不同活性掺合料RPC力学性能试验研究

何 培，金凌志



不同活性掺合料RPC力学性能试验研究

*何 培1,2，金凌志1,2

（1.广西岩土力学与工程重点实验室，广西，桂林 541004；2. 桂林理工大学，广西，桂林 541004)

为了研究不同活性掺合料的活性粉末混凝土（RPC）在不同养护温度条件下的基本力学性能，分别对24组不同养护温度、不同活性掺合料的RPC试件，进行抗压强度和抗折强度试验。结果表明：同一种活性掺合料替代硅灰比例相同时，高温养护条件下的RPC试件力学性能优于常温养护条件下的RPC试件；在相同温度下，不同活性掺合料替代硅灰比例为40%~60%时，RPC试件抗压强度大小依次为：粉煤灰>微硅粉>石英砂；活性掺合料种类和替代硅灰比例的改变对RPC试件抗折强度影响不是很大；钢纤维的掺入对RPC试件的强度有一定的提高作用。

活性粉末混凝土；养护温度；抗压强度；抗折强度

随着混凝土需求量的与日俱增，结构对混凝土质量的要求也越来越高。良好的力学性能、减轻结构自重、增强结构的耐久性一直是钢筋混凝土结构中倍受关注的课题。活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称为RPC）是一种具有超高强度、高韧性、高耐久性的新型水泥基复合材料[1]。在不同养护方法、配比和成型的条件下，RPC具有优良的抗压和抗折性能[2-3]。近年来，国内外一些科研机构和高校都对RPC的基本力学性能进行了大量的试验研究。徐强等人[4]采用电液伺服阀控制的刚性试验机对不同钢纤维含量和养护条件下的RPC进行立方体抗压试验与轴心抗压试验，确定了RPC的强度等级和轴心抗压强度，提出了相应的计算本构模型。屈文俊等人[5]进行了一系列RPC力学性能试验和试验数据分析，结果表明：RPC棱柱体应力-应变关系曲线接近于直线，其力学性能总体优于普通混凝土。吕进[6]等人利用不同直径、抗拉强度、外型的钢纤维分别掺入RPC中，对RPC的力学性能进行了试验对比分析，结果表明：掺入异型钢纤维后，RPC具有更高的力学性能，随着钢纤维直径的减少，RPC抗拉强度得到一定提高。Halit Yazic[7-8]等人对含掺合料的RPC试件力学性能进行研究，试验结果表明：通过使用矿物掺合料替代部分水泥，可以降低RPC的收缩变形，提高其抗压强度。

本试验采用电液式压力试验机YAW—2000B型进行RPC立方体抗压强度检测，利用100TB型屏显液压万能材料试验机进行RPC抗折强度检测,利用扫面电镜试验观察RPC内部钢纤维与基体的黏结情况。基于试验结果，试验对不同活性掺合料，在不同养护温度下的RPC试件的抗压、抗折性能情况进行了研究，分析了不同活性掺合料在不同替代比例下对RPC试件的抗压、抗折性能与养护温度之间的内在关系。

1 试验概况

1.1 试件的原材料配比

根据试验要求，活性粉末混凝土标准配合比（仅限本文）、粉煤灰、石英粉、硅微粉替代不同比例硅粉的配合比（质量比）见表1。

表1 RPC试件材料质量配合比

注：S表示未替代任何活性掺合料试件，A表示粉煤灰替代不同比例硅灰的RPC试件，B表示石英粉替代不同比例硅灰的RPC试件，C表示微硅粉替代不同比例硅粉的RPC试件。

