活性粉末混凝土配比試驗(yàn)研究

[摘　要] 　研究減水劑品種及成型技術(shù)對(duì)活性粉末混凝土(RPC) 強(qiáng)度的影響,考察水膠比、粉灰硅灰、石英粉以及鋼纖維摻量對(duì)RPC 的抗折、抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明,采用粉煤灰替代部分水泥,可以改善RPC 的流動(dòng)度及強(qiáng)度,在熱水養(yǎng)護(hù)下,可配制出抗壓強(qiáng)度超過(guò)200MPa 的活性末
混凝土。
[關(guān)鍵詞] 　活性粉末混凝土; 配比; 抗壓強(qiáng)度; 粉煤灰; 鋼纖維
[中圖分類號(hào)] 　TU5281041
[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] 　A 　
[文章編號(hào)] 　1002 - 3550 (2006) 06 - 0080 - 03

1 　引言

1993 年,法國(guó)Bouygues 實(shí)驗(yàn)室研制出一種超高抗壓強(qiáng)度、高耐久性及高韌性的新型水泥基復(fù)合材料,由于增加了組分的細(xì)度和反應(yīng)活性,因此被稱為活性粉末混凝土(ReactivePow2derConcrete ,RPC) [ 1～3 ] 。RPC 對(duì)混凝土內(nèi)部及粗骨料與砂漿的過(guò)渡區(qū)了改進(jìn): (1) 選用最大粒徑為015mm 的石英砂為粗骨料,提高了混凝土的勻質(zhì)性; (2) 通過(guò)提高組分的細(xì)度使RPC內(nèi)部達(dá)到最大填充密實(shí)度,將材料初始缺陷降至最低;(3) 在成型過(guò)程中施加壓力,減少孔隙,并通過(guò)90 ℃的熱養(yǎng)護(hù)或250 ℃～400 ℃的蒸汽養(yǎng)護(hù)來(lái)加速粉末的水化反應(yīng),強(qiáng)化水化物的結(jié)合力; (4) 摻入細(xì)而短的鋼纖維,提高混凝土的抗彎折強(qiáng)度。RPC 作為一類新型混土, 不僅可獲得200MPa 或500MPa 的超高抗壓強(qiáng)度,而且具有30MPa～60MPa 的抗折強(qiáng)度,有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性,RPC 的優(yōu)越性能使其在土木、石油、核電、市政、海洋工程及軍事設(shè)施中有著廣闊的應(yīng)用前景,目前RPC 已成為國(guó)際工程材料領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

在我國(guó),近年來(lái)清華大學(xué)[ 4 ] 、湖南大學(xué)[ 5 ,6 ] 、福州大學(xué)[ 7 ,8 ] 、石家莊鐵道學(xué)院[ 9 ] 、中南大學(xué)[ 10 ]等院校在RPC 研究方面做了很多有益的工作。湖南大學(xué)何峰等研究了原材料品種、性質(zhì)及配合比對(duì)RPC 強(qiáng)度的影響,高溫養(yǎng)護(hù)條件下未摻鋼纖維RPC的抗壓強(qiáng)度達(dá)22910MPa ,摻鋼纖維RPC 抗壓強(qiáng)度更是高達(dá)29816MPa。清華大學(xué)覃維祖采用水泥、粉煤灰和硅灰三元膠凝材料體系對(duì)RPC 開(kāi)展了試驗(yàn)研究,制備的RPC 抗壓強(qiáng)度超過(guò)200MPa ,抗折強(qiáng)度50MPa ,斷裂能為2100J / m2 。本文首先考察減水劑品種及成型技術(shù)對(duì)RPC 強(qiáng)度的影響,隨后著重討論了水膠比、硅灰、粉煤灰、石英粉以及鋼纖維摻量等對(duì)RPC抗壓、抗折強(qiáng)度及流動(dòng)性的影響。

