粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板力学性能试验与应用研究

刘峰 娄深鑫 陈峰

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引言

以硅酸盐水泥为基本胶凝材料的混凝土，掺入高效减水剂和硅灰掺合料后，在和易性良好的情况下拌合成型，硬化后可获得80MPa以上的抗压强度，应用这种材料可减少构件截面，实现轻型化。但根据调查结果，这类高强度混凝土比中低强度的更易开裂。

为避免上述问题的产生，法国人P.Richard，根据密实堆积原理，用石英砂为骨料，制备出活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，简称RPC），不但具有很高的抗压强度和抗拉强度，收缩变小，耐久性好，而且其抗渗性、抗冻性和耐腐蚀性能均远优于普通混凝土[1]。RPC中没有粗骨料，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，从而获得超高强度和耐久性[2]。RPC的组分包括硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、减水剂、钢纤维、石英粉。硅灰是RPC获得良好性能所需的一种矿物掺合料，其颗粒较细且活性高，其可以提高密实度、改善界面过渡区，提高RPC强度，但硅灰掺量增多会降低拌合物流动性，试件自收缩和干缩值增大。粉煤灰和矿粉中活性二氧化硅含量较高，可以改善RPC的性能。粉煤灰具有“填充”、“活性”、“滚珠”作用，可使拌合物流动性增加，试件的强度增加。粉煤灰和矿粉可提高试件的韧性和抗折强度。纤维是RPC必备组分，纤维的掺入可以显著提高试件的抗折和抗劈裂强度，但过量掺入会使拌合物流动性变差成型困难，密实度降低，纤维与基体界面过多，内部缺陷增加。降低细骨料尺寸可以增加密实度，减少界面缺陷，提高强度。养护方式采用高压蒸养可以提高20%左右的试件强度，蒸养有利于试件早期的物理力学性能的提高，不利于后期强度的持续增加，常温养护也可获得令人满意的力学性能[3]。

粗骨料活性粉末混凝土是在拌合物和试件物理力学性能牺牲很小的情况下，掺入粒径较大的石子，置换部分细骨料和矿物掺合料，由于粗骨料的掺入，其弹性模量比RPC大，收缩比RPC小。最重要的是其制备成本有了显著的降低，为其规模化应用创造了可能[4]。

钢筋混凝土随龄期延长产生收缩变形，变形受钢筋约束使微裂缝和孔隙连通，导致混凝土的低渗透性丧失，侵蚀介质进入使钢筋锈蚀鼓胀，是影响混凝土结构耐久性的重要原因[5]。无筋板可以避免这一问题，又能简化施工流程，但普通混凝土素板脆性大，使其难以得到有效的应用。粗骨料活性粉末混凝土无筋板具有优异的抗弯性能，并且延性较好，具有较广的应用范围。

1 试件制备

粗骨料活性粉末混凝土拌合物是预拌核心组分（水泥、硅灰、粉煤灰、液料、矿粉、钢纤维）、细骨料、粗骨料、水按一定比例混合，通过自动化搅拌装置内计量系统精准计量，搅拌合适时间后，获得扩展度适宜的拌合物，下料至料斗中。

无筋薄板的尺寸为1500mm×1500mm×40mm，浇筑模板侧模采用木模，以光滑平整的地坪作为底模，试件浇筑时在板中心处下料，依靠拌合物的流动性自由扩展至侧模，辅以人工抹平，浇筑成型后，采用自然养护的方式进行常温养护，龄期3d时脱模，28d达到试验要求的龄期，本次试验共制备两块薄板。

2 测试方案

粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板加载试验目的有3个：①确定无筋粗骨料活性粉末混凝土薄板抗弯承载力；②确定无筋粗骨料活性粉末混凝土薄板抗裂性能；③评估无筋粗骨料活性粉末混凝土薄板的延性性能。两块试验板，其中一块为底模面受弯加载，另一块为顶面受弯加载，用以对比顶底面力学性能的差别。

试验加载设备采用多通道电液伺服加载系统，变形测量采用位移计，应变测量采用动静态应变测试系统，裂缝宽度测量采用裂缝综合测试仪，加载示意图及位移、应变测点布置如图1所示。

