集料类型及颗粒级配对RPC性能的影响

万惠文，戴 鹏，王 银，董群喜

（武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070）

1993年，法国布伊格公司实验室以Pierre Richard为首的研究小组，成功地研制出了一种高韧性、超高强、耐久性和体积稳定性优良的水泥基复合材料，由于其在制备过程中增加了组分的细度与反应活性，因此其被称为活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，缩写为RPC）［1－3］。RPC是基于最紧密堆积理论设计，主要采取以下措施制备的。粒径范围在0.15～0.60mm的石英砂作为集料（不含粗集料），水泥为胶凝材料，硅灰、粉煤灰等作为活性粉末组分，通过优化颗粒级配，改善匀质性，增加密实度，提高组分活性；掺入高效减水剂，降低水胶比；硬化后通过加压、热处理等工艺来改善混凝土的微观结构；加入微细钢纤维来提高混凝土的延性和韧性［4，5］。

在RPC体系中，各组成材料分布均匀，密实度高，抗压、抗折、抗拉和抗弯强度都得到了显著的提高，结构稳定性和耐久性好，非常适合制作人行道挡板、盖板以及电缆槽盖板等制品。由于RPC具有以上优异性能，它一问世就受到了材料科学工作者的极大关注。如法国科学家使用RPC对一座核电厂的冷却塔进行了改造［6］、美国材料研究者将RPC用于下水道系统工程中［3］。我国对RPC的研究起步较晚，研究的成果也不多。白泓、高日［7］除利用水泥和硅灰外，还加入粉煤灰作为活性组分，对RPC的基本性能进行了试验，主要研究了原材料配合比对RPC流动性和强度的影响，同时也对成型时加压强度、养护温度、养护时间对RPC强度的影响进行了研究。在工程应用方面，如北京市五环路石景山转体斜拉桥隔离带使用的无配筋RPC空心板、青藏铁路多年冻土区桥梁上使用RPC材料开发出的新型人行道体系等。

其实，集料在水泥基复合材料中扮演着重要的角色。究其原因主要在于普通混凝土性能的优劣是由基体相决定的，而集料的影响相对较小。随着水泥基复合材料性能的提高（如各种高强、超高强混凝土材料的问世），集料在这些材料中的作用逐渐突出，并备受关注［1，8］。在配制这些混凝土材料时，集料的选择已成为一个重要的影响因素，并有很多学者进行了探讨［8－11］。RPC作为一种超高性能的新型建筑材料，其集料的选择就显得尤为重要。该文研究了细集料（砂）的不同颗粒级配和不同类型对RPC流动性和力学性能的影响，在此基础上，探讨了微集料（石英粉）对RPC性能的影响（文献［12］的研究表明，在温度200℃下RPC中的石英粉不参与反应，可视为微集料），其中包括了四种不同粒径的石英粉。研究为节约资源、降低生产成本、大力推广与应用RPC水泥基复合材料提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：采用华新水泥股份有限公司生产的P·O52.5普通硅酸盐水泥，比表面积为374m2／g，密度为3210kg／m3，其化学成分和物理性能见表1和表2。

硅灰：采用湖北省京山县硅铁厂，灰色粉末，根据 GB／T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》测得其需水量比为123%，火山灰活性指数为109%，化学成分见表3。

细集料（砂）：研究了3种不同类型砂对RPC性能的影响，分别是：①普通河砂：采用武汉当地普通河砂，砂粒磨圆度中等，呈次棱角－次圆状，砂粒粒度欠均匀，表面较光滑，含有少量的白云母和黑云母，SiO2含量为66.2%；将河砂用自来水清洗干净，晒干，剔除粒径＞1.18mm和粒径＜0.15mm的颗粒，其粒级、实测表观密度和堆积密度见表4。②石英砂：采用武汉华夏玻璃制品有限公司生产的石英砂，颗粒多呈多棱形，表面粗糙，SiO2含量为99.8%；剔除石英砂中粒径＞0.60mm和粒径＜0.15mm的颗粒，其粒级、实测表观密度和堆积密度见表5；③标准砂：采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产标准砂，颗粒多呈次圆形，表面较光滑，SiO2含量约为96.5%；剔除标准砂中粒径＞0.60mm和粒径＜0.15mm的颗粒，其粒级、实测表观密度和堆积密度见表6。

表1 水泥的化学成分 w／%

表2 水泥的物理性能

表3 硅灰的化学成分 w／%

表4 河砂粒度分析结果

表5 石英砂粒度分析结果

表6 标准砂粒度分析结果

石英粉：采用武汉华夏玻璃制品有限公司生产的磨细石英粉，研究了四种不同粒径石英粉对RPC性能的影响，粒级分别是：100目、200目、325目、400目，其SiO2含量约为99.8%，实测密度为2.630g／cm3。

