基于新規(guī)范的活性粉末混凝土配合比研究綜述

王鈞　　文慧

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　150040)

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基于新規(guī)范的活性粉末混凝土配合比研究綜述

王鈞文慧

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

摘要:根據(jù)GB/T 31387—2015活性粉末混凝土標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，對(duì)活性粉末混凝土的配合比做了綜合論述，討論了水膠比、硅灰、粉煤灰、石英砂、外加劑等對(duì)活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

關(guān)鍵詞:活性粉末混凝土，配合比，力學(xué)性能，粉煤灰，鋼纖維

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程材料質(zhì)量及施工技術(shù)水平都在逐漸提高，隨之而來(lái)的是人們對(duì)高強(qiáng)度與高性能混凝土綜合指標(biāo)提升的需求。普通混凝土已很難滿足許多特殊結(jié)構(gòu)對(duì)材料功能的要求，因而具有高強(qiáng)度、高性能等突出特點(diǎn)的活性粉末混凝土成為近年來(lái)混凝土材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下簡(jiǎn)稱RPC)是繼高強(qiáng)、高性能混凝土之后，出現(xiàn)的一種力學(xué)性能、耐久性能都非常優(yōu)越的新型建筑材料。RPC是在20世紀(jì)90年代由法國(guó)某實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)研究出的新型超高性能材料［1］?；钚苑勰┗炷翐碛辛己玫牧W(xué)性能，自問(wèn)世以來(lái)，受到廣大學(xué)者的研究，由于我國(guó)一直沒(méi)有明確的規(guī)范，因而也給研究帶來(lái)一些困難，許多學(xué)者參考國(guó)外研制成功的方案確定配合比，也有很多高校通過(guò)多次試配獲得較為合適的配合比。2015年11月開(kāi)始實(shí)施的GB/T 31387—2015活性粉末混凝土中，對(duì)配合比有較為明確的規(guī)定。為進(jìn)一步方便學(xué)者的研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的成果，輔以新規(guī)范的規(guī)定，對(duì)RPC配合比研究進(jìn)行論述。

1　RPC的配制原則

RPC是以水泥和礦物摻合料等活性粉末材料、細(xì)骨料、外加劑、高強(qiáng)度微細(xì)鋼纖維和/或有機(jī)合成纖維、水等原料生產(chǎn)的超高強(qiáng)增韌混凝土［2］。其基本原則為:1)級(jí)配更均勻。剔除了普通混凝土中的粗骨料，材料粒徑均勻，提高漿體的密實(shí)度，減少骨料界面微觀缺陷;溫差作用下材料間收縮減小，抑制微小裂縫的發(fā)展［3］。2)強(qiáng)度更高。采用高效減水劑，降低拌合物水膠比;在凝結(jié)硬化過(guò)程中加壓，提高材料強(qiáng)度。3)改善韌性。配制過(guò)程中加入鋼纖維或有機(jī)合成纖維，改善材料破壞的脆性，提高體積穩(wěn)定性。4)激發(fā)活性。通過(guò)高溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)加速活性粉末的水化反應(yīng)，改善漿體微觀結(jié)構(gòu)，降低孔隙率。

2　膠凝材料對(duì)RPC力學(xué)性能的影響

2．1水膠比

馬萬(wàn)等［4］進(jìn)行RPC的制備與研究，探討了水膠比對(duì)RPC力學(xué)性能的影響，采用了4種不同的水膠比(0．19，0．20，0．21，0．22)，同時(shí)研究了水膠比對(duì)應(yīng)的RPC流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度，研究結(jié)果表明:隨著水膠比增大，拌合物流動(dòng)度線性增大，水膠比每增大0．01，流動(dòng)度增加約20 mm。當(dāng)水膠比為0．19時(shí)，混凝土表面凝結(jié)很快，試件折斷后斷面處有大量孔洞，截面削弱作用較明顯;當(dāng)水膠比為0．20時(shí)，強(qiáng)度較0．19時(shí)有所下降，但流動(dòng)度稍有提升;當(dāng)水膠比為0．21時(shí)，試件強(qiáng)度比0．20時(shí)降低了5．9%，流動(dòng)性好，拌合物可以自流平，但強(qiáng)度已下降到110 MPa。最終試驗(yàn)中采用水膠比為0．21的配合比。

