护龄期，混凝土强度并不是随硅灰掺量增大而提高，硅灰掺量为10%时，各龄期的混凝土强度均最高。

2.4 双掺及三掺对组合砂活性粉末混凝土性能的影响

双掺及三掺对组合砂活性粉末混凝土性能的影响见图4。

图4 双掺及三掺对组合砂活性粉末混凝土性能的影响

由图4可见，无论是双掺还是多掺矿物掺合料，混凝土流动度和抗压强度与基准混凝土相比均有不同程度的提高。双掺硅灰和粉煤灰的混凝土流动度和抗压强度提高幅度均最小，双掺硅灰和矿粉的混凝土抗压强度和流动度提高幅度最大。双掺硅灰和矿粉的混凝土流动度比不掺的提高了47.4%，28 d抗压强度提高了76.9%。双掺硅灰和矿粉的混凝土配合比效果最佳。

3 结语

1）掺加粉煤灰的活性粉末混凝土的流动度比不掺粉煤灰的大，但是随着粉煤灰掺量的增加，流动度减小。活性粉末混凝土早期抗压强度和后期抗压强度均随着粉煤灰掺量的增加而降低。粉煤灰掺量为10%时，效果最佳。

2）活性粉末混凝土的流动度随着矿粉掺量增加而增大；掺量越大，增加的幅度也越大。活性粉末混凝土后期抗压强度随着矿粉掺量的增加而增大的幅度较大。

3）掺加硅灰的混凝土流动度较大，随着硅灰掺量的增加，流动度增大。随着硅灰掺量的增加，混凝土抗压强度增加，后期抗压强度随硅灰掺量增加而增大的幅度较大。对于相同养护龄期，硅灰掺量为10%时，活性粉末混凝土抗压强度均最高。

4）复合掺加掺合料的活性粉末混凝土流动度和强度与基准混凝土相比均有提高。双掺硅灰和粉煤灰的混凝土流动度和强度提高幅度最小，双掺硅灰和矿粉的混凝土强度和流动度提高幅度最大。双掺硅灰和矿粉的混凝土配合比效果最佳。

[1] RICHARD P.Reactive Powder Concrete，a New Ultra-high strength Cementitious Material[C]//Proceedings of the 4th International Symposium on Utilization of High-strength/high-performance Conerete.Paris，1996：1343-1349.

[2] RICHARD P，CHEYREZY M.Composition of Reactive Powder Concrete[J].Cement and Research，1995，25（7）：1501-1511.

[3] ROY D M.Performance and Durability of Concrete and Cement Systems[C]//9th International Congress on the Chemistry of Cement.India：New Delhi，1992：357-380.

[4] 覃维祖，曹峰.一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土[J].工业建筑，1999（4）：16-18.

[5] O′Neil，EDWARD F，DOWD，WILLIAM M.High-Performance Pipe Products Fabricated with Reactive Powder Conerete[C]//Proceedings of the Materials Engineering Conference.ASCE，1996：1320-1329.

[6] DALLAIRE E，AITCIN PC，LACHEMIM.An Example of the Use of Reactive Powder Concrete：The Sherbrooke Pedestrian Bikeway Bridge[C]//Technology Transfer Day：The Specifications and Use of HPC.1997：l-2.

[7] DALLAIRE E，AITCIN PC，LACHEMIM.Reactive Powder Concrete Footbridge[C]//International Conference on High Str-ength Concrete.Hawaii：ASCE，1997：13-18.

[8] 宋少民，未翠霞.活性粉末混凝土耐久性研究[J].混凝土，2006（2）：72-74.