图1 加载示意图

图2 两个试件挠度—荷载曲线图

试验测试的加载步骤包括预加载，第一次加载至出现裂缝后缓慢卸载，第二次加载至试件破坏，裂缝刚产生时十分细微，即使用专用的裂缝观测仪也难以发现，试验中以跨中应变发生非比例增加时的加载等级作为裂缝出现的荷载等级。两块试验板采用同样的加载步骤。

3 试验结果

试件运送至结构试验室后，加载前对试件进行外观检查，确保构件表面不存在破损，裂缝等外观缺陷。试件安装就位，位移、应变传感器布置好以后即可按加载方案进行加载，本试验采用应变片测量应变，在贴完测点应变片后，另外布置了温度补偿片。

经测试，试件1在荷载达到22.5kN时，挠度—荷载曲线斜率发生变化，且试件跨中位置处应变发生突变，此时判断为试件初裂；当继续加载至下一级25kN时，测得裂缝宽度为0.02mm。在荷载30kN后继续加载至下一级时，荷载已无法上升并出现下降，判定为试件破坏并停止加载，此时裂缝宽度0.14mm。试件2在荷载达20kN时，挠度—荷载曲线斜率发生变化，且试件跨中位置处应变发生突变，此时判断为试件初裂；当继续加载至下一级22.5kN时，测得裂缝宽度为0.02mm。在荷载32.5kN后继续加载至下一级时，荷载已无法上升，判定为试件破坏并停止加载，此时裂缝宽度0.1mm。

粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板的抗拉强度较普通混凝土有了大幅度提升，初裂抗拉强度大于10MPa，使其在弹性工作范围内能承受更大的荷载。

粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板不仅抗拉性能优异，从试验的荷载-位移曲线可以看出，试件初裂后的循环加载过程中，曲线斜率未发生明显变化，说明素板具有很好的弹性工作性能。并且试件开裂后，粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板不像普通混凝土素板在受弯开裂后会迅速发生脆断。如试件一加载至22.5kN时开裂，开裂后加载至30kN时，才发生不能持荷，此时试件也并未发生断裂，存在比较大的塑形变形；试件二加载至20kN时开裂，加载至32.5kN时，不能持荷，试件亦未发生断裂，塑性发展更充分。由此可见，粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板具有良好的延性，用于承载不会发生脆性破坏。

4 应用探讨

粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板具有较高的抗裂性能和抗弯承载力，亦具备良好的延性性能，不配钢筋也极大程度简化制造工艺，有利于降低总体的工程造价，可以在以下几个方面考虑应用。

4.1 树池挡板

普通的树池一般采用厚度大于10cm的花岗岩边框围护形成，边框埋深较浅，常发生树池边路基因水土流失导致的路基病害。用粗骨料活性粉末混凝土无筋板将树木根系包裹住，可以解决这类路基病害。经计算，在主动土压力和车辆荷载土压力共同作用下，3.5cm厚的板即可满足受力要求，更轻薄的树池挡板同样提升了美观效果。

4.2 人行道板及电缆沟盖板

人行道及电缆沟盖板一般跨径不大，承受荷载较小，通常采用厚度较大的配筋普通混凝土板，重量较大，给安装和检修带来一定的困难。经计算，轻薄的粗骨料活性粉末混凝土无筋板就可满足使用要求，而且无普通钢筋，制造简便，安装容易，具有较好的经济效益。

4.3 检查井盖板

常规检查井盖板采用球墨铸铁盖板，这种检查井盖板一个重要问题是防腐问题。尤其对于南方城市，降水较多，雨污水会加速盖板腐蚀，铸铁盖板更换频繁。粗骨料活性粉末混凝土无筋板不配置普通钢筋，耐久性更好，无须经常更换，是比较有优势的方案。

5 结束语

经过试验验证，粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板抗弯拉强度大于10MPa，比素混凝土板具有更高的受弯承载力。

粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板具有良好的弹性工作性能，构件开裂后也不会发生脆性断裂，具备良好的延性。

粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板由于未配置普通钢筋，构件耐久性更好，使用寿命更长。

根据粗骨料活性粉末混凝土无筋薄板突出的力学性能和耐久性，可以考虑将此种轻薄无筋板用于树池挡板，人行道及电缆沟盖板及检查井盖板，可以产生良好的经济效益和社会效益。