粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板力學(xué)性能試驗(yàn)與應(yīng)用研究

劉峰 婁深鑫 陳峰

1. 江蘇新構(gòu)智能制造科技有限公司 江蘇 南京 211800；2. 江蘇寧淮智能制造產(chǎn)業(yè)園開發(fā)建設(shè)有限公司 江蘇 淮安 211700

引言

以硅酸鹽水泥為基本膠凝材料的混凝土，摻入高效減水劑和硅灰摻合料后，在和易性良好的情況下拌合成型，硬化后可獲得80MPa以上的抗壓強(qiáng)度，應(yīng)用這種材料可減少構(gòu)件截面，實(shí)現(xiàn)輕型化。但根據(jù)調(diào)查結(jié)果，這類高強(qiáng)度混凝土比中低強(qiáng)度的更易開裂。

為避免上述問題的產(chǎn)生，法國(guó)人P.Richard，根據(jù)密實(shí)堆積原理，用石英砂為骨料，制備出活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC），不但具有很高的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，收縮變小，耐久性好，而且其抗?jié)B性、抗凍性和耐腐蝕性能均遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土[1]。RPC中沒有粗骨料，通過改變組分的細(xì)度和活性降低材料內(nèi)部的孔隙與微裂縫，從而獲得超高強(qiáng)度和耐久性[2]。RPC的組分包括硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂、減水劑、鋼纖維、石英粉。硅灰是RPC獲得良好性能所需的一種礦物摻合料，其顆粒較細(xì)且活性高，其可以提高密實(shí)度、改善界面過渡區(qū)，提高RPC強(qiáng)度，但硅灰摻量增多會(huì)降低拌合物流動(dòng)性，試件自收縮和干縮值增大。粉煤灰和礦粉中活性二氧化硅含量較高，可以改善RPC的性能。粉煤灰具有“填充”、“活性”、“滾珠”作用，可使拌合物流動(dòng)性增加，試件的強(qiáng)度增加。粉煤灰和礦粉可提高試件的韌性和抗折強(qiáng)度。纖維是RPC必備組分，纖維的摻入可以顯著提高試件的抗折和抗劈裂強(qiáng)度，但過量摻入會(huì)使拌合物流動(dòng)性變差成型困難，密實(shí)度降低，纖維與基體界面過多，內(nèi)部缺陷增加。降低細(xì)骨料尺寸可以增加密實(shí)度，減少界面缺陷，提高強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)方式采用高壓蒸養(yǎng)可以提高20%左右的試件強(qiáng)度，蒸養(yǎng)有利于試件早期的物理力學(xué)性能的提高，不利于后期強(qiáng)度的持續(xù)增加，常溫養(yǎng)護(hù)也可獲得令人滿意的力學(xué)性能[3]。

粗骨料活性粉末混凝土是在拌合物和試件物理力學(xué)性能犧牲很小的情況下，摻入粒徑較大的石子，置換部分細(xì)骨料和礦物摻合料，由于粗骨料的摻入，其彈性模量比RPC大，收縮比RPC小。最重要的是其制備成本有了顯著的降低，為其規(guī)?；瘧?yīng)用創(chuàng)造了可能[4]。

鋼筋混凝土隨齡期延長(zhǎng)產(chǎn)生收縮變形，變形受鋼筋約束使微裂縫和孔隙連通，導(dǎo)致混凝土的低滲透性喪失，侵蝕介質(zhì)進(jìn)入使鋼筋銹蝕鼓脹，是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因[5]。無筋板可以避免這一問題，又能簡(jiǎn)化施工流程，但普通混凝土素板脆性大，使其難以得到有效的應(yīng)用。粗骨料活性粉末混凝土無筋板具有優(yōu)異的抗彎性能，并且延性較好，具有較廣的應(yīng)用范圍。

1 試件制備

粗骨料活性粉末混凝土拌合物是預(yù)拌核心組分（水泥、硅灰、粉煤灰、液料、礦粉、鋼纖維）、細(xì)骨料、粗骨料、水按一定比例混合，通過自動(dòng)化攪拌裝置內(nèi)計(jì)量系統(tǒng)精準(zhǔn)計(jì)量，攪拌合適時(shí)間后，獲得擴(kuò)展度適宜的拌合物，下料至料斗中。

無筋薄板的尺寸為1500mm×1500mm×40mm，澆筑模板側(cè)模采用木模，以光滑平整的地坪作為底模，試件澆筑時(shí)在板中心處下料，依靠拌合物的流動(dòng)性自由擴(kuò)展至側(cè)模，輔以人工抹平，澆筑成型后，采用自然養(yǎng)護(hù)的方式進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)，齡期3d時(shí)脫模，28d達(dá)到試驗(yàn)要求的齡期，本次試驗(yàn)共制備兩塊薄板。

2 測(cè)試方案

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板加載試驗(yàn)?zāi)康挠?個(gè)：①確定無筋粗骨料活性粉末混凝土薄板抗彎承載力；②確定無筋粗骨料活性粉末混凝土薄板抗裂性能；③評(píng)估無筋粗骨料活性粉末混凝土薄板的延性性能。兩塊試驗(yàn)板，其中一塊為底模面受彎加載，另一塊為頂面受彎加載，用以對(duì)比頂?shù)酌媪W(xué)性能的差別。

試驗(yàn)加載設(shè)備采用多通道電液伺服加載系統(tǒng)，變形測(cè)量采用位移計(jì)，應(yīng)變測(cè)量采用動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，裂縫寬度測(cè)量采用裂縫綜合測(cè)試儀，加載示意圖及位移、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 加載示意圖

