活性粉末混凝土配比试验研究

[摘　要] 　研究减水剂品种及成型技术对活性粉末混凝土(RPC) 强度的影响,考察水胶比、粉灰硅灰、石英粉以及钢纤维掺量对RPC 的抗折、抗压强度及流动度的影响规律。结果表明,采用粉煤灰替代部分水泥,可以改善RPC 的流动度及强度,在热水养护下,可配制出抗压强度超过200MPa 的活性末
混凝土。
[关键词] 　活性粉末混凝土; 配比; 抗压强度; 粉煤灰; 钢纤维
[中图分类号] 　TU5281041
[文献标识码] 　A 　
[文章编号] 　1002 - 3550 (2006) 06 - 0080 - 03

1 　引言

     1993 年,法国Bouygues 实验室研制出一种超高抗压强度、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料,由于增加了组分的细度和反应活性,因此被称为活性粉末混凝土(ReactivePow2derConcrete ,RPC) [ 1～3 ] 。RPC 对混凝土内部及粗骨料与砂浆的过渡区了改进: (1) 选用最大粒径为015mm 的石英砂为粗骨料,提高了混凝土的匀质性; (2) 通过提高组分的细度使RPC内部达到最大填充密实度,将材料初始缺陷降至最低;(3) 在成型过程中施加压力,减少孔隙,并通过90 ℃的热养护或250 ℃～400 ℃的蒸汽养护来加速粉末的水化反应,强化水化物的结合力; (4) 掺入细而短的钢纤维,提高混凝土的抗弯折强度。RPC 作为一类新型混土, 不仅可获得200MPa 或500MPa 的超高抗压强度,而且具有30MPa～60MPa 的抗折强度,有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性,RPC 的优越性能使其在土木、石油、核电、市政、海洋工程及军事设施中有着广阔的应用前景,目前RPC 已成为国际工程材料领域一个新的研究热点。

      在我国,近年来清华大学[ 4 ] 、湖南大学[ 5 ,6 ] 、福州大学[ 7 ,8 ] 、石家庄铁道学院[ 9 ] 、中南大学[ 10 ]等院校在RPC 研究方面做了很多有益的工作。湖南大学何峰等研究了原材料品种、性质及配合比对RPC 强度的影响,高温养护条件下未掺钢纤维RPC的抗压强度达22910MPa ,掺钢纤维RPC 抗压强度更是高达29816MPa。清华大学覃维祖采用水泥、粉煤灰和硅灰三元胶凝材料体系对RPC 开展了试验研究,制备的RPC 抗压强度超过200MPa ,抗折强度50MPa ,断裂能为2100J / m2 。本文首先考察减水剂品种及成型技术对RPC 强度的影响,随后着重讨论了水胶比、硅灰、粉煤灰、石英粉以及钢纤维掺量等对RPC抗压、抗折强度及流动性的影响。

2 　试验准备

2.1 　原材料

      水泥:哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌普通硅酸盐水泥,标号P4215 ;硅灰:天先特种材料研究所提供,灰白色粉末,实测密度2.13g/ cm3 ;粉煤灰:一级特细粉煤灰,实测密度2.21g/ cm3 ;细砂:福建平潭按旧标准产的天然河砂,粒径范围0.25mm～0.65mm ,密度2.59g/ cm3 ;石英粉:275～320 目石英粉,实测密度2.64g/ cm3 ;高效减水剂:考察了三种减水剂对RPC 的影响,分别是: (1) 高浓型萘系FDN 减水剂,褐黄色粉末; (2) 上海花王化学有限公司的迈地21S ,属羧酸系共聚物,无缓凝及引气作用,淡褐色液体,含固量20 %; (3) 江西省金盛高科技发展有限公司产的聚羧酸盐减水剂,淡褐色油状液体,密度1.06g/cm3 ,有一定的缓凝及引气作用;钢纤维:天津市路桥钢纤维厂产的表面镀铜光面平直钢纤维,纤维直径0.18mm～0.2mm ,长度15mm ,长径比约为79 。

