活性粉末混凝土(RPC)配制试验研究

郭 敏，李海艳，刘 刚，李小兵

(1. 成都市成华区政府投资项目评审管理中心, 四川成都640051; 2. 石家庄铁道大学工程力学系,河北石家庄050043)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，缩写为RPC)是继高强、高性能混凝土之后出现的一种新型超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的混凝土，其基本组成材料有水泥、减水剂、微粉末材料(硅灰、粉煤灰、矿渣粉、磨细石英粉)、石英砂等[1]。为了提高RPC的延性和抗拉强度可以掺入微钢纤维，为了提高其抗火性能可以掺入聚丙烯等有机纤维[2]。福州大学吴炎海等人，进行了活性粉末混凝土(RPC200)的配制试验，比较了水胶比、砂胶比、减水剂掺量、硅灰/石英粉等参数对RPC的流动度以及抗折、抗压强度的影响[3]；湖南大学的何峰、黄政宇等人研究了原材料品种、性质及配合比对RPC强度的影响[4]；同济大学的龙广成等人研究了养护温度和龄期对水泥、粉煤灰以及硅灰等粉末材料为主要原料的RPC强度的影响，以确定最佳养护条件[5]。

本文通过18组配比试验，研究了水胶比、减水剂掺量、钢纤维掺量、聚丙烯纤维掺量、钢纤维与聚丙烯纤维混掺、龄期及尺寸效应对RPC性能的影响。得到了不同纤维种类与掺量、龄期及尺寸效应对RPC性能的影响规律，获得了强度和流动度都比较好的活性粉末混凝土。

1 原材料与配合比

1.1 试验原材料

水泥：黑龙江宾州水泥有限公司生产的“虎鼎牌”P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；

硅灰：遵义天冠微硅粉回收有限公司生产的硅灰，SiO2含量94.5 %，比表面积：20 780 m2/kg；

矿渣粉：辽源市金刚水泥有限公司生产的S95型矿渣粉，比表面积4 750 cm2/g；

石英砂：哈尔滨晶华水处理材料有限公司生产的石英砂，40～70目和70～140目各占50 %，SiO2含量在99.6 %以上；

减水剂：山东莱芜纹河化工有限公司的FDN浓缩型高效减水剂，黄褐色粉末；

钢纤维：鞍山昌宏钢纤维厂的超细超短高强钢纤维，平直型，长度为13 mm，等效直径0.22 mm，长径比为59.1;

聚丙烯(PP)纤维：哈尔滨路同科技发展有限公司提供的聚丙烯 (PP) 纤维，纤维长度18～20 mm，平均直径45 μm，密度0.91 g/ cm3，熔点165℃。

1.2 试验配合比

在课题组前期试配的基础上[6]，通过变换水胶比、减水剂掺量、纤维种类和掺量得到如下表1所示配合比。

表1 试验配合比

续表1

注：① 水胶比中，胶凝材料为水泥、硅灰和矿渣三者之和；钢纤维和聚丙烯纤维为体积掺量。② 编号A2、B1、D2和E2分别成型2组70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和2组100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，其余每个编号均成型2组70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件，每3个试件为一组。

2 试件制作与养护

2.1 试件设计

试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，每3个试块为一组。边长70.7 mm立方体的试件浇筑28组84个试块，边长100 mm立方体的试件浇筑8组24个试块。分别用来研究水胶比、减水剂掺量、纤维种类和掺量以及尺寸效应对RPC流动度和强度的影响。

2.2 试件制备

RPC的制备工艺在设备上无特殊要求，但投料顺序、搅拌时间及养护制度需按一定要求进行。实验采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机进行搅拌，具体步骤为：

(1) 将称量好的石英砂、水泥、硅灰、矿渣和减水剂依次倒入搅拌锅内，干拌3 min；

(2) 加入称量好的水，搅拌4 min (慢搅1 min ，快搅2 min ，再慢搅1 min )；

(3) 均匀撒入钢纤维和聚丙烯纤维，搅拌6 min (慢搅2 min ，快搅3 min ，再慢搅1 min)出料并测定流动度；

(4) 将混凝土拌合物一次装入试模，在混凝土振动台上经高频振动成型，标准环境下静置24 h后拆模。

2.3 养护制度

由国内外文献可知，养护条件对RPC强度有重要影响[7]。本试验采用的养护制度为：试件成型后先标准养护24 h脱模；而后放入温度为90℃的混凝土加速养护箱内养护3 d；再在标准养护室分别养护至7 d和 28 d后进行抗压强度试验。

2.4 试验方法

根据《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419-2005)要求，采用跳桌法进行RPC流动度的测定；抗压强度按照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ 70-90)的要求，在YA-2000型电液式压力机上进行。

3 试验结果及分析

3.1 水胶比对RPC强度和流动度的影响

由于RPC不含粗骨料，且提高了水泥用量，并添加了硅灰、矿渣等活性掺和料。因此，用水量的多少直接影响着水泥的水化程度和材料火山灰效应的发挥，并最终影响RPC的性能[3]。所以，水胶比对RPC有重要影响。从图1中可以看出，随着水胶比的增大，RPC流动度增大，水胶比为0.22时，拌合物振捣时可以达到自流平；立方体抗压强度则随着水胶比的增大逐渐减小，水胶比为0.18时强度值最大，但此时流动度仅为16 mm。综合考虑流动度和抗压强度，本试验最佳水胶比取为0.2。