高效减水剂：北京世纪洪雨科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，其特征状态为黄色透明液体，固含量25%，减水率在27.6%。

钢纤维：武汉新途工程纤维制造有限公司生产的表面镀铜光面平直钢纤维，直径为0.22mm，长度为13～15mm，长径比为58～68，抗拉强度约为1200MPa。

水：自来水。

1.2 基准配合比的确定

众所周知，水泥与水拌合后，水泥熟料矿物首先发生水化反应，其中，C3S和C2S的水化产物为水化硅酸钙和氢氧化钙。水化硅酸钙凝胶粒子具有巨大的比表面积及刚性凝胶特征，且其粒子间存在范德华力与化学结合键，具有较高的强度；而氢氧化钙晶体往往仅是起到填充的作用，又因其为层状构造，层间结合程度较弱，在受力较大时，其为裂缝的策源地。若要使氢氧化钙全部转化成雪硅钙石，钙和硅的摩尔比为0.83，则换算成氧化钙和氧化硅的质量比为0.78。把水泥中已含有的氧化钙和氧化硅计算在内，大致得到氧化硅的加入量应为水泥质量的0.613～0.644［13］。有文献建议氧化硅的掺入量为水泥质量的0.62［1］，即磨细石英粉和硅灰的总用量与水泥用量质量比为0.62。当硅灰和水泥的质量之比为0.25左右时，硅灰和水泥构成的二元体系浆体的密实度基本达到最高值［14］，表明此时硅灰能够充分地填充水泥颗粒之间的空隙。因此，硅灰和水泥的质量之比取为0.25，磨细石英粉和水泥的质量之比为0.37，则基准配合比（质量比）为：硅灰∶磨细石英粉∶水泥＝0.25∶0.37∶1。在该试验中取砂的掺量与水泥的掺量相同，钢纤维掺量采用体积掺量计算，掺量为1.0%，高效减水剂的掺量为1.0%（折固后），水胶比为0.25。

1.3 试件的制备及测试方法

1.3.1 搅拌方式

采用水泥胶砂搅拌机，手动控制搅拌时间，将水泥、硅灰、石英粉、砂倒入搅拌锅内，先预拌3min，然后加入溶有减水剂的90%用量的水，搅拌3min；最后倒入剩余的溶有减水剂的水，再搅拌3min；若掺有钢纤维，则最后加入钢纤维再搅拌3～5min。

1.3.2 成型及养护

试样搅拌完成后，将拌合物分两次浇注于40mm×40mm×160mm三联胶砂试模中，每层在砂浆振动成型试验台上振动120次成型试件；拌合物成型后对其进行抹面，并用保鲜膜覆盖，静停24h后拆模。采取两种养护制度：①标准养护：将脱模的试件放入混凝土标准养护箱中进行标准养护，湿度95%以上，温度（20±2）℃，养护至28d；②蒸汽养护：将脱模的试件放入水泥混凝土快速养护箱中进行蒸汽养护，养护温度（90±5）℃，水温在6h内从室温升温到90℃，试件恒温蒸养48h，降温速度约为15℃／h，冷却到室温再进行力学性能的测试。

1.3.3 测试方法

试件的抗折、抗压强度根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》（GB／T 17671—1999）进行测定，拌合物的流动度根据《水泥胶砂流动度测定方法》（GB／T 2419—2005）进行测定。

2 试验结果及分析

2.1 细集料颗粒级配组成的确定

RPC是在最大密实理论的基础上制备出来的，因此必须要考虑到所使用的细集料（砂）的级配，用以确定最有利于RPC强度的颗粒级配。试验采用表4中河砂（3种粒级）、表5中石英砂（2种粒级）和表6中标准砂（2种粒级）的4种不同组合：（a）1＃＋2＃＋3＃（河砂）；（b）1＃＋2＃（河砂）；（c）4＃＋5＃（石英砂）；（d）6＃＋7＃（标准砂）。各级砂子的用量基于集料的最大密实度［15］进行计算。