混凝土原材料选用：

(1)水泥：广西兴安海螺牌52.5普通硅酸盐水泥；

(2)石英砂：SiO2含量99.6 %，粒径0.4~0.6 mm；

(3)硅粉：SiO2含量82.22 %，平均粒径0.1 μm，比表面积15000~20000m2/ kg；

(4)硅微粉：SiO2含量96.47 %，平均粒径0.1~0.3 μm，比表面积8000 m2/kg；

(5)石英粉：SiO2≥ 99% 粒径4 μm以下；

(6)钢纤维：采用镀铜光面平直钢纤维，长度约13 mm，直径约0.15~0.2 mm，抗拉强度＞2000 MPa。

1.2 试件制备和养护

(1)按照不同配合比，将材料分批次放入搅拌机中充分干拌；

(2)干拌2~3 min，然后将水与高效减水剂加入搅拌机内，继续搅拌4~5 min；

(3)分批次掺入钢纤维，搅拌至钢纤维分布均匀；

(4)将搅拌好的材料一次性装入模具中，并同时振捣密实，直到混凝土表面出浆为止；

(5)试件成型后（如图1），用湿润后的木屑覆盖，恒温恒湿条件下养护24 h后拆模，分别置于45 ℃、75 ℃下进行恒温养护。

图1 成型后的RPC试件

1.3 试验加载方案

将养护好的立方体试块和棱柱体试块擦拭干净，测量其尺寸并检查外观是否有明显缺陷。尺寸测量精确到1 mm，如过实际测量的尺寸与公称尺寸相差不到1 mm，可按公称尺寸来进行计算。将RPC立方体试块安放在试验机的下压板上，试块的承压面与下压板中心对准。启动试验机，加载过程中连续均匀的加载，加载速度取为1.2 MPa/S，直至试件破坏，记录下破坏荷载F。将RPC棱柱体试块安放在试验机上，采用三分点处双点分级加载，当上压板与压头快接近时，调整加压头及支座，使接触均衡，加载过程中连续均匀的加载，加载速度取为0.2MPa/S，直至试件破坏，记录下破坏荷载F。

2 RPC力学性能试验

由于我国还没RPC试块大小的相关规范或标准，利用《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB.T50081－2002)[9]进行RPC试块的抗压、抗折试验检测。

2.1 RPC抗压试验

分别用3块养护45 ℃和75 ℃的100 mm × 100 mm × 100 mm的RPC立方体试块测定立方体抗压强度f。将养护好的RPC立方体试块擦拭干净，放在试验机的下压板上，试块的承压面与下压板中心对准。启动试验机，加载过程中连续均匀的加载，加载速度取为1.2 MPa/S，在未达到峰值时与普通混凝土有区别，没有出现混凝土崩裂，而是出现弥散状的裂缝并同时听到钢纤维被拔出的“噼啪”声。试件破坏后RPC试件仍然保持为一个整体，试件破坏形态见图2。

图2 RPC立方体试件破坏形态

RPC立方体轴心抗压强度按下式计算：

式中：f表示RPC立方体试件抗压强度（MPa）；

F表示试件破坏荷载（N）；

A表示试件承压面积（mm2）。

试验取3个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值(精确至0.1 MPa)。3个测值中的最大值或最小值如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则舍去最大值和最小值取中间值。如最大值和最小值与中间值的差值均超过中间值的15 %，则该组试件的试验结果无效。

2.2 RPC抗折试验

分别用3块养护45 ℃和75 ℃的100 mm × 100 mm × 400 mm的RPC试块测定抗折强度f。将养护好的RPC试块擦拭干净，放在试验机上，采用三分点处双点分级加载（见图3），当上压板与压头快接近时，调整加压头及支座，使接触均衡。启动试验机，加载过程中连续均匀的加载，加载速度取为0.2 MPa/S。RPC试件首先在三分点内受拉区边缘出现第一条裂缝，随着荷载的增加，RPC试件表面不断出现细小的裂纹，而第一条裂缝沿着梁的高度不断发展，试件在接近破坏时会听见钢丝被拔出的“噼啪”声。当试件接近破坏开始急剧变形时，应停止调整试验机油门，直至破坏，然后记录破坏荷载。试件破坏形态见图4。

图3 RPC抗折试验受力形态

图4 RPC试件抗折破坏形态

RPC长方体抗折强度按下式计算：

式中：f表示RPC抗折强度（MPa）；

表示试件破坏荷载（N）；

表示支座间跨度N（mm），试验取=300 mm；

表示试件截面高度（mm），试验取=100 mm；

表示试件截面宽度（mm）, 试验取=100 mm。

试验取3个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值(精确至0.1 MPa)。3个测值中的最大值或最小值如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则舍去最大值和最小值取中间值。如最大值和最小值与中间值的差值均超过中间值的15%，则该组试件的试验结果无效。3个抗折强度试件中如有一个其裂缝出现于两个集中荷载之外(以受拉区为准)，则将该试件的实验结果舍弃，抗折强度应按另两个试件的实验结果计算。如有两个试件的裂缝均超出两个集中荷载之外，则该组实验无效。

3 试验结果及分析

3.1 掺粉煤灰RPC试验结果及分析

从图5可以看出养护温度为75 ℃的RPC试件抗压强度和抗折强度明显高于养护温度为45 ℃的RPC试件。当粉煤灰替代硅灰比例为0~20 %时，养护温度为45 ℃和75 ℃的RPC试件抗压强度随替代比例的增加而减小，当粉煤灰替代硅灰比例为20 %~40 %时，不同养护温度下的RPC试件抗压强度随着替代比例的增加而增加，随着粉煤灰替代硅灰比例超过40%后，RPC抗压强度随着替代比例的增加而减少。当粉煤灰掺量40 %时，养护温度为75 ℃的RPC试件抗压强度比养护温度为45℃的标准RPC试件提高了5 %左右。RPC抗折强度随着替代比例的增加而呈一定的降低趋势。当粉煤灰替代硅灰比例在20%~40 %时，不同养护温度的RPC试件抗折强度差距不大。Scheubel[10]等人和Matte[11]等人通过实验研究发现，增加粉煤灰替代硅灰在RPC中的比例，可相应地提高RPC的抗压强度。但是，硅粉和粉煤灰对RPC强度的提高存在着很大的差异。

