活性粉末混凝土(RPC)配合比设计试验研究

刘秀元 宋荣方 刘晋艳

(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600；2.郑州工程技术学院土木工程学院 河南郑州 450044；3.山西大学电力与建筑学院 山西太原 030006)

1 引言

1993年，法国Bouygues公司研制出一种强度高、韧性好、耐久性以及和体积稳定性优良的水泥基复合材料，即活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称 RPC)[1-2]。RPC作为一种新型的工程材料，不但具有很高的抗压强度和抗拉强度，还具有收缩徐变小、耐久性好等特点，其抗渗性、抗冻性和耐腐蚀性指标均远优于普通混凝土[3]。RPC原材料平均颗粒尺寸在0.1 μm～1 mm之间，能够填充混凝土内部细小孔隙，提高拌合物的密实性。作为一种新型混凝土，RPC不仅可以获得200～800 MPa的超高抗压强度，而且具有30～60 MPa的抗折强度，有效克服了普通高性能混凝土的高脆性问题。

RPC组成成分没有石子(粗骨料)，通过改变组分的细度和活性降低材料内部的孔隙与微裂缝，从而获得超高强度与耐久性[4]。郑文忠基于56组RPC配合比试验结果，初步提出RPC配合比设计的建议公式[5]。刘秀元[6]等将RPC应用于铁路简支梁，实际效果良好。张荣华[7]、张劲[8]等人也分别对RPC的配合比进行了试验研究。本文结合工程应用要求，在国内外学者研究的基础上，初步设定五种RPC基本配合比，通过试验结果不断优化调整配合比，最终确定出能满足工作性和强度要求的RPC配合比，并研究影响RPC强度的各种因素。

2 配合比设计

2.1 RPC性能要求

某高速铁路桥梁RPC，要求强度等级为R120，配制强度132 MPa，坍落度≥160 mm，28 d电通量＜40C，抗折强度≥18 MPa，抗冻性≥F600，弹性模量≥46 GPa。

2.2 试验原材料

(1)水泥:采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间198 min、终凝时间264 min，烧失量为2.5%，密度3.06 g/cm3，比表面积390 m2/kg，28 d抗折强度8.6 MPa，28 d抗压强度51.4 MPa。

(2)硅灰:为优质中质微硅粉，颜色为暗灰色[9]，SiO2含量为 95.12%，密度 2.2 g/cm3，烧失量2.4%，比表面积19 000 m2/kg，水含量1.2%，氯离子含量 0.018%，28 d活性指数 124%，需水量104%。

(3)粉煤灰:选用600目超细粉煤灰，颜色为灰色。

(4)石英砂:采用某砂厂订制的石英砂，粒径范围为0.16～1.25 mm，按粗细程度分为粗砂、中砂、细砂三种[10]。其中粒径0.16～0.315 mm为细砂，粒径0.315～0.63 mm为中砂，粒径0.63～1.25 mm为粗砂。

(5)减水剂:中国建材院生产的聚羧基减水剂，含固量40%；西卡公司生产的聚羧酸盐混凝土保塑减水剂3 301 MK和3 301 MU；上海马贝减水剂。

(6)钢纤维:采用特制细圆形短细钢纤维，表面镀铜，直径为0.22 mm，长度12～15 mm，抗拉强度2 800 MPa。

The protein cross-linking mechanism evidently requires much more research both with and without a photoinitiator, and such studies could yield different results depending on the relevant amino acids.

(7)石英粉:275目石英粉，颜色为白色，略微发黄[11]，石英含量为90% ～95%，密度为2.65 g/cm3，硬度为7。

2.3 试验基本配合比

试验所选用基本配合比见表1。通过改变材料类型、掺量及水胶比，优选出合适的配合比。

表1 试验基本配合比 kg/m3

3 配合比试验结果

3.1 第一次配合比试验

采用基本配合比，分别进行和易性试验和试块强度试验，结果见表2和表3。

表2 和易性试验结果(第一次)

表3 试块强度试验结果(第一次)

配合比A、D抗压强度不满足120 MPa的要求，考虑更换减水剂再次试验。配合比B立方体试块拆模时较软导致变形[12]，未进行强度试验，舍弃不用。配合比C抗压强度和抗折强度均较低，舍弃不用。配合比E抗压强度满足120 MPa要求，但抗折强度较低，需再次试验。

3.2 第二次配合比试验

重新采用西卡公司生产的聚羧酸盐混凝土保塑减水剂3 301 MK和3 301 MU，对配合比D和E进行第二次试验，结果见表4和表5。

表4 和易性试验结果(第二次)

表5 试块强度试验结果(第二次)

配合比D采用减水剂3 301 MK，拆模时试块表面起皮，且很软[13]，舍弃。采用减水剂3 301 MU，强度同样不满足要求，舍去不用。配合比E的抗折强度较低，原因为钢纤维含量较低(1.25%)，其他配比均在1.5%及以上，增加钢纤维含量再次进行试验。

