填充活性粉末路面混凝土配合比试验研究

代国锋

(中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300000）

活性粉末混凝土(RPC)是布伊格公司1993年研制的一种高强、高韧、低孔隙率的超高性能混凝土[1,2]。目前国外对活性粉末混凝土的研究取得了很大进展，但中国对活性粉末混凝土的研究和应用还处于起步阶段，其设计、施工和验收规范还很缺乏。目前对混合比例还没有统一的标准[3]。传统路面面层为普通水泥混凝土路面面层，但强度较低。当长时间存在车辆载荷或飞机载荷时，容易引起疲劳损伤等问题。将RPC技术应用于路面，可以有效地解决这些问题。例如，日本东京国际机场D跑道扩建工程采用6900预应力RPC路面作为机场跑道，该工程是世界上RPC用量最大的工程[4]。目前国内外研究者主要集中在RPC微观组成及其自身配合比的研究[5-6]，关于活性粉末路面混凝土配合比的文献报道较少。为此，作者对活性粉末路面混凝土的配合比进行了试验研究，研究了偏高岭土、硅灰和特种矿物填料对活性粉末路面混凝土配合比的影响，以期为其工程应用提供技术参考。

1 测试条件

1.1 原材料

图1显示了样品制作过程。水泥是42.5型普通硅酸盐水泥，由北京某水泥厂生产。细度为3400 cm2/g。初始设定时间为2小时40分钟，最终设定时间为3小时40分钟。其标准稠度用水量为27%，着火损失为0.5%。表1显示了水泥的矿物组成。表2显示了水泥的主要力学性能。

图1 标本制作过程

表1 水泥的矿物组成

表2 水泥的主要力学性能

硅烟是河北省一家合金厂生产的。其密度为2.1 g/cm3，比表面积为20 m2/g。偏高岭土产自阳泉，粒径范围为10～50 μm。SiO2含量为53.75%，Al2O3含量为37.85%。标准砂是福建省生产的水泥试验标准砂。其粒径范围为0.16～1.25 mm。钢纤维是由河北省生产的表面薄而圆的镀铜钢纤维制成的。其直径为0.22 mm，长度为12～15 mm。特殊矿物填料由多种活性矿物制成，经活性测试及最佳粒度分布计算而成，主要化学成份为二氧化硅及微量元素。其特征状态为灰白色细粉，密度为2.18 g/cm3。减水剂是中国某混凝土外加剂厂生产的一种新型非萘系高性能减水剂。它是深紫色的透明液体。减水率为31%，1小时内无坍落度损失。

2.2 样本制作

每种物料按混合比例称重。将细集料、钢纤维、水泥、特种矿物填料、硅灰、偏高岭土等投入搅拌机。将骨料与钢纤维充分接触均匀分布后，加入减水剂和减水剂，充分搅拌3min以上。混凝土配合比测定确定坍落度，然后在高频振动台上对试件进行振动。振动成型后立即将样品送至养护室，1 d后取出模具。试样被放置在不同温度的固化箱中进行固化，加热速率较低，每小时15℃。达到固化温度后，试样进一步固化72 h。然后将试样移入标准固化(20±2℃，湿度90%以上)，固化至性能测定所需的时间。

2.3 试样尺寸和试验方法

抗压强度试样为100×100×100 mm的立方体，断裂模数试样为100×100×400 mm的棱柱体。按照普通混凝土力学性能测试方法(GB/T50081-2019)测试立方体抗压强度和断裂模数。按照GB/T0506-2005《水泥胶砂强度试验方法》测试棱柱体的抗压强度和断裂模数。

3 试验结果分析

3.1 偏高岭土和硅灰对压缩强化

硅灰的影响是一种高活性、超细颗粒的掺合料。它含有大量的二氧化硅，可以提高混凝土的强度。偏高岭土作为一种新型的辅助胶凝材料，可以改善混凝土的和易性。研究了偏高岭土与硅灰混合时的影响。图2显示抗压强度曲线。

从图2可以看出，R1和R3的抗压强度大于R2和R4。研究结果显示，部分偏高岭土取代硅粉后，混凝土的抗压强度会减少。同时，与R1相比，R2的3天抗压强度下降了8.45%，与R3相比，R4的3 d抗压强度下降了5.34%。与R1相比，R2的28天抗压强度下降了11.79%，与R3相比，R4的28 d抗压强度下降了11.96%。作者的结论是，硅灰对抗压强度的增强作用明显大于偏高岭土。增加偏高岭土的含量，混凝土的抗压强度会明显减少。单纯加入硅粉的抗压强度比加入偏高岭土的硅粉大。与R1相比，R2的坍落度提高了30%，与R3相比，R4的坍落度提高了18%。结果表明，掺加偏高岭土对混凝土的工作性能有明显的改善作用。笔者认为偏高岭土是一种高活性火山灰材料的矿物掺合料。其内部反应类似于粉煤灰。它可以提高水泥浆的强度，增加混凝土的抗压强度。但如偏高岭土含量过高，表面的片状颗粒形态会大大削弱颗粒的形态分布，导致颗粒在水泥中分布不均，减低混凝土的抗压强度。

表3 混凝土配合比及抗压强度 (kg/m3)

图2 偏高岭土与硅灰混合下的抗压强度曲线

3.2 特种矿物填料对混凝土工作性能和抗压强度的影响

特种矿物填料能显著改善混凝土的工作性能，降低坍落度损失。它由多种矿物质和微量元素构成。图3显示了抗压强度曲线。

图3 特种矿物填料作用下的抗压强度曲线

从图3可以看出，R5的抗压强度大于R6。与对照组相比，对照组3 d和28 d的抗压强度分别下降了0.32%和2.61%。与R6相比，R5坍落度明显增大，粘度降低，施工性能明显改善。同时，R5和R6的3天和28天抗压强度几乎相同，表明可以加入特殊的矿物填料进行混合比例设计。特种矿物填料的组成为SiO2和微量元素，其内部反应类似于硅粉。它可与氢氧化钙反应，产生水合硅酸钙。这种反应会增加水泥石的骨架，降低孔隙率，增加混凝土的抗压强度。此外，专用矿物填料为低密度灰粉，可提高混凝土的工作性能。

3.3 RPC100的配比

目前，RPC的相关配比在中国仍属商业秘密。因此，结合上述试验结果，在实验室成功制备了适合于路面工程的RPC100混合料配合比。表4显示了RPC100的混合比例。

表4 RPC100的混合比例

4 结语

（1）硅粉可改善活性粉末混凝土的抗压强度。当用偏高岭土代替部分硅灰时，抗压强度会减少，但混凝土混合料的工作性能会明显改善。因此，偏高岭土应根据具体情况进行添加；（2）特殊矿物填料能明显改善混凝土的施工性能，在不影响抗压强度的情况下降低粘度，增加坍落度。因此，应该首先把它们加起来；（3）根据试验结果，得出了RPC100的配合比及相关力学性能。