RPC的早期抗压强度主要有硅灰影响，粉煤灰的早期活性较低，所以对RPC的早期强度提高作用不大。而在高温养护条件下，粉煤灰的火山灰效应在一定程度上得到了激发，在一定程度上降低了Ca(OH)2的含量，生成更多的C－S－H凝胶，达到改善界面区的微观结构，提高浆体的密实性，从而使RPC的抗压强度和抗折强度有一定提高。

图5 不同养护温度、粉煤灰替代不同硅灰比例的RPC抗压、抗折强度

3.2 掺石英粉RPC试验结果及分析

图6中可以看出，当养护温度相同时，随着石英粉掺量的增加，RPC的抗压强度和抗折强度都有所降低，降低趋势比较均匀，而并没有像粉煤灰替代不同比例硅灰的RPC试件的抗压强度和抗折强度有明显的“跳跃点”。在石英粉替代硅灰比例相同的条件下，养护温度越高，RPC试件的抗压强度和抗折强度越高。在高温养护条件下，掺石英粉的RPC强度有所提高，但是从整体上看，增加的幅度不高。当石英砂替代为20 %、40 %、60 %时，75 ℃养护条件比45 ℃养护条件下的RPC试件的抗压强度（抗折强度）分别提高了5.8 %（9.8 %）、3.5 %（6.6 %）、1 %（3.4 %），提高率逐渐减少。

石英粉火山灰效应需要的温度要200 ℃以上，当在标养条件下配制RPC时，石英粉的火山灰活性并没有像硅粉那样发挥出来，同时，硅粉为无定型球状颗粒，具有较好的球形形态，而石英粉为多棱角颗粒，摩擦较大，在相同的水胶比条件下，掺石英粉的RPC浆体的流动较差，不利于RPC的成型密实，从而使RPC的强度降低。

图6 不同养护温度、石英粉替代不同硅灰比例的RPC抗压、抗折强度

3.3 掺硅微粉RPC试验结果及分析

图7中可以看出，当养护温度相同时，随着硅微粉替代硅粉比例的增加，PRC试件的抗压强度和抗折强度逐步降低。当替代比例相同的情况下，75 ℃养护条件下的RPC试件抗压强度和抗折强度大于45 ℃养护条件下的RPC试件。随着硅微粉替代硅灰比例的增加，RPC试件的抗压强度和抗折强度降低趋势有所减缓。

虽然微硅粉和硅粉有着几乎相同的化学成分，但其火山灰活性比硅灰差，这是由于硅微粉的需水性小，随着硅微粉取代硅粉比例的增大，相对增加了有效参与水化反应的用水量，从而使整个浆体内自由水增加，使RPC的抗压强度和抗折强度降低。在高温养护条件下，硅粉与硅微粉的火山灰效应都得到了更好的激发，可以有效降低Ca(OH)2的含量，同时生成大量C－S－H凝胶，达到改善界面区的微观结构，提高浆体的密实性，从而使RPC的抗压强度和抗折强度得到提高。

图7 不同养护温度、微硅粉替代不同硅灰比例的RPC抗压、抗折强度

4 不同材料替代硅粉RPC结果对比分析

如图8所示，养护温度为45 ℃，不同掺合料替代硅灰比例为20 %时，硅微粉替代硅灰的RPC试件抗压强度高于粉煤灰和石英粉替代硅灰的RPC试件，但他们之间的差异不是很大。随着活性掺合料替代比例的增加，粉煤灰替代硅灰的RPC试件的抗压强度和抗折强度明显优于石英粉和硅微粉的RPC试件。随着不同活性掺合料替代硅灰比例的增加，各活性掺合料的RPC试件抗折强差异逐渐减少。

