摻合料對活性粉末混凝土性能的影響

陳浩宇，李俊毅，王娜，蘇忠純，張鵬

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

1993年法國布伊格（Bouygues）公司的 P.Richard[1]工程師仿效高致密水泥基均勻體系DSP（Densified System Containing Homogenously Arranged Ultra-fine Particle）材料[2]研制出一種新型超高性能混凝土，稱為活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC），該材料選取的是傳統(tǒng)的原材料和傳統(tǒng)的混凝土成型工藝，其原材料為石英砂、水泥、硅粉、細(xì)鋼纖維、高效減水劑等，取消了粗骨料，并且根據(jù)最大密實(shí)度理論，使各種顆粒達(dá)到最大密實(shí)化?；钚苑勰┗炷僚c常規(guī)混凝土相比，具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性及高溫適應(yīng)性等特點(diǎn)[3-4]。RPC面世以來，發(fā)展迅速，并成功應(yīng)用于一些實(shí)際工程中[5-8]。目前，國內(nèi)外掀起了研究RPC的新熱點(diǎn)。

目前，活性粉末混凝土技術(shù)在我國客運(yùn)專線橋梁人行道擋板、蓋板上也得到了一定的應(yīng)用。采用RPC材料，可以很大程度地減輕橋面荷載，橋面設(shè)施的耐久性也可以得到提高。由于RPC的抗拉強(qiáng)度也很高，可保證構(gòu)件在使用過程中不開裂，整體性能較好，使得構(gòu)件具有較好適用性和耐久性。

RPC作為一種新型混凝土材料，盡管比常規(guī)混凝土更均勻，缺陷更少，但是，RPC的高強(qiáng)度還來源于條件比較苛刻的養(yǎng)護(hù)制度，如達(dá)到200MPa，需要90℃熱水養(yǎng)護(hù)3 d，要達(dá)到800MPa，需在400℃下干養(yǎng)護(hù)。而這種苛刻的養(yǎng)護(hù)制度不利于在工程中推廣應(yīng)用。因此，本文擬采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法對不同摻合料及摻量的RPC的性能進(jìn)行研究。探討該材料在客運(yùn)專線工程應(yīng)用的普遍性。

1 原材料與配合比

活性粉末混凝土是繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后，20世紀(jì)90年代中期開發(fā)出的超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料。

1.1 水泥 （C）

采用新鄉(xiāng)同力水泥廠42.5型普通硅酸鹽水泥（P.O42.5）。水泥性能見表1。

表1 水泥性能

1.2 粉煤灰（FA）

本課題采用平頂山姚孟電力粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的I級粉煤灰。粉煤灰性能見表2。

表2 粉煤灰性能

1.3 礦粉 （SG）

本課題采用信陽明港豫鋼冶金加工有限責(zé)任公司微粉廠生產(chǎn)的S95級礦粉，其性能見表3。

表3 礦粉性能

1.4 硅粉 （SF）

本文中RPC采用安陽硅粉廠生產(chǎn)的硅粉，其特征狀態(tài)為灰白色細(xì)粉，其性能見表4。

表4 灰性能

1.5 細(xì)骨料 （S）

混凝土的性能受細(xì)骨料影響非常大[8]，混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性等性能均受其影響。石英砂作為RPC中的唯一骨料，不僅具有較高的強(qiáng)度和硬度，還具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，且不含有害雜質(zhì)。

本文RPC均采用河南登封某砂廠定做的石英砂，粒徑范圍為0～1.25mm，按粗細(xì)程度分為粗砂（S1）、中砂（S2）、細(xì)砂（S3）、特細(xì)砂（S4）等。不同粗細(xì)程度石英砂的實(shí)測級配范圍見表5～表6。表觀密度與堆積密度見表5。

表5 不同粗細(xì)程度石英砂的實(shí)測通過率

表6 石英砂的表觀密度及堆積密度

各級砂子用量按集料最大密實(shí)度模型計算。設(shè)粗砂、中砂、細(xì)砂和特細(xì)砂的表觀密度分別為ρ1、ρ2、ρ3和 ρ4，堆積密度分別為和，則單位體積粗砂的質(zhì)量為：

粗砂的空隙率為：

則單位體積粗砂內(nèi)的空隙體積為V1，可摻入中砂的質(zhì)量為：

中砂的空隙率為：

V1體積中砂內(nèi)的空隙體積為V2，可摻入細(xì)砂的質(zhì)量為：

細(xì)砂的空隙率為：

V2體積中砂內(nèi)的空隙體積為V3，可摻入特細(xì)砂的質(zhì)量為：

所以試驗(yàn)中各配合比所需各粒級石英砂的質(zhì)量比為：

粗砂 ∶中砂 ∶細(xì)砂 ∶特細(xì)砂 =m1∶m2∶m3∶m4

1.6 高性能減水劑（A）

采用江蘇博特生產(chǎn)的聚羧酸型高性能減水劑。

1.7 水 （W）

采用飲用水。

1.8 配合比

根據(jù)集料最大密實(shí)度模型，本文選擇了粗、中、細(xì)三種石英砂組合，采用不同礦物摻合料，振搗成型，制備了14組配合比，尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件，配合比詳細(xì)情況見表7。