2 　試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 　原材料

水泥:哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌普通硅酸鹽水泥,標(biāo)號(hào)P4215 ;硅灰:天先特種材料研究所提供,灰白色粉末,實(shí)測(cè)密度2.13g/ cm3 ;粉煤灰:一級(jí)特細(xì)粉煤灰,實(shí)測(cè)密度2.21g/ cm3 ;細(xì)砂:福建平潭按舊標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)的天然河砂,粒徑范圍0.25mm～0.65mm ,密度2.59g/ cm3 ;石英粉:275～320 目石英粉,實(shí)測(cè)密度2.64g/ cm3 ;高效減水劑:考察了三種減水劑對(duì)RPC 的影響,分別是: (1) 高濃型萘系FDN 減水劑,褐黃色粉末; (2) 上?；ㄍ趸瘜W(xué)有限公司的邁地21S ,屬羧酸系共聚物,無(wú)緩凝及引氣作用,淡褐色液體,含固量20 %; (3) 江西省金盛高科技發(fā)展有限公司產(chǎn)的聚羧酸鹽減水劑,淡褐色油狀液體,密度1.06g/cm3 ,有一定的緩凝及引氣作用;鋼纖維:天津市路橋鋼纖維廠產(chǎn)的表面鍍銅光面平直鋼纖維,纖維直徑0.18mm～0.2mm ,長(zhǎng)度15mm ,長(zhǎng)徑比約為79 。

2.2 　試件制備、養(yǎng)護(hù)及測(cè)試方法

2.2.1 　攪拌方式

采用水泥膠砂攪拌機(jī),手動(dòng)控制攪拌時(shí)間,考察兩種攪拌方式: ①將水泥、硅灰、砂和石英粉倒入攪拌鍋內(nèi),干拌3min ;加入溶有減水劑的一半用水量,攪拌3min ;倒入另一半用水量,攪拌3min ;若摻有鋼纖維,則最后加入鋼纖維再攪拌3min～6min[ 5 ] 。②將水泥、硅灰、粉煤灰和80 %溶有高效減水劑的水倒入攪拌鍋內(nèi)攪拌4min ;然后加入砂子和石英粉以及剩余20 %溶有高效減水劑的水,攪拌4min ;對(duì)于摻有鋼纖維的情況,則加入鋼纖維后再繼續(xù)攪拌4min[ 8 ] .21212 　試件成型及測(cè)試混凝土攪拌完后,將拌合物澆筑于40mm ×40mm ×40mm的三聯(lián)試模中,在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)5min 成型。試件成型后移入養(yǎng)護(hù)室,24h 拆模,考察兩種養(yǎng)護(hù)制度: ①在(20 ±2) ℃水中標(biāo)養(yǎng)28d ; ②先標(biāo)養(yǎng)3d ,然后在90 ℃熱水中養(yǎng)護(hù)3d。試件的抗折、抗壓強(qiáng)度按《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法( ISO) 法》( GB/ T17671- 1999) 進(jìn)行測(cè)定,拌合物的流動(dòng)度按《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》( GB2419 - 81) 采用跳桌法測(cè)定。

3 　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 　減水劑、攪拌工藝和養(yǎng)護(hù)制度對(duì)RPC 性能的影響

　　本次試驗(yàn)考察了三種高效減水劑對(duì)RPC 性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。試件編號(hào)中a、b 和c 分別代表FDN 萘系減水劑、邁地21S 和聚羧酸鹽減水劑,FDN 和聚羧酸鹽類減水劑的摻量均為膠凝材料的2 % ,邁地21S 的摻量為膠凝材料的2 %和3 %。同時(shí)還考察了攪拌方式和養(yǎng)護(hù)制度對(duì)RPC 強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響。由表1 可知: (1) 由1a、3b 和4c 的比較可知減水劑種類對(duì)RPC 性能的影響,采用FDN 的試件抗折、抗壓強(qiáng)度最高,采用邁地21S 次之,而采用聚羧酸鹽減水劑的強(qiáng)度最低。主要原因是這批聚羧酸鹽減水劑具有一定的緩凝和引氣作用,RPC 成型后表面存在明顯的孔洞,降低了其密實(shí)度,從而影響了抗折及抗壓強(qiáng)度。雖然1a 強(qiáng)度最高,但其成型困難,流動(dòng)度很低。因此綜合考慮強(qiáng)度及流動(dòng)度的影響,采用邁地21S 減水劑效果較好; (2) 5b 的抗折、抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度均比6b 略高,說(shuō)明兩種攪拌方式均可用來(lái)制備RPC ,宜優(yōu)先采用第一種攪拌工藝; (3) 熱水養(yǎng)護(hù)要明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),抗壓強(qiáng)度可高出40MPa～66MPa ,說(shuō)明熱水養(yǎng)護(hù)對(duì)RPC 的活性反應(yīng)有明顯的促進(jìn)作用,可大幅提高其抗折及抗壓強(qiáng)度,說(shuō)明制備RPC時(shí)不應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度; (4) 由邁地21S 摻量為2 %和3 %時(shí)強(qiáng)度比較可知兩者相差不大,2 %摻量時(shí)雖然沒(méi)有測(cè)出流動(dòng)度,但經(jīng)過(guò)振動(dòng)后可以成型。

