活性粉末混凝土力学性能的研究

摘要：文章结合我国某客运专线桥梁设计项目，针对活性粉末混凝土在不同成分配比条件下的力学性能变化情况进行了深度研究。实验结果表明：①活性粉末混凝土材料的抗压强度随水胶比的减小而增大，但水胶比值过低时，将会带来拌合物流动性差、施工难度加大、拌合物易风干等问题;②活性粉末混凝土材料的抗压强度一般随钢纤维掺量的增大而增大，但钢纤维掺量大于2.0%后通常容易造成拌合物成型困难、易抱团等问题;③随着硅灰掺量的提升，活性粉末混凝土的抗压强度明显提升，认为硅灰掺量在0.3时，能够获得综合性能较好的活性粉末混凝土;④活性粉末混凝土材料的抗压强度会随矿渣粉掺量的提升而降低，但抗折强度的变化情况相反。

关键词：活性粉末混凝土;水胶比;钢纤维;硅灰;矿渣粉

中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）09-0119-04

0 引言

混凝土材料是现代人类进行各类型建筑、施工等的主要基础原材料之一。随着人类对混凝土材料各项性能要求的提升，各类型新型水泥基复合材料应运而生。20世纪90年代初期，由法国布依格集团某下属公司研发出的活性粉末混凝土（reactive powder con-crete，简称RPC）逐渐成为当代建筑材料中性能最为优异的代表性材料之一Ⅲ。加拿大的舍布鲁克桥、法国的让·鲍茵体育场等均是采用RPC进行施工建设的代表性工程。

1 概述

1.1 RPC材料性能

RPC材料是基于DSP材料基础上，通过与其他纤维增强材料进行复合得到综合性能更加优越、材料配比更加灵活的一种高技术混凝土技术[3]。根据组成配比以及热处理方式的不同，RPC材料能够获得如表l所示的优异性能。

由表1可知，RPC材料拥有高出普通混凝土材料250倍高的断裂韧性，几乎可以与金属铝材料相媲美;RPC材料拥有极强的抗渗透能力，其氯离子渗透性仅为一般高强混凝土材料的4%;相关学者针对RPC材料进行快速冻融循环实验后发现，该材料耐久性因子高达100%，可以应对300次循环实验不受损[4]。RPC材料的应用，能够顺利解决部分施工项目中高强、高性能混凝土材料拉伸强度不足、脆性大等缺陷，同时还能够为钢结构投资高、易锈蚀等问题提供替代思路。

2 实验分析

2.1 实验材料

本文在进行实验之处充分考量了RPC强度等级划分标准，翻阅了近十年不同学者针对RPC材料的不同分析，结合项目施工基本情况选择了如表2所示的实验材料。

2.2 实验方法

利用Andreasen颗粒连续分布的紧密堆积理论，进行RPC粉末用量和配比实验分析，采用单因素优化方法，对能够影Ⅱ向RPC粉末抗折强度、抗压强度的各项因素进行规律性总结[6]。在充分考虑实验结果强度指标、施工难易程度以及工程最终造价的基础上，提出了针对该客运专线桥梁项目中的RPC粉末最有配合比。通过综合实验解决了PRC粉末在该项目中的产品外观和产品质量通病。

2.3 实验过程

2.3.1 原料用量计算方法

根据紧密堆积理论本文总结了RPC粉末实验项目中各材料的计算公式如下：

2.3.2 RPC试块设计

本次实验共分为I-Ⅷ组共计22小组配合比实验，对影响RPC力学性能的水胶比、硅灰掺量、矿渣粉掺量、石英砂掺量、钢纤维掺量的的配比方式和规律进行了分析。试块尺寸均为70.7³mm3。具体配比与实验结果见表3所示。

2.4实验结果分析

2.4.1 水胶比影响分析

式样的水胶比能够直接影响RPC粉末的空隙特征以及RPC试块的水化反应程度，是影响活性粉末混凝土材料抗压强度的最关键因素之一。I组试块为水胶比实验组。该组所进行的实验参数仅水胶比一项数据为变量，所得RPC性能与水胶比的关系见图l所示。

由图l可知，随着I组试块中水胶比值的提升，试块拌合物的抗压强度一直处于下降趋势，且降幅逐渐增大;而试块的流动度则一直处于上升趋势，且增幅逐渐增大。式样的水胶比过小，则RPC粉末的流动性越弱，试块内部的气体越难以排出，此时RPC拌合物将呈现出干、硬、难以成型、难以振捣密实等状态[7]。RPC粉末实际工程应用中的水胶比值选择，能够直接决定工程构件的抗压强度以及耐久性，需要选择最合适的水胶比。

2.4.2 硅灰掺量影响分析

试块的硅灰掺量值能够在较大程度上影响RPC粉末的抗压强度。Ⅱ组为硅灰掺量实验组。该组进行的实验参数仅考量m硅灰：m水泥=0.2 - 0.5范围内变化时RPC粉末所受到的性能影响。实验所得RPC性能与硅灰掺量的关系见图2所示。

由图2可知，随着Ⅱ组试块中硅灰掺量与水泥质量比值的增大，RPC粉末的抗压强度呈现出先增高后降低的趋势，并在质量比为0.305处得到试块的最大抗压强度;流动度呈现出先降低后增高的趋势，说明RPC粉末流动度基本呈下降趋势，后期流动度的提升主要来自于硅灰材料自身，已无参考价值。

2.4.3 石英砂掺量影响分析

石英砂是建筑施工过程中构成RPC材料最为廉价、耐磨性最高、化学性能最为稳定、材料最容易获取的组成成分[9]。根据一般混凝土配比理论，应尽量确保RPC材料中各成分的粒径范围不在同一各尺寸范围内，因此试块选择了粒径范围为150 - 600μm的原型颗粒状石英砂。Ⅳ组为石英砂掺量实验组。该组进行的实验参数变量选择了不同粒径的石英砂作为试块骨料。通常石英砂的含量越高，其他组成成分配比不变的情况下越容易使单位颗粒的石英砂表面包裹浆体越少。实验所得RPC性能与石英砂掺量的关系见图3所示。

由图3可知，随着RPC材料中石英砂含量的提升，材料的抗壓强度呈现出先增大后减小的趋势，说明RPC材料中的石英砂含量同样有一个饱和点。本文所进行的实验中该饱和点的树脂约为1.42，此时对应RPC材料的集胶比约为0.787，此时RPC材料能够获得较好的流动性，同时各组分也能够满足具体的施工要求和便利度，构件的整体强度也较高。

2.5 最优配合比选择

通过对实验组各配比成分的综合性能指标进行考量，本文得到了应用于西部某客运专线桥梁项目的最优RPC配合比。考虑掺加钢纤维给项目整体成本带来的压力，本文提供了另外一组未掺加钢纤维材料的最优RPC配合比，见表4所示。

3 結语

活性粉末混凝土（RPC）是一种具有超高强度、低脆性、高耐久性能的新型混凝土。文章通过5组实验，对影响RPC粉末力学性能的5大因素进行了综合分析，得到了西部某客运专线桥梁项目的最优RPC配合比。钢纤维材料对RPC试块强度影响明显，但受限于项目成本限制，在实际的运用过程中需要进行综合考量。

参考文献

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作者简介：李广燕（1986-），女，江西抚州人，硕士学位，讲师，研究方向：主要从事高强高性能混凝土的性能及工程应用研究。