采用机制砂制备RPC100的抗压和抗折性能研究

熊竑瑞 陈 杰 邬文祥 徐国林

（西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650244）

0 引言

活性粉末混凝土（RPC）是一种新型材料，具有优异的工作性能，一直受到国内外学者的广泛重视与关注，在道路、市政、桥梁、核电和军事工程等领域具有广泛的应用前景。在RPC的制备中，效仿高致密水泥基均匀体系，将其中的粗骨料剔除，换用最大粒径为400μm~600μm的石英砂作为骨料，掺入适量短纤维和硅灰等活性矿物掺料，通过成型施压、热养护等工艺制备性能优异的水泥基复合材料。虽然RPC具有优异的性能，但是其采用的是特殊的制备原料和特殊养护工艺，增加了RPC的成本。在制备RPC的过程中，集料一般采用石英矿石制备的石英砂，这是导致RPC成本增加的原因之一，如果将石英砂替换为更易获得的机制砂，则可以降低成本。

陈毅卓等人尝试用同掺量的标准砂代替石英砂制备RPC，结果表明，在抗压强度上，代替部分石英砂制备的RPC不比全部采用石英砂制备的RPC低，为代替石英砂制备RPC提供了可能性。为了降低RPC的制备成本，该文设计试验采用机制砂完全代替石英砂制备RPC，并对其抗折强度和抗压强度进行检测分析。

1 原材料与仪器设备

1.1 原材料

活性粉末混凝土是一种成分较多的复合材料，其成分的种类和性质对性能有很大影响。因此，根据特定的特性需要，合理选用原料：1）水泥是RPC中最主要的原料，是能溶解于水中并硬化的水硬性胶凝材料，按用途和性质分类可分为通用水泥、专用水泥和特种水泥三大类。该试验使用的是标号为42.5的普通硅酸盐水泥。2）机制砂是由母岩经过破碎加工分制成的粒径不大于4.75mm的岩石颗粒，由于生产机制砂的矿源分布在不同区域且生产加工机制砂的设备和工艺不同，因此生产的机制砂虽然都符合国家技术标准，但是机制砂粒形和级配可能会有很大区别。该试验筛分出0.16~2.25mm粒径的机制砂用于制备RPC。3）机制砂因粒型的原因，拌和过程中需要较多的水，同时由于机制砂中含有石粉、泥块等杂质，导致拌和过程中和易性稍差，易产生泌水。该使用的外加剂中有山东化学公司的聚羧酸型减水剂。4）该机制砂制备RPC试验中掺入的矿物掺合料有硅灰和粉煤灰。硅灰对提高水泥混凝土的力学性能有显著的作用。粉煤灰在混凝土中属于活性物质，能够使凝胶材料间的缝隙变得更小，填充缝隙后能够提高拌合物密度以及其均匀性。5）在钢纤维RPC中，纤维的分布主要是为了防止微裂缝在RPC中的传播，在受荷作用初期（拉弯），混凝土基础材料和纤维都受到了外力的作用，而在混凝土开裂后，纤维在混凝土内部起到跨缝连接的作用，这时纤维受到的拉力更大，将阻止裂缝进一步发展。该试验中将掺入适量的钢纤维，以提高RPC的性能。

1.2 仪器设备

该试验所采用的仪器设备见表1。

表1 仪器设备

2 机制砂RPC的制备与检测

2.1 机制砂RPC的制备

在制备RPC时，计算配合比是前期准备最基本的工作，计算合理的配合比能大大提高活性粉末混凝土的整体性、均匀性，从而提高RPC的抗折性能、抗压性能、耐久性等，为制备RPC提供理论上的支撑。活性粉末混凝土和普通混凝土最大的不同体现在两方面：一方面，RPC中的粗骨料用细集料代替，另一方面，活性粉末混凝土中加入了矿物掺合料的活性物质，同时也加入了纤维料，目前应用最广泛的纤维种类是钢纤维。该试验配合比设计参考了根据鲍米罗公式改进的活性粉末混凝土强度预测公式，改进的公式中考虑了矿物掺和料（活性掺合料）和钢纤维掺量对RPC强度的影响。