3.2 　配合比對(duì)RPC 強(qiáng)度的影響

根據(jù)前述結(jié)果,采用邁地21S 減水劑(膠凝材料質(zhì)量的2 %) 、第一種攪拌工藝和熱水養(yǎng)護(hù)制度,分別考察了水膠比、砂灰比、粉煤灰和鋼纖維摻量對(duì)RPC 抗折、抗壓強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)工況和結(jié)果如表2 所示。

　由表中A 組試件抗折及抗壓強(qiáng)度的比較可以看出:隨著水膠比的增大,抗折強(qiáng)度逐漸降低,膠比為0.16 時(shí)的抗折強(qiáng)度最高, 達(dá)18.17MPa , 而水膠比為0.22 時(shí)的抗折強(qiáng)度為15.13 ,兩者相差16.7 %;抗壓強(qiáng)度在水膠比為0.18 時(shí)出現(xiàn)峰值,這是由于水膠比為0.16 時(shí)拌合物的流動(dòng)性很差,振搗成型時(shí)不容易密實(shí),導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低,所以在配制RPC 時(shí)不應(yīng)過(guò)分地追求低水膠比,而應(yīng)綜合考慮強(qiáng)度和流動(dòng)性來(lái)選擇最佳的水膠比,以達(dá)到較高的強(qiáng)度,本文試驗(yàn)中得到的最佳水膠比為0.18 。B 組工況考察砂灰比(S/ C) 對(duì)RPC 強(qiáng)度的影響,隨著標(biāo)準(zhǔn)砂摻量的增加,RPC 的抗折強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì),當(dāng)砂灰比為1.1 時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到最大;抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度趨勢(shì)相同,砂灰比為1.0 和1.1 時(shí)強(qiáng)度相差很小,所以考慮最佳的砂灰比為1.1 ,此時(shí)RPC 的抗折和抗壓強(qiáng)度均較高。RPC實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的前提是采用極低的水膠比,此時(shí)水泥和硅灰都不可能充分水化,因此可以考慮采用粉煤灰取代部分水泥,利用粉煤灰水化速度緩慢的特點(diǎn),使體系在較低水膠比時(shí),水灰比卻隨粉煤灰摻量的增加而增大,從而營(yíng)造一個(gè)良好的動(dòng)態(tài)水化環(huán)境。表2 中C 組工況考察了粉煤灰摻量對(duì)RPC強(qiáng)度的影響,粉煤灰等質(zhì)量取代水泥且保證膠凝材料總量不變?？梢钥闯?抗折強(qiáng)度在粉煤灰水泥質(zhì)量比為0.2 時(shí)達(dá)到最高,此后隨粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢(shì);抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在粉煤灰水泥質(zhì)量比為0.33 時(shí)出現(xiàn)最大值,此時(shí)粉煤灰與膠凝材料的比約為0.2 左右。

