活性粉末混凝土(RPC130和RPC160)的试验研究

袁宇鹏

(1.四川省建材工业科学研究院，四川 成都 610081；2.四川省材科院检验检测有限公司，四川 成都 610081)

0 前 言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC)是在现代材料科学领域和混凝土技术领域迅速发展的基础上衍生出来的一种高性能工程新材料，它具有低脆高韧、超高强度、耐久性优异、体积稳定性良好的特点，在国防工程、海港桥梁、管道运输以及对抗震性和耐腐蚀性要求较高的建筑工程领域具有广阔的应用前景。它是由水泥、粉煤灰、石英砂、硅粉、高性能减水剂等组成，剔除粗骨料，通过提高组分的细度与活性，使材料内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减少到最低程度，以获得超高力学性能和高耐久性[1-4]。在RPC的凝结、硬化过程中采取适当的加压、加热等成型养护工艺，可加速活性分体的水化反应，强化水化产物的结合力。本文分析水胶比、胶材组成、砂胶比、钢纤维掺量等因素对RPC强度和工作性的影响。

1 原材料

1)水泥。P.O52.5R，表观密度3 150 kg/m3。

2)粉煤灰。Ⅰ级，表观密度2 310 kg/m3。

3)硅粉。活性指数140，表观密度2 330 kg/m3。

4)石英砂。10～20目、20～40目、40～70目，表观密度2 650 kg/m3。

5)标准砂。厦门ISO标准砂。

6)高性能减水剂。聚羧酸系，减水率40%。

7)钢纤维。长度10～13 mm，直径0.5 mm。

8)水。普通饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的规定。

2 试 验

2.1 配制目标

1)RPC130：抗折强度≥18 MPa，抗压强度≥130 MPa。

2)RPC160：抗折强度≥22 MPa，抗压强度≥160 MPa。

2.2 活性粉末混凝土的试配

2.2.1 胶材组成的选择

以水泥、标准砂、硅粉、粉煤灰、高性能减水剂为原材料，为简化试验繁杂程度，均以质量比例出发，胶砂比为1.25，以寻求合适的胶材组成，按照表1中的配合比进行试配。养护制度为：标准条件下静停24 h脱模，25 ℃/h升温至90 ℃恒温72 h，再25 ℃/h降至室温后标养至28 d。试件为40 mm×40 mm×160 mm胶砂试件。

表1 胶材组成的选择试验

经上述试验，初步选定1号～3号作为RPC160的配合比的胶材比例(水泥∶硅灰∶粉煤灰=64∶16∶20)，1号～5号作为RPC130的配合比的胶材比例(水泥∶硅灰∶粉煤灰=42∶18∶40)。

2.2.2 石英砂级配的优化

对于大掺量活性粉末混凝土来讲，砂子是其中唯一的骨料，合理的砂子级配，不仅满足使砂粒之间的空隙达到最小，同时也能使混凝土的均匀性更高。本试验采用的砂子粒径为10～20目、20～40目、40～70目的三种石英砂颗粒。应用黄兆龙密实堆积配合比设计法，从球体最紧密堆积理论出发，调整三种颗粒级配，使得三种骨料组分实现最紧密堆积，改善大掺量矿物细粉活性粉末混凝土的孔结构，减小孔隙率，提高大掺量矿物细粉活性粉末混凝土的早期力学性能[5]。

经反复试验和理论计算，最终确定三种石英砂的级配比例为10～20目∶20～40目∶40～70目=60∶16∶24。

2.2.3 砂胶比的选择

砂胶比对混凝土强度的影响涉及混凝土内部结构的匀质性问题。RPC胶凝材料量较多，对其体积稳定性可能造成不利影响，因此有必要控制浆体数量，确定RPC中最佳的浆骨比，从而提高RPC的体积稳定性。本试验为选择较为理想的砂胶比，通过表2的配合比试验来确定，试件为40 mm×40 mm×160 mm胶砂试件。

表2 砂胶比的选择试验

通过上述试验可以看出，在水胶比不变的情况下，砂胶比在1.25～1.50时强度处于一个峰值区间，当砂胶比增大到1.62时强度降低；另外，为降低胶凝材料用量，特别是降低水泥用量，最终选择砂胶比为1.50。

2.2.4 水胶比的选择与钢纤维的掺量

一般来说，RPC的抗压强度随着水胶比的增加而减小，对于RPC来说，水胶比宜为0.16～0.20。水胶比太小时，RPC拌合物的黏性很大，在振捣过程中不容易密实，也会影响RPC的抗压强度。因此，在配制RPC时不应该一味地追求低水胶比，而应该综合考虑水胶比和拌合物对模具的可填充性，在此基础上选择最佳的水胶比，以达到较高的强度。

另外，为增加RPC的抗拉强度与韧性，选择向RPC掺入钢纤维。钢纤维对RPC的作用在于它能够阻碍混凝土基体内部微裂纹的产生、扩展，显著提高RPC的韧性、延性和抗弯强度，有效地避免无征兆的脆性破坏的发生。不同钢纤维含量对RPC的强度有影响，钢纤维掺量越大，混凝土的28d抗压强度越大，抗弯强度也越大。钢纤维掺量对抗弯强度的影响比对抗压强度的影响更明显，这是因为钢纤维的增强作用只有在试件受力达到抗压强度之后，裂缝扩展到水泥石之中才得以发挥，这就是试件抗弯时在出现裂缝后，抗弯强度还能继续上升的原因。但也不是钢纤维掺得越多越好，掺得太多会降低混凝土的和易性、增加成本，而且也不能全部发挥作用。考虑和易性及强度因素，综合考虑选择钢纤维掺量。为此，通过表3～4的配合比试验，选择合适的水胶比和钢纤维掺量。

表3 RPC160水胶比和钢纤维掺量的选择试验

表4 RPC130水胶比和钢纤维掺量的选择试验

通过上述试验，确定RPC160水胶比为0.17，钢纤维掺量为3.0%；RPC130水胶比为0.18，钢纤维掺量为1.5%。

3 配合比确定

按上述所有试验确定的各参数，成型100 mm×100 mm×100 mm的抗压强度试件，100 mm×100 mm×400 mm的抗折强度试件，其养护制度为：标准条件下静停24 h脱模，25 ℃/h升温至90 ℃恒温72 h，再25 ℃/h降至室温后标养至28 d。配合比及28 d强度结果如表5。

表5 RPC130和RPC160最终配合比及力学性能

4 结 论

1)RPC的抗压强度随着水胶比的增加而减小，采用0.17和0.18水胶比可分别配制RPC160和RPC130混凝土。

2)钢纤维的掺入，使得活性粉末混凝土的强度得到明显提高，但钢纤维不是掺得越多越好，掺量太大会降低混凝土的工作性。

3)在水胶比不变的情况下，砂胶比在1.25～1.50时,强度处于一个峰值区间，当砂胶比增大到1.62时,强度明显降低。

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