路面工程活性粉末混凝土性能影响因素研究

张秀军

（中铁十八局集团有限公司 天津 300000）

1 引言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC）是一种具有超高强度、高韧性和超耐久性的新型水泥基材料，它的力学性能比普通混凝土要好得多，在过去三十年中被认为是水泥基工程材料的最具创新性的成果。活性粉末混凝土实现了工程材料性能的大跨越，具有高强度、高韧性、防爆、耐久性强等特点，抗压强度可高达200 MPa 以上，抗拉强度也可以达到100 MPa 以上，弹性模量可以与高强度钢相当，甚至更高。此外，活性粉末混凝土具有极低的渗透性和良好的耐久性，可以在各种复杂环境中保持稳定的性能，被广泛应用于各种高要求和高性能的关键工程领域，如核能、电力、石化等行业的各种结构件和设备中，包括反应堆、大型储罐、高耸建筑等。由于其卓越的性能，活性粉末混凝土在这些领域中可以发挥出重要的安全保障作用，并大大提高工程的安全性和稳定性。

近年来，RPC 代替普通混凝土在土木工程领域中的应用具有很好的应用前景。国内外对RPC 的配合比等进行了大量的实验研究。活性粉末混凝土的制造需要经过严格的工艺流程，其主要原材料包括硅酸盐水泥、细砂、超细矿粉、矿物掺合料和高效减水剂等。通过精细的混合和严格的成型工艺，活性粉末混凝土可以获得优异的物理和力学性能。总的来说，活性粉末混凝土是一种具有重要应用价值的新型水泥基材料，其优良的性能和广泛的应用前景使其成为未来建筑材料的重要发展方向之一。

目前在中国，RPC 的应用仍处于起步阶段，中国大量工程仍采用普通混凝土（如C30、C40 和C50）施工。此外，由于RPC 成分复杂，受各地区原材料性能影响较大，没有统一的配比限制其大规模推广应用。本文研究了固化温度和钢纤维种类对RPC 配比的影响，以获得合适的RPC，为RPC在路面工程中的应用提供参考。

2 试验概述

2.1 原材料

水泥：采用国内工厂生产的42.5#普通硅酸盐水泥。水泥细度为3400 cm2/g；标准稠度用水量为27%；点火损失为0.5%；石膏含量为3.0%；初凝时间为2 h 40 min；终凝时间为3 h 40 min。水泥的矿物成分如表1 所示。

表1 42.5#水泥熟料矿物成分

钢纤维：采用国内公司生产的细圆表面镀铜钢纤维和粗螺纹碳钢纤维，直径分别为0.22 mm 和0.35 mm，长度为12～15 mm。

细骨料：粒度在0～0.625 mm 之间的石英砂，根据粒径大小分为特细砂、细砂、中砂等。测得的不同粒径大小石英砂的表观密度和堆积密度如表2 所示。

表2 石英砂的表观密度和体积密度

RPC 专用添加剂：由活性SiO2等活性矿物和微量元素配制而成。特征状态为灰白色细粉末，密度为2.18 g/cm3。

高性能减水剂：国内某厂生产的一种新型非萘系高性能减水剂，呈深紫色透明液体，减水率达31%。

2.2 试块生产与试验方法介绍

2.2.1 试块生产。材料按配合比称重，细骨料、钢纤维、水泥、特殊添加剂等材料按一定顺序倒入搅拌机。骨料与钢纤维充分接触并达到宏观均匀分布后，加水用减水剂搅拌3 min 以上。测量混凝土混合物的坍落度，并在高频振动台上振动形成混凝土试块。成型后，立即将其送到固化室，并在1d 后取出模具。然后将试样放入不同温度的养护箱中养护，升温速度不应超过每小时15 ℃。达到固化温度后，继续固化72 h。将固化后的试样移至标准养护室（20±2 ℃，湿度超过90%），养护至性能测量所需的养护龄期。