式中：f-活性粉末混凝土预测强度（MPa）；f-同等养护条件下的水泥强度（计算时水浴养护条件下的水泥强度取32.5MPa，蒸汽养护条件下的水泥强度取42.5MPa）；，-回归系数，=0.6，=1.29/-混凝土胶水比；为骨胶比影响系数,见式（2）。

式中：为集胶比。为胶凝材料级配影响系数，根据混凝土的最大密实度理论，当配合比满足水泥体积占总粉量体积的60%至70%时，硅灰质量和水泥质量的比值为0.2至0.3，即（硅灰）/（水泥）=0.2~0.3；矿渣质量和水泥质量比值在0.15~0.30，即（矿渣）/（水泥）=0.15~0.3。满足以上所有条件时，可以直接取=1。

是钢纤维对RPC强度的影响系数，取值，=1+8，为钢纤维体积掺量。

参考上述公式，该试验的配合比设计见表2。

表2 机制砂RPC配合比

RPC的制备由于掺加了硅灰且水胶比较低，因此RPC的浆体比较黏稠，如果使RPC各组分均匀混合，搅拌工艺较为重要。将水泥、水、机制砂、粉煤灰、硅灰、减水剂、钢纤维按比例准确称量，然后用搅拌机搅拌，干搅3min，然后再加入钢纤维干拌，使钢纤维在拌合剂中均匀地分散，再拌合水、减水剂等湿料搅拌3min，使其充分混合。搅拌流程如图1所示。

图1 搅拌流程图

将刚拌好的RPC混凝土装入模具内，置于振动平台上进行振捣，并在高频振动台（50Hz）上振动1.5min，然后将试模旋转90°后振动1.5min后成形。确认混凝土完全填充到模具中，并用边铲进行封口。24小时后，将模具拆除，并用记号笔标记样品编号、制做日期等。

对RPC而言，养护工艺更重要，这是因为RPC的水胶比非常低，能够提供给水泥、硅灰（粉煤灰）水化的水量更少，当基体毛细孔封闭后，水就不容易进入RPC内部；另外，如果不及时养护，在内部水胶比极低的情况下就不可能产生沁水现象，因此试件表面容易产生干缩裂缝，甚至会因自身收缩产生的应力过大出现开裂，从而影响其强度和耐久性。试验制备的机制砂RPC试块采用两种养护方式，一种是蒸汽养护，在蒸汽箱中70℃蒸汽养护3天，一种是水浴养护，在（20±2℃）水中养护28天。初养结束后，将两种规格的试件取3份放入蒸汽养护箱中进行养护，3天后取出试件，置于通风干燥处干燥，其余3份试件，进行水浴养护28天后取出，置于通风干燥。养护结束后对试块进行抗折和抗压强度检测。

2.2 机制砂RPC的抗压、抗折检测

该试验检测了机制砂RPC抗压和抗折这两种物理性能。一共两组试块，每组3个试块，试块规格均采用标准试块，测试结果取三个试块的平均值。其中检测方法和计算参照规范《活性粉末混凝土》GB/T 31387-2015和《混凝土物理学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019。

抗压强度检测试块采用100m×100m×100m立方体试件，当试块养护完成后，检查试块外观是否完整，满足要求后将试块放入液压试验机的承压板中，试件中心与下压板中心对准。启动液压试验机，试件与上、下承压板均匀接触，试验机的加载速率为1.2 MPa/s，当试件急剧破坏时，试验机停止加载并记录峰值。试块抗压强度检测结果如图2所示。

图2 抗压强度检测结果

RPC抗压强度计算公式如下。

式中：f-混凝土抗压强度（MPa）；-试件破坏荷载（N）；-试件承压面积（mm）。

抗折强度检测试块采用100m×100m×400m棱柱体试件，当试块养护完成后，检查试块外观是否完整，满足要求后找出支承点和加荷载点位置并用笔标记出来。支承点和加荷载位置如图3所示。

图3 抗折加载位置（单位：mm）

将试件固定好，保证加载过程中试块和加荷载点不会移动，启动液压机，液压机的加载速率为0.1MPa/s，当试件断裂破坏时，停止加载并记录峰值。试块抗折强度检测结果如图4所示。