RPC 通過(guò)摻入細(xì)而短的鋼纖維來(lái)提高抗折強(qiáng)度,D 組工況考察鋼纖維的體積摻量對(duì)抗折及抗壓強(qiáng)度的影響,可以看出:鋼纖維體積摻量的增加使得抗折及抗壓強(qiáng)度均增加,當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)4 %時(shí),RPC 抗折及抗壓強(qiáng)度最高,分別達(dá)到45.2MPa和220MPa ;隨著鋼纖維體積摻量的不斷提高,RPC 拌合物的流動(dòng)度也在不斷減小,試件成型越來(lái)越困難,同時(shí)RPC 的造價(jià)也會(huì)不斷增加。綜合考慮強(qiáng)度及流動(dòng)度的因素,本文認(rèn)為鋼纖維的最大體積摻量宜取為2 %～3 %。這里需要說(shuō)明的是,表2中各試件的流動(dòng)度采用跳桌法很難測(cè)出,但均可以成型。另外,石英粉只有在較高溫度下其活性才能充分發(fā)揮,且其摻入后流動(dòng)度將降低,所以表2 中并沒(méi)有考慮石英粉摻量的變化工況,而是取消石英粉改用標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量代替,則相應(yīng)的砂膠比約為1.2 左右。3.3 　RPC 最優(yōu)配合比的確定在前述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,綜合考慮RPC 的工作性和力學(xué)性能,選擇表3 作為RPC 的最優(yōu)配合比工況?？紤]到石英粉在90 ℃熱水養(yǎng)護(hù)條件下其活性很難充分發(fā)揮,因此在表3 中采用標(biāo)準(zhǔn)砂取代石英粉,砂膠比在1.2 左右。另外,前述試驗(yàn)中的RPC 拌合物的流動(dòng)性較差,因此表3 中減水劑摻量按含固量為膠凝材料的1 %添加。表3 中工況4 主要考察粉煤灰超量取代的效果,即一部分粉煤灰取代水泥,而另一部分粉煤灰則取代標(biāo)準(zhǔn)砂。工況5 主要是為了考察不摻加粉煤灰的二元膠凝體系與三元膠凝體系的區(qū)別, 表3 中基準(zhǔn)水泥用量為630kg/ m3 。

對(duì)比配比1～3 的強(qiáng)度及流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果可知: (1) 當(dāng)減水劑按含固量為膠凝材料的1 %摻入時(shí),RPC 拌合物的工作性明顯改善,粘性及濕度均較大,比前述試驗(yàn)中較干的拌合物相比更容易成型; 當(dāng)水膠比為0.2 時(shí), 其流動(dòng)度更是達(dá)到了175mm ,成型十分容易; (2) 隨著水膠比的增加,RPC 的抗折及抗壓強(qiáng)度均下降,這與表2 中A 組情況有所差別,主要原因是減水劑摻量增加后,低水膠比的RPC 亦很容易密實(shí)成型,所以隨水膠比的減小其抗壓強(qiáng)度不斷增加; (3) 綜合考慮強(qiáng)度和工作性,最佳水膠比應(yīng)在0.16～0.18 范圍內(nèi)。由配比2 、4 和5 的比較可知: (1) 摻入粉煤灰后拌合物的流動(dòng)性會(huì)得到明顯改善,配比5 為二元膠凝體系,沒(méi)有測(cè)出其流動(dòng)度,而配比2 和4 中隨粉煤灰摻量的增加,RPC 的流動(dòng)度不斷提高,說(shuō)明采用摻入粉煤灰的三元膠凝體系來(lái)制備RPC更為合理; (2) 對(duì)比配比4 、5 的強(qiáng)度可以看出,兩者抗壓強(qiáng)度十分接近,但加入粉煤灰后RPC 的抗折強(qiáng)度有所提高; (3) 配比1的抗折和抗壓強(qiáng)度最高,其流動(dòng)度亦較好,所以將配比1 定為本文試驗(yàn)所用原材料的最優(yōu)配合比。

4 　結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)RPC 配制技術(shù)的試驗(yàn)研究,可以得到以下結(jié)論:(1) 配制RPC不應(yīng)一味地追求低水膠比,應(yīng)該充分考慮強(qiáng)度和流動(dòng)度兩個(gè)因素對(duì)RPC性能的影響,若對(duì)RPC強(qiáng)度有較高要求時(shí)可擇0.16 的水膠比,其熱水養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度可超過(guò)200MPa ;而如果對(duì)工作性要求較高時(shí),應(yīng)采用稍大的水膠比;(2) 摻入粉煤灰取代部分水泥用量,不僅降低RPC 的制備成本,還可較好地改善RPC 的強(qiáng)度和工作性能,說(shuō)明采用摻入粉煤灰的三元膠凝體系來(lái)制備RPC 更為合理,試驗(yàn)得到粉煤灰的最佳摻量是粉煤灰水泥比介于0.25～0.33 之間,可以考慮采用0.3 ;(3) 石英粉的活性只有在蒸壓養(yǎng)護(hù)時(shí)才能得到發(fā)揮,當(dāng)采用熱水養(yǎng)護(hù)時(shí)可不加入石英粉組分,而只用標(biāo)準(zhǔn)砂作為RPC的骨料,試驗(yàn)得到的最優(yōu)砂膠比是1:2 ;