2.2 　试件制备、养护及测试方法

2.2.1 　搅拌方式

      采用水泥胶砂搅拌机,手动控制搅拌时间,考察两种搅拌方式: ①将水泥、硅灰、砂和石英粉倒入搅拌锅内,干拌3min ;加入溶有减水剂的一半用水量,搅拌3min ;倒入另一半用水量,搅拌3min ;若掺有钢纤维,则最后加入钢纤维再搅拌3min～6min[ 5 ] 。②将水泥、硅灰、粉煤灰和80 %溶有高效减水剂的水倒入搅拌锅内搅拌4min ;然后加入砂子和石英粉以及剩余20 %溶有高效减水剂的水,搅拌4min ;对于掺有钢纤维的情况,则加入钢纤维后再继续搅拌4min[ 8 ] .21212 　试件成型及测试混凝土搅拌完后,将拌合物浇筑于40mm ×40mm ×40mm的三联试模中,在振动台上振动5min 成型。试件成型后移入养护室,24h 拆模,考察两种养护制度: ①在(20 ±2) ℃水中标养28d ; ②先标养3d ,然后在90 ℃热水中养护3d。试件的抗折、抗压强度按《水泥胶砂强度检验方法( ISO) 法》( GB/ T17671- 1999) 进行测定,拌合物的流动度按《水泥胶砂流动度测定方法》( GB2419 - 81) 采用跳桌法测定。

3 　试验结果及分析

3.1 　减水剂、搅拌工艺和养护制度对RPC 性能的影响

　　本次试验考察了三种高效减水剂对RPC 性能的影响,试验结果如表1 所示。试件编号中a、b 和c 分别代表FDN 萘系减水剂、迈地21S 和聚羧酸盐减水剂,FDN 和聚羧酸盐类减水剂的掺量均为胶凝材料的2 % ,迈地21S 的掺量为胶凝材料的2 %和3 %。同时还考察了搅拌方式和养护制度对RPC 强度和流动度的影响。由表1 可知: (1) 由1a、3b 和4c 的比较可知减水剂种类对RPC 性能的影响,采用FDN 的试件抗折、抗压强度最高,采用迈地21S 次之,而采用聚羧酸盐减水剂的强度最低。主要原因是这批聚羧酸盐减水剂具有一定的缓凝和引气作用,RPC 成型后表面存在明显的孔洞,降低了其密实度,从而影响了抗折及抗压强度。虽然1a 强度最高,但其成型困难,流动度很低。因此综合考虑强度及流动度的影响,采用迈地21S 减水剂效果较好; (2) 5b 的抗折、抗压强度和流动度均比6b 略高,说明两种搅拌方式均可用来制备RPC ,宜优先采用第一种搅拌工艺; (3) 热水养护要明显优于标准养护,抗压强度可高出40MPa～66MPa ,说明热水养护对RPC 的活性反应有明显的促进作用,可大幅提高其抗折及抗压强度,说明制备RPC时不应采用标准养护制度; (4) 由迈地21S 掺量为2 %和3 %时强度比较可知两者相差不大,2 %掺量时虽然没有测出流动度,但经过振动后可以成型。

3.2 　配合比对RPC 强度的影响

      根据前述结果,采用迈地21S 减水剂(胶凝材料质量的2 %) 、第一种搅拌工艺和热水养护制度,分别考察了水胶比、砂灰比、粉煤灰和钢纤维掺量对RPC 抗折、抗压强度的影响,试验工况和结果如表2 所示。

   　由表中A 组试件抗折及抗压强度的比较可以看出:随着水胶比的增大,抗折强度逐渐降低,胶比为0.16 时的抗折强度最高, 达18.17MPa , 而水胶比为0.22 时的抗折强度为15.13 ,两者相差16.7 %;抗压强度在水胶比为0.18 时出现峰值,这是由于水胶比为0.16 时拌合物的流动性很差,振捣成型时不容易密实,导致其抗压强度降低,所以在配制RPC 时不应过分地追求低水胶比,而应综合考虑强度和流动性来选择最佳的水胶比,以达到较高的强度,本文试验中得到的最佳水胶比为0.18 。B 组工况考察砂灰比(S/ C) 对RPC 强度的影响,随着标准砂掺量的增加,RPC 的抗折强度呈先上升后下降的趋势,当砂灰比为1.1 时抗折强度达到最大;抗压强度与抗折强度趋势相同,砂灰比为1.0 和1.1 时强度相差很小,所以考虑最佳的砂灰比为1.1 ,此时RPC 的抗折和抗压强度均较高。RPC实现高强度的前提是采用极低的水胶比,此时水泥和硅灰都不可能充分水化,因此可以考虑采用粉煤灰取代部分水泥,利用粉煤灰水化速度缓慢的特点,使体系在较低水胶比时,水灰比却随粉煤灰掺量的增加而增大,从而营造一个良好的动态水化环境。表2 中C 组工况考察了粉煤灰掺量对RPC强度的影响,粉煤灰等质量取代水泥且保证胶凝材料总量不变。可以看出:抗折强度在粉煤灰水泥质量比为0.2 时达到最高,此后随粉煤灰掺量的增加呈下降趋势;抗压强度则呈现先增大后减小的趋势,在粉煤灰水泥质量比为0.33 时出现最大值,此时粉煤灰与胶凝材料的比约为0.2 左右。