3.3 第三次配合比试验

配合比A换用上海马贝减水剂，增加配合比E中钢纤维含量，再次进行试验，结果见表6和表7。

表6 和易性试验结果(第三次)

表7 试块强度试验结果(第三次)

配合比A在24 h拆模时试块较软，由于蒸养箱采用养护温度为50℃，开门降温2 h且加常温自来水养护，升温速度略快；3 d后配合比A产生多条裂纹，试件失效。配合比E增加钢纤维含量后，抗压强度超过120 MPa，抗折强度接近20 MPa。

3.4 最终配合比

4 RPC强度影响因素试验结果

4.1 养护温度及龄期对RPC强度的影响

为了研究养护温度及龄期对RPC强度的影响，对最终配合比E在不同养护温度、不同龄期下进行强度试验[14]，结果见表8和图1。

表8 不同养护温度下强度试验结果

由表8可知，75℃高温蒸汽养护的抗压强度最高，达到129.4 MPa；60℃时的抗压强度为127.6 MPa，抗折强度为19.55 MPa。由此可见，蒸汽养护温度在60℃以上即可满足强度要求。

图1为标准养护条件((20±2)℃，相对湿度≥95%)不同龄期下的抗压强度试验结果。结果表明，RPC早期强度增加很快，24 h后抗压强度可达到40 MPa以上，7 d后强度增长放缓；28 d强度接近90 MPa，4 d可达到28 d强度的87%；28 d抗压强度为60℃高温蒸汽养护抗压强度的70%。随着龄期增加，水化反应进行得越充分，粉煤灰、硅灰活性得到充分释放[15]，RPC抗压强度和抗折强度随之增大。

4.2 外加剂掺量对强度的影响

由图2可知，随着外加剂掺量增加，混凝土强度整体也在逐渐提高，当掺量提高至3%时，强度最高；随着外加剂掺量继续增加，抗压强度逐渐降低。

4.3 水胶比对强度的影响

水胶比是影响混凝土强度的重要因素之一[15]，在满足流动性要求前提下，水胶比越低，混凝土强度也就越高。从图3可知，随着水胶比逐渐减小，RPC强度逐渐增加，当水胶比在0.2～0.21之间时，强度变化不大，此时混凝土的工作性也较好。

4.4 硅灰掺量对强度的影响

由图4可知，随着硅灰掺量提高，RPC抗压强度逐渐增大，当掺量达到胶凝材料的20%时，强度最高[16]；随着硅灰掺量继续增加，RPC抗压强度逐渐降低。之所以出现这种现象是因为硅灰粒径很小，能充分填充拌合物颗粒之间的孔隙，掺量合适时可明显提高RPC的密实性，抗压强度亦随之提高。但硅灰本身比表面积很大，拌和时需要较多的水量，随着掺量的提高，拌合物流动性会下降，导致试件难以成形。

4.5 钢纤维掺量对强度的影响

混凝土抗压强度与抗拉强度比值非常大，而随着抗压强度提高，混凝土的脆性也随之增强，为此可在RPC中加入钢纤维以改善其韧性[17]。由图5可知，随着钢纤维掺量增加，RPC强度也随之提高，当掺量达到1.9%时，RPC强度最高；随着钢纤维掺量继续增加，RPC强度不增反降，这是因为该条件下需更多水泥浆来包裹钢纤维，而水泥浆数量不足，导致混凝土各项性能下降，强度降低。

4.6 砂胶比对强度的影响

由于钢纤维掺量增加后，RPC拌合物工作性变差，要改善混凝土的工作性，可以增大水胶比，但混凝土强度降低、收缩和裂纹等问题会随之出现[18]。为此，可通过改变砂子与胶凝材料的比例来改善混凝土的工作性。由图6可知，随砂胶比提高，混凝土强度先提高后回缩，当砂胶比在1.29～1.40之间时，混凝土强度最高且表现稳定。

5 结论

(1)通过试配，得到满足该项目要求的RPC配合比为:水泥∶硅灰∶粗石英砂∶中石英砂∶细石英砂∶钢纤维∶减水剂∶水 ＝920∶170∶460∶340∶280∶120∶22∶174。

(2)RPC混凝土强度随龄期增加而提高，早期强度增长较快。采用蒸汽养护时，温度在60℃以上即可满足强度要求。

(3)RPC混凝土强度随外加剂、硅灰以及钢纤维掺量的增加均先提高再降低，掺量分别为3%、20%、1.9%时强度最高。

(4)水胶比在0.2～0.21之间时，混凝土的工作性较好，强度亦满足要求，变化不大。砂胶比在1.29～1.40之间时，混凝土强度最高且表现稳定。