设粗砂、中砂和细砂的表观密度分别为ρ1、ρ2、ρ3，堆积密度分别为ρ11、ρ22、ρ33，则单位体积粗砂的质量为：M1＝1×ρ1＝ρ1；

粗砂的空隙率为：V1＝（1－ρ11／ρ1）×100%；

单位体积粗砂内的空隙率为V1，可以掺入中砂的质量为：M2＝ρ2×V1；

则中砂的空隙率为：V2＝V1×（1－ρ22／ρ2）×100%；

V1体积内中砂的空体积为V2，可以掺入细砂的质量为：M3＝ρ3×V2；

则颗粒级配为：粗砂∶中砂∶细砂＝M1∶M2∶M3；

组合（a）、（b）、（c）和（d）按上述方法进行计算，结果见表7。

表7 各粒径范围砂的质量比

2.2 普通河砂颗粒级配对RPC性能的影响

细集料颗粒级配及类型对RPC性能影响的试验配比及结果见表8。

表8 细集料级配及类型对RPC性能的影响

由表8中组A1、组A2的对比可知：粒径范围在0.15～1.18mm的普通河砂配制的RPC拌合物的流动性要优于粒径范围在0.15～0.60mm之间的该种砂配制的RPC拌合物的流动性，在蒸汽养护条件下，后者配制的RPC试件的抗折强度高出前者约8.3%，抗压强度高出约10%，表明粗颗粒的存在有利于提高RPC拌合物的流动性，但不利于RPC强度的发展。其主要原因在于，与细颗粒相比，粗颗粒的比表面积小，有利于提高RPC拌合物流动性，但其内部存在较多的缺陷，不利于提高RPC的力学强度。相同配比试件采用蒸汽养护得到的抗折、抗压强度要高于标准养护，其主要原因在于，蒸汽养护提高了RPC组分的活性，并改善了其内部的微观结构。

2.3 细集料类型对RPC性能的影响

细集料类型对RPC拌合物流动性影响的试验结果见图1，由图1可知：粒径范围在0.15～0.60mm之间的标准砂配制的RPC拌合物的流动性最好，同粒径范围的普通河砂配制的RPC拌合物的流动性次之，同粒径范围的石英砂配制的RPC拌合物的流动性最差。上述试验结果主要与细集料的外观形貌有关，标准砂颗粒多呈次圆形，普通河砂颗粒多呈次圆形、部分呈片状，而石英砂颗粒多呈多棱形、部分为次圆形，圆形颗粒有利于提高流动性，片状、多棱形颗粒不利于提高流动性。

细集料类型对RPC抗折、抗压强度影响的试验结果分别见图2和图3，由图2和图3可知：相同配比试件采用蒸汽养护得到的抗折、抗压强度要高于标准养护，表明了蒸汽养护有利于提高RPC的强度；粒径范围在0.15～0.60mm之间的3种细集料配制的RPC的抗折、抗压强度相差不多，蒸汽养护条件下，采用石英砂配制的RPC试件的抗折强度比采用普通河砂的高出约9.2%，抗压强度高出约8.4%，采用标准砂的抗折强度比采用普通河砂的高出约3.1%，抗压强度高出约3.7%，表明可以采用普通河砂代替石英砂或者标准砂进行RPC的配制。

2.4 微集料粒径对RPC性能的影响

微集料粒径对RPC性能影响的试验配比及结果见表9。

表9 微集料粒径对RPC性能的影响

微集料粒径对RPC拌合物流动性影响的试验结果见图4，由图4可知：未掺石英粉的RPC拌合物的流动性最好，随着石英粉粒径的减小，RPC拌合物的流动性逐渐降低；原因在于：随着石英粉粒径的减小，颗粒的比表面积增加，不利于流动性的提高。

微集料粒径对RPC抗折、抗压强度影响的试验结果分别见图5和图6，由图5和图6可知：相同配比试件采用蒸汽养护得到的抗折、抗压强度要高于标准养护，表明了蒸汽养护有利于提高RPC的强度；未掺石英粉配制的RPC的抗折、抗压强度最低，随着石英粉粒径的减小，RPC的抗折、抗压强度先增加后降低，石英粉粒径为325目时，其强度达到最大，蒸汽养护条件下，抗折强度为19.8MPa，抗压强度为135.4MPa，比未掺石英粉时的抗折、抗压强度分别高出16.5%、17.2%，表明制备RPC时需掺入石英粉，且石英粉的适宜粒径为325目。

3 结 论

a.在RPC制备过程中，应剔除细集料中的粗颗粒（粒径＞0.60mm），通过优化颗粒级配，可以采用普通河砂代替石英砂或者标准砂作为细集料，以降低生产成本；

b.制备RPC时，应掺入石英粉作为微集料，以提高RPC的力学性能，且石英粉的适宜粒径为325目；

c.采用蒸汽养护制度，有利于增加RPC活性组分的活性，提高RPC的力学性能。

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