图4 抗折强度检测结果

RPC抗折计算公式如下。

式中：f-混凝土抗折强度（MPa）；-试件破坏荷载（N）；-支座间跨度（mm）；-试件截面宽度（mm）；-试件截面高度（mm）。

3 试验结果分析

分别对水浴养护和蒸汽养护的RPC进行了抗压和抗折强度检测，检测结果见表3。由检测结果可知，采用水浴养护的RPC平均抗压强度为70.75MPa，抗折强度为9.84MPa，而采用蒸汽养护的组抗压强度为101.42 MPa≥100MPa，抗折强度13.25 MPa≥12MPa，已经符合RPC100的抗折和抗折力学性能，当制备RPC100时，采用蒸汽养护方式，可以用机制砂代替石英砂来降低制备成本，而水浴养护制备的机制砂RPC并没有达到RPC100的抗压和抗折力学性能标准，不能采用水浴养护的方式降低养护成本。

表3 检测结果

由于天然材料本身的物理特性不同，石英石的抗压强度能达到200MPa至300MPa，除了砂本身的物理特性以外，石英砂具有较高的纯度、合理的级配和粒型。而在机制砂的制备中，难免会带入部分山皮，导致机制砂中0.075mm以下的颗粒含有部分泥粉和破碎过程中产生的石粉，这些杂质会影响RPC的性能。由于机制砂的破碎方式不同，因此机制砂的级配不均匀，粒型相对石英砂来说表面积较大，需要更多的用水量，良好的砂料级配有利于拌合物的工作性，提高RPC的强度、耐久性，减少混凝土的形变，而良好的粒型表面积小，减少了用水量，提高了RPC的强度。同时，良好的级配能够大大提高混凝土的均匀性，每一级集料之间相互填充，使混凝土变得更密实，从而能够抵御由于二氧化碳侵蚀导致的混凝土碳化；抵御高湿度、低温环境下导致的混凝土冻融循环破坏；抵御海洋环境中氯离子的侵蚀。这使得混凝土的耐久性大大增加，减少了维护成本，使其可以在更特殊的环境中使用。机制砂和石英砂各有优劣，在制备RPC100时，应该根据需求综合考虑两种不同沙料的性能、成本以及地域等因素，而对于采用机制砂制备RPC100时，应该考虑机制砂的泥粉、石粉含量、级配、粒型等参数。

4 结语

现阶段，随着我国建筑行业的快速发展，天然砂资源迅速减少，有的地区天然矿石已经接近枯竭，我国许多江河地区已经出现河沙资源匮乏和采集困难的问题，同时运输距离长导致天然砂成本居高不下，虽然石英砂具有许多优异的性能且为天然矿石制备，但是复杂的加工和提纯导致它不能在建筑行业更广泛地使用。机制砂有以下3个优势：1）资源上的优势，易获取、环保等。2）质量上的优势，由于原料固定，工厂机械化生产，保证了机制砂可调可控等。3）发展潜力较大，在市场细化、行业标准提高的环境下，机制砂的性能将随生产工艺的提高而提升。采用机制砂代替天然砂浇筑混凝土已经成为建筑行业发展的趋势。

试验结果表明，在蒸汽养护条件下制备的RPC，采用机制砂代替石英砂，能够达到RPC100的抗压强度和抗折强度性能，能够降低RPC的成本，有巨大的经济效应。采用机制砂制备RPC时，应选用优质机制砂，其中包括母岩性能良好、杂质少、级配合理、粒型优良的机制砂。

在制备RPC的过程中，采用机制砂代替天然砂能够降低成本。由于材料本身的物理性能不同，因此制备的RPC性能不同。例如石英砂具有硬度高、高耐燃性、高纯度但成本高等特点，而机制砂则有成本低、易获得、质量可控却物理性能差、杂质多等特点，导致最终制备的RPC有性能差异。该试验未对机制砂RPC100进行耐久度检测，仅在抗压性能和抗折性能上达到了RPC100，若要检测其弹性模量及耐久性能，还须大量的试验验证。