表7 配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰對活性粉末混凝土性能的影響

粉煤灰對活性粉末混凝土性能的影響見圖1。由圖1可見，摻加粉煤灰的活性粉末混凝土比不摻粉煤灰的流動度大，但是隨著粉煤灰摻量的增加，流動度減小。摻加粉煤灰的活性粉末混凝土1 d的強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土的低，3 d強(qiáng)度和7 d強(qiáng)度相差不大，后期強(qiáng)度與不摻粉煤灰的相比有較大提高。如C1-1的28 d強(qiáng)度比B1-1的28 d強(qiáng)度提高了54.9%?；钚苑勰┗炷猎缙趶?qiáng)度和后期強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加而降低。從表中不難看出，對于組合砂活性粉末混凝土，粉煤灰摻量為10%時，效果最佳。

圖1 粉煤灰對活性粉末混凝土的影響

2.2 礦粉對活性粉末混凝土性能的影響

礦粉對活性粉末混凝土性能的影響見圖2。

圖2 礦粉對活性粉末混凝土性能的影響

由圖2可見，隨著礦粉摻量增加，活性粉末混凝土的流動度增大；摻量越大，增加的幅度越大。隨著礦粉摻量的增加混凝土強(qiáng)度增大，但是1～3 d的混凝土強(qiáng)度增幅不大，7 d強(qiáng)度隨著礦粉摻量的增加而明顯增大，28 d抗壓強(qiáng)度隨礦粉的增大而增加的幅度較大。礦粉摻量為30%的活性粉末混凝土28 d強(qiáng)度比不摻礦粉的提高了89.1%。

2.3 硅灰對活性粉末混凝土性能的影響

硅灰對活性粉末混凝土性能的影響見圖3。

圖3 硅灰對活性粉末混凝土性能的影響

由圖3可見，摻加硅灰的混凝土流動度較大，隨著硅灰摻量的增加，流動度增大。這是由于硅灰的“滾珠”作用使水泥漿體的流動性增加；另外，由于細(xì)小的硅灰粒子填充了水泥顆粒間的空隙，將空隙的間水置換出來，成為自由水，使混凝土材料的流動性提高。

由圖3還可以看出，1～3 d齡期時，摻入硅灰的混凝土強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土均有提高，這說明火山灰效應(yīng)在3 d就產(chǎn)生，使得硅灰有較高的活性。火山灰效應(yīng)隨著齡期的增加而增強(qiáng)，混凝土的強(qiáng)度也大幅度提高。但是對于相同養(yǎng)護(hù)齡期，混凝土強(qiáng)度并不是隨硅灰摻量增大而提高，硅灰摻量為10%時，各齡期的混凝土強(qiáng)度均最高。

2.4 雙摻及三摻對組合砂活性粉末混凝土性能的影響

雙摻及三摻對組合砂活性粉末混凝土性能的影響見圖4。

圖4 雙摻及三摻對組合砂活性粉末混凝土性能的影響

由圖4可見，無論是雙摻還是多摻礦物摻合料，混凝土流動度和抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相比均有不同程度的提高。雙摻硅灰和粉煤灰的混凝土流動度和抗壓強(qiáng)度提高幅度均最小，雙摻硅灰和礦粉的混凝土抗壓強(qiáng)度和流動度提高幅度最大。雙摻硅灰和礦粉的混凝土流動度比不摻的提高了47.4%，28 d抗壓強(qiáng)度提高了76.9%。雙摻硅灰和礦粉的混凝土配合比效果最佳。

3 結(jié)語

1）摻加粉煤灰的活性粉末混凝土的流動度比不摻粉煤灰的大，但是隨著粉煤灰摻量的增加，流動度減小?；钚苑勰┗炷猎缙诳箟簭?qiáng)度和后期抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加而降低。粉煤灰摻量為10%時，效果最佳。

2）活性粉末混凝土的流動度隨著礦粉摻量增加而增大；摻量越大，增加的幅度也越大?；钚苑勰┗炷梁笃诳箟簭?qiáng)度隨著礦粉摻量的增加而增大的幅度較大。

3）摻加硅灰的混凝土流動度較大，隨著硅灰摻量的增加，流動度增大。隨著硅灰摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度增加，后期抗壓強(qiáng)度隨硅灰摻量增加而增大的幅度較大。對于相同養(yǎng)護(hù)齡期，硅灰摻量為10%時，活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度均最高。

4）復(fù)合摻加摻合料的活性粉末混凝土流動度和強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相比均有提高。雙摻硅灰和粉煤灰的混凝土流動度和強(qiáng)度提高幅度最小，雙摻硅灰和礦粉的混凝土強(qiáng)度和流動度提高幅度最大。雙摻硅灰和礦粉的混凝土配合比效果最佳。

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