2.2.2 试验方法。混凝土的抗压强度和抗弯强度应按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）进行试验。

抗挤压强度的加载速度为1.2 MPa/s，抗弯曲强度的加载速率为0.1 MPa/s。抗弯强度试验中使用的试块的载荷图和失效如图1 和图2 所示。

图1 试块加载

图2 试块破裂

3 测试结果

3.1 养护温度对RPC 强度的影响

为了研究不同养护温度对RPC 抗压强度的影响，试验中使用了8 组共24 个试样，即养护温度为60 ℃的R1、养护温度为75 ℃的R2、养护温度80 ℃的R3 和养护温度为90 ℃的R4，以比较RPC 的抗压强度28 d 的试样在不同的固化温度下固化。各RPC 试件的配合比和抗压强度如表3 所示，试验结果数据对比如图3 所示。

图3 不同龄期试块RPC 抗压强度的比较

表3 RPC 配合比和不同固化温度下的抗压强度

从图3 中可以看出，在RPC 配合比相同的条件下，RPC 的抗压强度随着固化温度的升高而增加。可以看出，RPC 在不同固化温度下的强度有明显差异。RPC 在高温条件下固化之所以能获得更高的抗压强度，是因为高温固化加速了RPC 中矿物和矿物的火山灰效应。

根据现有的试验结果，RPC 在90 ℃热水养护下可以获得最大的抗压强度，但在75～90 ℃热水固化下的抗压强度差异不明显。当龄期为3 d 时，R2 和R3 的抗压强度分别为R4 的96.7%和98.6%；当年龄为28 d 时，R2 和R3 的抗压强度分别为R4 的96.0%和96.8%。在工程应用中，施工人员需要综合考虑RPC 的强度要求和维护难度。由于养护温度为75～90 ℃时RPC 强度差异很小，在实际工程中，75 ℃的养护温度是最佳选择。

3.2 钢纤维类型对RPC 强度的影响

为了研究钢纤维类型对RPC 抗压强度的影响，本研究采用2 组共计24 根相同含量的细钢纤维和厚钢纤维试样进行试验，细钢纤维试样编号为R5，粗钢纤维试样编号为R6。两组试块的钢纤维含量为200 kg/m3，固化温度为60 ℃。RPC 使用的配合如表4 所示，测试结果如表5 所示，从测试结果中得出的强度比较如图4 所示。

图4 不同钢纤维试块强度的比较

表4 不同钢纤维类型的RPC 配合比（kg/m3）

表5 抗压强度和抗弯强度测试结果

从图4 中可以看出，细钢纤维试样的抗压强度大于粗钢纤维试样，3 d 固化时的抗压强度高出7.2%，28 d 固化时的抗压强度高出9.6%。两个试块的抗弯强度相差不大。在测试过程中，发现测试块R5 在被破坏时保持完整，并且可以在裂化后仍保持一段时间。试块R6 局部严重损坏，一旦破裂，它很快就达到了极限强度。观察试验片表明，R5 混凝土断裂面的纤维含量很小分布极不均匀；相反，纤维在R6 混凝土裂缝上的分布表面致密均匀；同时，还可以观察到许多厚的钢纤维试块R6中的细钢纤维几乎没有断裂。

综合试验结果和观察结果表明，掺入细钢纤维可以保证RPC 具有更好的力学性能。

4 结论

通过本文试验系统研究养护温度和钢纤维种类对RPC 强度的影响，可以得出以下结论：

（1）RPC 在不同固化温度下的强度有明显差异，高温固化加速了RPC 中矿物和矿物的火山灰效应，高温养护条件有利于RPC 抗压强度的增强。

（2）在相同的养护龄期，RPC 的强度随着养护温度的升高而增加；在工程施工中，养护温度应为75℃。

（3）钢纤维的加入可以有效地提高RPC 的抗压强度和抗弯强度，并且在RPC 中加入细钢纤维比粗钢纤维更能改善其力学性能。