图1 水胶比对RPC流动度和强度的影响

3.2 减水剂掺量对RPC强度和流动度的影响

高效减水剂是配制高强混凝土不可缺少的组分之一。由于RPC中粉末材料掺量大，比表面积也较大，所以，减水剂的掺量比普通混凝土大。图2为减水剂掺量对RPC流动度和强度的影响。从图中可以看出，随着减水剂掺量的增加，RPC流动度不断增大，强度略有降低，减水剂与胶凝材料的比值为4 %和3.5 %的强度相比，二者基本相同，但减水剂掺量为4 %时对应的流动度较好，为21mm。所以，本试验减水剂最佳掺量取为4 %。

图2 减水剂掺量对RPC流动度和强度的影响

3.3 钢纤维掺量对RPC强度和流动度的影响

钢纤维的掺入能够阻碍混凝土内部微裂纹的扩展，显著提高RPC的强度、韧性和延性。从图3中可以看出，随着钢纤维掺量的增加，抗压强度逐渐增大，但钢纤维掺量越大，RPC流动度越小。综合考虑流动性、抗压强度和经济性，本试验钢纤维最佳掺量取为2 %。

图3 钢纤维掺量对RPC流动度和强度的影响

3.4 PP纤维掺量对RPC强度和流动度的影响

由于聚丙烯纤维熔点低，国内外一些学者通过掺入PP纤维来提高RPC的抗高温性能，因为RPC熔化后的孔道相互连通，有利于水蒸气的溢出，从而减小蒸汽压力[8]。另一方面，PP纤维弹性模量较低，它的掺入降低了RPC的抗压强度。如图4所示，随着聚丙烯纤维掺量的增加，RPC流动度和立方体抗压强度均不断减小。从图中还可看出，掺PP纤维的RPC随着龄期的增长，强度有倒缩现象，原因可能是随着龄期的增加，水泥水化反应更加充分，RPC弹性模量增大，与PP纤维弹性模量的差距进一步增大，强度反而降低。综合考虑流动度和抗压强度，本试验最佳PP纤维掺量取为0.1 %。

图4 聚丙烯纤维掺量对RPC流动度和强度的影响

图5 混杂纤维掺量对RPC流动度和强度的影响

3.5 混杂纤维对RPC强度和流动度的影响

PP纤维能提高RPC的抗高温性能，但对强度有不利影响；钢纤维的掺入则对RPC强度和韧性有极大提高。因此，若将二者混合掺入RPC中，既可以提高抗高温性能，又能提高抗压强度。由图5可知，钢纤维掺量2 %、聚丙烯纤维掺量0.1 %时，强度和流动性较好，为本试验的最佳纤维掺量。

3.6 龄期和试件尺寸对RPC强度的影响

对图1～图5进行分析可知，28 d强度相对于7 d强度提高幅度不是很大，因为RPC养护制度采用了高温养护，所以早期强度发展较快，后期强度增长空间 较小。表2 为边长分别为70. 7 mm 和100 mm 的试件所对应 的立方体抗压强度。从表中可以看出掺钢纤维RPC 的抗压 强度受试件尺寸的影响大于不掺纤维的素RPC 和单掺PP 纤维的RPC。原因可能是钢纤维的掺入增加了RPC 内部缺 陷出现的几率，试件尺寸越大，钢纤维RPC 内部缺陷出现的 概率也越大。

表2 RPC尺寸换算系数

表3 优选配合比

4 配合比优选

分别考察了36组试件的水胶比、减水剂掺量、纤维种类和掺量以及试件尺寸对RPC强度和流动度的影响，从中选出了4组强度和流动度都较好的配合比(表3)，其中掺钢纤维的RPC试件强度高达161.28 MPa。

5 结论

(1) 采用地方常见材料配制出了抗压强度高达160 MPa的RPC，同等养护条件下比素RPC的强度提高了将近48.8 %。

(2) 通过试验发现RPC水胶比、减水剂掺量、钢纤维体积掺量和PP纤维体积掺量的最佳数值分别为0.2、4 %、2 %和0.1 %。相比其他因素，水胶比对RPC性能的影响较大；相比聚丙烯纤维，钢纤维能更好地提高RPC的强度和韧性。

(3) 采用高温养护的RPC，受龄期的影响较小，RPC早期强度发展较快，后期强度增长空间较小。掺聚丙烯纤维的PRC后期强度有倒缩现象，掺钢纤维的RPC尺寸效应大于素RPC和单掺聚丙烯纤维的RPC。

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[2] P. Pliya, A-L. Beaucour, A. Noumowé. Contribution of cocktail of polypropylene and steel fibres in improving the behaviour of high strength concrete subjected to high temperature. Construction and Building Materials,2011,25:1926-1934

[3] 吴炎海, 何雁斌. 活性粉末混凝土(RPC200)的配制试验研究[J].中国公路学报, 2003, 16(4): 44-49

[4] 何峰, 黄政宇. 原材料对RPC强度的影响初探[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2001, 28(2): 89-94

[5] 龙广成, 谢友均, 王培铭，等. 活性粉末混凝土的性能与微细观结构[J]. 硅酸盐学报, 2005, 33(4): 456-461

[6] 郑文忠, 李莉. 活性粉末混凝土配制及其配合比计算方法[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2009, 36(2): 13-17

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