圖2 兩個(gè)試件撓度—荷載曲線圖

試驗(yàn)測(cè)試的加載步驟包括預(yù)加載，第一次加載至出現(xiàn)裂縫后緩慢卸載，第二次加載至試件破壞，裂縫剛產(chǎn)生時(shí)十分細(xì)微，即使用專用的裂縫觀測(cè)儀也難以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中以跨中應(yīng)變發(fā)生非比例增加時(shí)的加載等級(jí)作為裂縫出現(xiàn)的荷載等級(jí)。兩塊試驗(yàn)板采用同樣的加載步驟。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試件運(yùn)送至結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室后，加載前對(duì)試件進(jìn)行外觀檢查，確保構(gòu)件表面不存在破損，裂縫等外觀缺陷。試件安裝就位，位移、應(yīng)變傳感器布置好以后即可按加載方案進(jìn)行加載，本試驗(yàn)采用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變，在貼完測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片后，另外布置了溫度補(bǔ)償片。

經(jīng)測(cè)試，試件1在荷載達(dá)到22.5kN時(shí)，撓度—荷載曲線斜率發(fā)生變化，且試件跨中位置處應(yīng)變發(fā)生突變，此時(shí)判斷為試件初裂；當(dāng)繼續(xù)加載至下一級(jí)25kN時(shí)，測(cè)得裂縫寬度為0.02mm。在荷載30kN后繼續(xù)加載至下一級(jí)時(shí)，荷載已無法上升并出現(xiàn)下降，判定為試件破壞并停止加載，此時(shí)裂縫寬度0.14mm。試件2在荷載達(dá)20kN時(shí)，撓度—荷載曲線斜率發(fā)生變化，且試件跨中位置處應(yīng)變發(fā)生突變，此時(shí)判斷為試件初裂；當(dāng)繼續(xù)加載至下一級(jí)22.5kN時(shí)，測(cè)得裂縫寬度為0.02mm。在荷載32.5kN后繼續(xù)加載至下一級(jí)時(shí)，荷載已無法上升，判定為試件破壞并停止加載，此時(shí)裂縫寬度0.1mm。

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板的抗拉強(qiáng)度較普通混凝土有了大幅度提升，初裂抗拉強(qiáng)度大于10MPa，使其在彈性工作范圍內(nèi)能承受更大的荷載。

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板不僅抗拉性能優(yōu)異，從試驗(yàn)的荷載-位移曲線可以看出，試件初裂后的循環(huán)加載過程中，曲線斜率未發(fā)生明顯變化，說明素板具有很好的彈性工作性能。并且試件開裂后，粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板不像普通混凝土素板在受彎開裂后會(huì)迅速發(fā)生脆斷。如試件一加載至22.5kN時(shí)開裂，開裂后加載至30kN時(shí)，才發(fā)生不能持荷，此時(shí)試件也并未發(fā)生斷裂，存在比較大的塑形變形；試件二加載至20kN時(shí)開裂，加載至32.5kN時(shí)，不能持荷，試件亦未發(fā)生斷裂，塑性發(fā)展更充分。由此可見，粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板具有良好的延性，用于承載不會(huì)發(fā)生脆性破壞。

4 應(yīng)用探討

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板具有較高的抗裂性能和抗彎承載力，亦具備良好的延性性能，不配鋼筋也極大程度簡(jiǎn)化制造工藝，有利于降低總體的工程造價(jià)，可以在以下幾個(gè)方面考慮應(yīng)用。

4.1 樹池?fù)醢?/h3>

普通的樹池一般采用厚度大于10cm的花崗巖邊框圍護(hù)形成，邊框埋深較淺，常發(fā)生樹池邊路基因水土流失導(dǎo)致的路基病害。用粗骨料活性粉末混凝土無筋板將樹木根系包裹住，可以解決這類路基病害。經(jīng)計(jì)算，在主動(dòng)土壓力和車輛荷載土壓力共同作用下，3.5cm厚的板即可滿足受力要求，更輕薄的樹池?fù)醢逋瑯犹嵘嗣烙^效果。

4.2 人行道板及電纜溝蓋板

人行道及電纜溝蓋板一般跨徑不大，承受荷載較小，通常采用厚度較大的配筋普通混凝土板，重量較大，給安裝和檢修帶來一定的困難。經(jīng)計(jì)算，輕薄的粗骨料活性粉末混凝土無筋板就可滿足使用要求，而且無普通鋼筋，制造簡(jiǎn)便，安裝容易，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 檢查井蓋板

常規(guī)檢查井蓋板采用球墨鑄鐵蓋板，這種檢查井蓋板一個(gè)重要問題是防腐問題。尤其對(duì)于南方城市，降水較多，雨污水會(huì)加速蓋板腐蝕，鑄鐵蓋板更換頻繁。粗骨料活性粉末混凝土無筋板不配置普通鋼筋，耐久性更好，無須經(jīng)常更換，是比較有優(yōu)勢(shì)的方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板抗彎拉強(qiáng)度大于10MPa，比素混凝土板具有更高的受彎承載力。

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板具有良好的彈性工作性能，構(gòu)件開裂后也不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，具備良好的延性。

粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板由于未配置普通鋼筋，構(gòu)件耐久性更好，使用壽命更長(zhǎng)。

根據(jù)粗骨料活性粉末混凝土無筋薄板突出的力學(xué)性能和耐久性，可以考慮將此種輕薄無筋板用于樹池?fù)醢?，人行道及電纜溝蓋板及檢查井蓋板，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。