湖南大學(xué)的黃政宇等［5］研究RPC原材料及配合比設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，得出結(jié)論:RPC200水膠比一般以0．18～0．22為宜。當(dāng)水膠比低于0．18時(shí)，試件成型較困難，導(dǎo)致密實(shí)度下降，對(duì)強(qiáng)度和耐久性均帶來(lái)一定程度的降低;當(dāng)水膠比大于0．22時(shí)，雖然拌合物的流動(dòng)性較好，但其強(qiáng)度也相應(yīng)有所下降。

2．2硅灰

最近，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的劉紅彬等［6］研究了硅灰摻量對(duì)RPC力學(xué)性能的影響，認(rèn)為硅灰的摻入有效提高了水泥水化反應(yīng)的程度，對(duì)RPC的性能有顯著影響。通過(guò)試配RPC200得到配合比后，采用相同的水膠比的同時(shí)調(diào)整硅灰摻量，硅灰的摻量依次為0%，8%，12%，16%和22%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:隨硅灰摻量的增加，RPC的流動(dòng)性增強(qiáng)，RPC的抗壓強(qiáng)度、抗劈裂和彎折強(qiáng)度整體表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。但在硅灰摻量達(dá)16%時(shí)出現(xiàn)一個(gè)增幅降低的拐點(diǎn)，硅灰摻量超過(guò)12%時(shí)，RPC的各種力學(xué)性能表現(xiàn)均呈下降的趨勢(shì)，在16%摻量之后各種強(qiáng)度雖繼續(xù)增加，但增速明顯放緩;數(shù)據(jù)顯示12%和22%硅灰摻量的RPC各種強(qiáng)度基本接近，即增加摻量后硅灰對(duì)提高RPC的強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小。故硅灰摻量在12%左右為宜。

2015年，Shamsad Ahmad［7］研究RPC材料摻量對(duì)其強(qiáng)度影響時(shí)認(rèn)為:硅灰是重要的膠凝材料，考慮到填料效果，硅粉的最優(yōu)摻量可高達(dá)水泥質(zhì)量的30%。一般在RPC中，硅灰含量保持在膠凝材料的25%～30%的范圍內(nèi)。通常情況下，采用硅粉/水泥質(zhì)量比為0．25，這個(gè)比例是發(fā)揮硅灰的最佳填充性能，能把水泥總水化產(chǎn)生的石灰完全消耗。

Hyoung-seok So［8］研究了粉末材料對(duì)RPC微觀力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明:硅灰的最佳摻量為水泥質(zhì)量的25%。

2．3粉煤灰

2012年，北京交大的孫小威［9］在自密實(shí)RPC的配制研究中，研究了粉煤灰替代水泥的量為0%，10%，20%，30%，40%對(duì)RPC強(qiáng)度及流動(dòng)度的影響。研究結(jié)果顯示:流動(dòng)度方面，粉煤灰的摻量為水泥質(zhì)量的0%～30%時(shí)，拌合物的流動(dòng)度逐漸增加，摻量為30%時(shí)，漿體的流動(dòng)度達(dá)到峰值，此時(shí)的流動(dòng)度為158 mm，摻量再增加時(shí)，漿體的流動(dòng)度稍微變小，為155 mm;強(qiáng)度方面，相同水膠比下，強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻量先增加后減小，在粉煤灰替代水泥的量為20%時(shí)，RPC有最高強(qiáng)度，故最佳摻量為水泥質(zhì)量的25%。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王震宇等［10］研究了減水劑種類、成型工藝、養(yǎng)護(hù)制度及配合比因素、粉煤灰摻量對(duì)力學(xué)性能和流動(dòng)性的影響。研究結(jié)果表明粉煤灰的最佳摻量為水泥質(zhì)量的0．25～