图8 养护温度45℃、替代不同比例硅灰RPC抗压强度、抗折强度对比

注:A—粉煤灰替代试件，B—石英粉替代试件，C—硅微粉替代试件。

如图9所示，在同一种掺合料替代硅灰比例相同时，养护温度为75 ℃的RPC试件的抗压强度和抗折强度大于养护温度为45 ℃的RPC试件。养护温度的提高，能够加速水泥水化进程，提高混凝土早期强度，在高温状态下水泥水化产物水化硅酸钙失去一部分水分，转化成具有更大密实度的硬硅钙石，进一步增加强度[6]。养护温度为75 ℃时，粉煤灰替代硅灰比例为40 %，其抗压强度为142.7 MPa分别高出替代比例为20 %和60 %的RPC试件抗压强度的7.5 %和11.9 %，因此，当配制掺有粉煤灰的RPC时，粉煤灰替代硅粉的比例不宜超过40 %。

随着不同活性掺合料替代硅灰比例的增加，RPC试件的抗折强度该变量不是很明显。所以活性掺合料种类的改变和替代硅灰比例的改变对RPC试件抗折强度影响不是很大。

图9 养护温度75℃、替代不同比例硅灰RPC抗压强度、抗折强度对比

注:A—粉煤灰替代试件，B—石英粉替代试件，C—硅微粉替代试件。

5 钢纤维对RPC力学性能的影响

如图10所示，通过电镜扫描图片可看出，许多细微颗粒粘附在钢纤维表面，由于钢纤维具有高弹性模量与RPC基体之间的黏结力具有一定的阻止裂缝开展的作用。当RPC在外荷载作用下，试件首先出现一些细小的裂纹，裂缝的尖端尺寸下，应力高度集中，但由于钢纤维强度远远大于RPC基体，故钢纤维可以起到桥接和销栓的作用，阻止裂缝的开展[12]。当混凝土中掺入钢纤维后，钢纤维的桥接作用限制了混凝土在高温条件下产生的体积变化，减轻了混凝土内部微缺陷的引发和扩张，在一定程度上对RPC高性能的劣化起到了缓和作用。由于普通混凝土具有很大的脆性，而在RPC试件中加入一定量的钢纤维可以有效的减少混凝土的脆性。混凝土一般具有较高的抗压强度，而抗拉强度是非常低的，但活性粉末混凝土的抗拉强度与抗压强度之比一般在1/8左右[13]，与普通混凝土相比已有很大的提高。因此，钢纤维的加入可以有效的提高RPC的强度。

图10 钢纤维在RPC中的分布情况

6 结论

（1）不同活性掺合料替代不同比例硅粉的抗压、抗折试验，每种掺合料的掺入都对RPC的力学性能有一定的影响。随着活性掺合料替代硅粉比例的不断增大，RPC的强度随之减小。

（2）在相同温度下，不同活性掺合料替代硅灰比例为40 %~60 %时，RPC试件抗压强度大小依次为：粉煤灰>微硅粉>石英砂。

（3）相同掺合料替代硅灰比例相同的条件下，养护条件为75 ℃时的RPC试件的强度大于养护条件为45 ℃的RPC试件。

（4）随着不同活性掺合料替代硅灰比例的增加，RPC试件的抗折强度该变量不是很明显。活性掺合料种类的改变和替代硅灰比例的改变对RPC试件抗折强度影响不是很大。

（5）掺入一定量的钢纤维对RPC试件的抗压强度和抗折强度具有一定的提高作用。

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DIFFERENT ACTIVE ADMIXTURE MECHANICAL PROPERTIES OF RPC

*HE Pei1，JIN Ling-zhi1

(1.Civil Engineering College, Guilin University of Technology, Guilin,Guangxi 541004, China)

In order to study on different active admixture of reactive powder concrete (RPC) at different curing temperatures of the basic mechanical properties, the compressive strength and flexural strength experiment were carried out at 24 different curing temperatures, different active admixture RPC specimens respectively.The results show that the high temperature curing conditions of the RPC is better than the room temperature mechanical properties of the specimen under curing conditions RPC specimens with the same reactive admixture ratio with silica fume replacement. At the same temperature, different active silica fume admixture alternative ratio of 40% to 60%, RPC specimen compressive strength in the order which is Fly, silica fume, quartz sand. The reactive admixture type and proportion of silica fume substitution changes on the flexural strength of the specimen affected RPC is small. The incorporation of the RPC steel fiber specimens can increase the strength of a certain effect.

RPC; curing temperature; compressive strength; flexural strength

1674-8085(2014)01-0084-07

TU528

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.01.017

2013-10-15；

2013-12-05

国家自然科学基金项目(51368013)；广西科技攻关项目(桂科攻0995004)；广西重点实验项目(11-cx-04)

*何 培(1988-)，男，湖北孝感人，硕士，主要从事结构工程研究(E-mail: 519228954@qq.com);

金凌志(1959-)，女，广西桂林人，教授，主要从事结构工程研究(E-mail: JLZ-5904@163.com).