      RPC 通过掺入细而短的钢纤维来提高抗折强度,D 组工况考察钢纤维的体积掺量对抗折及抗压强度的影响,可以看出:钢纤维体积掺量的增加使得抗折及抗压强度均增加,当钢纤维掺量达4 %时,RPC 抗折及抗压强度最高,分别达到45.2MPa和220MPa ;随着钢纤维体积掺量的不断提高,RPC 拌合物的流动度也在不断减小,试件成型越来越困难,同时RPC 的造价也会不断增加。综合考虑强度及流动度的因素,本文认为钢纤维的最大体积掺量宜取为2 %～3 %。这里需要说明的是,表2中各试件的流动度采用跳桌法很难测出,但均可以成型。另外,石英粉只有在较高温度下其活性才能充分发挥,且其掺入后流动度将降低,所以表2 中并没有考虑石英粉掺量的变化工况,而是取消石英粉改用标准砂质量代替,则相应的砂胶比约为1.2 左右。3.3 　RPC 最优配合比的确定在前述试验的基础上,综合考虑RPC 的工作性和力学性能,选择表3 作为RPC 的最优配合比工况。考虑到石英粉在90 ℃热水养护条件下其活性很难充分发挥,因此在表3 中采用标准砂取代石英粉,砂胶比在1.2 左右。另外,前述试验中的RPC 拌合物的流动性较差,因此表3 中减水剂掺量按含固量为胶凝材料的1 %添加。表3 中工况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,而另一部分粉煤灰则取代标准砂。工况5 主要是为了考察不掺加粉煤灰的二元胶凝体系与三元胶凝体系的区别, 表3 中基准水泥用量为630kg/ m3 。

      对比配比1～3 的强度及流动度试验结果可知: (1) 当减水剂按含固量为胶凝材料的1 %掺入时,RPC 拌合物的工作性明显改善,粘性及湿度均较大,比前述试验中较干的拌合物相比更容易成型; 当水胶比为0.2 时, 其流动度更是达到了175mm ,成型十分容易; (2) 随着水胶比的增加,RPC 的抗折及抗压强度均下降,这与表2 中A 组情况有所差别,主要原因是减水剂掺量增加后,低水胶比的RPC 亦很容易密实成型,所以随水胶比的减小其抗压强度不断增加; (3) 综合考虑强度和工作性,最佳水胶比应在0.16～0.18 范围内。由配比2 、4 和5 的比较可知: (1) 掺入粉煤灰后拌合物的流动性会得到明显改善,配比5 为二元胶凝体系,没有测出其流动度,而配比2 和4 中随粉煤灰掺量的增加,RPC 的流动度不断提高,说明采用掺入粉煤灰的三元胶凝体系来制备RPC更为合理; (2) 对比配比4 、5 的强度可以看出,两者抗压强度十分接近,但加入粉煤灰后RPC 的抗折强度有所提高; (3) 配比1的抗折和抗压强度最高,其流动度亦较好,所以将配比1 定为本文试验所用原材料的最优配合比。

4 　结论

      通过上述对RPC 配制技术的试验研究,可以得到以下结论:(1) 配制RPC不应一味地追求低水胶比,应该充分考虑强度和流动度两个因素对RPC性能的影响,若对RPC强度有较高要求时可择0.16 的水胶比,其热水养护的抗压强度可超过200MPa ;而如果对工作性要求较高时,应采用稍大的水胶比;(2) 掺入粉煤灰取代部分水泥用量,不仅降低RPC 的制备成本,还可较好地改善RPC 的强度和工作性能,说明采用掺入粉煤灰的三元胶凝体系来制备RPC 更为合理,试验得到粉煤灰的最佳掺量是粉煤灰水泥比介于0.25～0.33 之间,可以考虑采用0.3 ;(3) 石英粉的活性只有在蒸压养护时才能得到发挥,当采用热水养护时可不加入石英粉组分,而只用标准砂作为RPC的骨料,试验得到的最优砂胶比是1:2 ;