3　其他因素對(duì)RPC力學(xué)性能的影響

3．1石英砂/粉

張寶龍、張楠［11］等工程師研究了RPC的配制。研究結(jié)果表明:砂膠比對(duì)混凝土的強(qiáng)度有影響，但對(duì)流動(dòng)度的影響更加顯著，隨著石英砂摻量的增加，RPC的抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，在0．98左右時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值，考慮到RPC拌合物的工作性能，砂膠比宜在0．88左右，此時(shí)RPC的抗折和抗壓強(qiáng)度均較高，流動(dòng)度也較高。

鄭文忠、李莉［12］等研究了RPC配制及其配合比計(jì)算方法，研究結(jié)果為:石英砂與膠凝材料的質(zhì)量比(簡(jiǎn)稱集膠比)在0．55～1．2范圍內(nèi)變化時(shí)，石英砂摻量越多，流動(dòng)度越差。比值為0．774時(shí)，RPC強(qiáng)度最高。

3．2鋼纖維

陳榕［13］進(jìn)行了活性粉末混凝土材性試驗(yàn)研究及鋼纖維摻量分析，鋼纖維摻量采用0，0．5%，1%，1．5%，2．5%，3%，3．5%共七種。研究結(jié)果表明:在鋼纖維摻量為0．5%時(shí)，其軸心抗壓強(qiáng)度比摻量為0時(shí)提高了38．8%;當(dāng)纖維摻量依次遞增時(shí)，抗壓強(qiáng)度相比于摻量為0時(shí)，提高率分別為7．4%，5．6%，5．4%，0．7%，－1．7%，－2．3%。從數(shù)據(jù)中看出，在鋼纖維摻量約為2%以下時(shí)，RPC軸心抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而增加，特別從0% 到0．5%時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度增加幅度最大，鋼纖維摻量大于2%時(shí)，隨著鋼纖維摻量增加，混凝土試塊內(nèi)部缺陷增多，反而導(dǎo)致軸心抗壓強(qiáng)度有所下降。

2014年，Mehmet Canbaz［14］研究了高溫對(duì)RPC的影響，研究中使用1%，2%和3%的鋼纖維體積摻量，結(jié)果表明RPC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨纖維摻量的增加開(kāi)始增加，但隨后隨著溫度的升高，彈性模量比抗壓強(qiáng)度下降更快。在鋼纖維摻量為2%時(shí)，可以顯著提高RPC的抗壓和抗劈裂能力。

CHRIST．R．和TUTIKIAN．B．［15］等研究了不同鋼纖維摻量對(duì)RPC力學(xué)性能的影響，鋼纖維摻量分別為0%，1%，3%，5%，研究了RPC的抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度。結(jié)果表明:鋼纖維的加入對(duì)抗壓強(qiáng)度的增加并不明顯，但能顯著改善RPC的抗折強(qiáng)度。摻量為5%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到59 MPa，而摻量為0%時(shí)，抗折強(qiáng)度為12 MPa。

3．3減水劑

2015年，萬(wàn)超杰［16］等在RPC的強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究中，分別討論了水膠比、砂膠比、減水劑和鋼纖維摻量等對(duì)RPC力學(xué)性能的影響，認(rèn)為:由于RPC中粉末成分很多，粉末成分比表面積大，因此高效減水劑對(duì)于RPC的作用至關(guān)重要。試驗(yàn)所用減水劑為西卡聚羧酸高效減水劑。通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出:流動(dòng)性方面，高效減水劑摻量的增加，RPC的流動(dòng)度隨之增加。但摻量過(guò)大會(huì)使?jié){體變粘稠，影響其性能;強(qiáng)度方面，隨著減水劑摻量的增加，RPC強(qiáng)度增大，摻量在3%～4%之間時(shí)，RPC的強(qiáng)度達(dá)到最高。最終確定合理?yè)搅吭?%～4%左右。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉伯川［17］等在碳纖維RPC的配制及性能研究中，研究了水膠比、硅灰、粉煤灰摻量、砂膠比、減水劑、養(yǎng)護(hù)方法等因素對(duì)RPC力學(xué)性能的作用。發(fā)現(xiàn):在水泥用量相同的情況下，加入減水劑可以在RPC拌合物流動(dòng)性不變的同時(shí)減少單位體積的用水量。隨著減水劑用量的提高，流動(dòng)度先增大，當(dāng)減水劑用量達(dá)到水泥質(zhì)量的3%時(shí)，流動(dòng)度達(dá)到最大值為185 mm，比摻量為2．4%和2．6%時(shí)分別增大了41 mm和35 mm。隨后增大減水劑的用量并不會(huì)提高拌合物的流動(dòng)性，甚至?xí)兴鶞p小，摻3．2%的減水劑比摻3%減水劑時(shí)流動(dòng)性降低了2 mm。因此采用了減水劑摻量為水泥摻量的3%進(jìn)行研究。

4　基于新規(guī)范的RPC配合比設(shè)計(jì)

新規(guī)范配合比設(shè)計(jì)一般規(guī)定:活性粉末混凝土配合比設(shè)計(jì)宜采用絕對(duì)體積法［2］。水膠比、膠凝材料用量參照GB/T 31387—2015活性粉末混凝土表8進(jìn)行選取，例如:試驗(yàn)選取水膠比為0．18，膠凝材料用量為900 kg/m3。規(guī)范規(guī)定:硅灰用量不宜小于膠凝用量的10%，水泥用量不宜小于膠凝材料用量的50%。故取硅灰∶水泥=0．25∶1，骨料體積的計(jì)算為混凝土總體積減去水、膠凝材料和含氣量得到，骨料的總用量應(yīng)由骨料體積乘以骨料的密度得到。經(jīng)計(jì)算得基準(zhǔn)配合比為:水泥∶硅灰∶石英粉∶石英砂= 1∶0．25∶0．52∶1．246;若膠凝材料中摻加粉煤灰，粉煤灰摻量取水泥質(zhì)量的20%，則配合比為:水泥∶硅灰∶粉煤灰∶石英粉∶石英砂=1∶0．25∶0．2∶0．52∶1．245。

5　結(jié)論與展望

根據(jù)上述研究結(jié)果，得出RPC適宜的配合比設(shè)計(jì)為:水膠比為0．16～0．2，減水劑用量為2%～4%，硅灰摻量為水泥質(zhì)量的20%～30%，粉煤灰摻量為水泥質(zhì)量的20% ～30%，水泥質(zhì)量不宜小于膠凝材料質(zhì)量的50%，石英粉摻量為水泥質(zhì)量的30%～50%，石英砂摻量為水泥質(zhì)量的90%～120%，進(jìn)行試配后確定最終配合比。

RPC密實(shí)性好、材料分布均勻、內(nèi)部缺陷少、力學(xué)性能表現(xiàn)突出，結(jié)構(gòu)的耐久性和體積穩(wěn)定性良好，在承受重載的豎向構(gòu)件和大跨梁板中、海洋工程及鹽湖地區(qū)工程中有著廣泛的應(yīng)用前景。為了加速推廣RPC在工程中的應(yīng)用，還需對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究:1)RPC耐久性的試驗(yàn)研究;2)RPC的應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系;3)養(yǎng)護(hù)制度對(duì)RPC強(qiáng)度的影響;4)活性粉末混凝土材料的抗拉疲勞強(qiáng)度及動(dòng)力性能。

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中圖分類號(hào):TU528．31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0108-03

收稿日期:2016-04-05

作者簡(jiǎn)介:王鈞(1967-)，女，教授;文慧(1992-)，女，在讀碩士0．33。

On proportional ratio of reactive powder concrete based on new rules

Wang JunWen Hui
(College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Abstract:Based on GB/T 31387—2015 Standard of Reactive Powder Concrete，the paper has the survey of its proportional ratio by combining with the results at home and abroad，discusses the factors including the water-binder ratio，silicon ash，fly ash，quartz sandstone，and additional agent on the dynamic performance of the concrete，and achievement valuable conclusion．

Key words:reactive powder concrete，proportional ratio，dynamic performance，fly ash，steel fiber