基于新规范的活性粉末混凝土配合比研究综述

王钧　　文慧

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨　150040)



基于新规范的活性粉末混凝土配合比研究综述

王钧文慧

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040)

摘要:根据GB/T 31387—2015活性粉末混凝土标准，结合国内外学者的研究成果，对活性粉末混凝土的配合比做了综合论述，讨论了水胶比、硅灰、粉煤灰、石英砂、外加剂等对活性粉末混凝土力学性能的影响，得出了一些有价值的结论。

关键词:活性粉末混凝土，配合比，力学性能，粉煤灰，钢纤维

0　引言

随着科学技术的发展，工程材料质量及施工技术水平都在逐渐提高，随之而来的是人们对高强度与高性能混凝土综合指标提升的需求。普通混凝土已很难满足许多特殊结构对材料功能的要求，因而具有高强度、高性能等突出特点的活性粉末混凝土成为近年来混凝土材料研究的一个热点。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，以下简称RPC)是继高强、高性能混凝土之后，出现的一种力学性能、耐久性能都非常优越的新型建筑材料。RPC是在20世纪90年代由法国某实验室开发研究出的新型超高性能材料［1］。活性粉末混凝土拥有良好的力学性能，自问世以来，受到广大学者的研究，由于我国一直没有明确的规范，因而也给研究带来一些困难，许多学者参考国外研制成功的方案确定配合比，也有很多高校通过多次试配获得较为合适的配合比。2015年11月开始实施的GB/T 31387—2015活性粉末混凝土中，对配合比有较为明确的规定。为进一步方便学者的研究，结合国内外研究学者的成果，辅以新规范的规定，对RPC配合比研究进行论述。

1　RPC的配制原则

RPC是以水泥和矿物掺合料等活性粉末材料、细骨料、外加剂、高强度微细钢纤维和/或有机合成纤维、水等原料生产的超高强增韧混凝土［2］。其基本原则为:1)级配更均匀。剔除了普通混凝土中的粗骨料，材料粒径均匀，提高浆体的密实度，减少骨料界面微观缺陷;温差作用下材料间收缩减小，抑制微小裂缝的发展［3］。2)强度更高。采用高效减水剂，降低拌合物水胶比;在凝结硬化过程中加压，提高材料强度。3)改善韧性。配制过程中加入钢纤维或有机合成纤维，改善材料破坏的脆性，提高体积稳定性。4)激发活性。通过高温热养护加速活性粉末的水化反应，改善浆体微观结构，降低孔隙率。

2　胶凝材料对RPC力学性能的影响

2．1水胶比

马万等［4］进行RPC的制备与研究，探讨了水胶比对RPC力学性能的影响，采用了4种不同的水胶比(0．19，0．20，0．21，0．22)，同时研究了水胶比对应的RPC流动度和抗压强度，研究结果表明:随着水胶比增大，拌合物流动度线性增大，水胶比每增大0．01，流动度增加约20 mm。当水胶比为0．19时，混凝土表面凝结很快，试件折断后断面处有大量孔洞，截面削弱作用较明显;当水胶比为0．20时，强度较0．19时有所下降，但流动度稍有提升;当水胶比为0．21时，试件强度比0．20时降低了5．9%，流动性好，拌合物可以自流平，但强度已下降到110 MPa。最终试验中采用水胶比为0．21的配合比。

湖南大学的黄政宇等［5］研究RPC原材料及配合比设计参数的选择，得出结论:RPC200水胶比一般以0．18～0．22为宜。当水胶比低于0．18时，试件成型较困难，导致密实度下降，对强度和耐久性均带来一定程度的降低;当水胶比大于0．22时，虽然拌合物的流动性较好，但其强度也相应有所下降。

2．2硅灰

最近，中国矿业大学的刘红彬等［6］研究了硅灰掺量对RPC力学性能的影响，认为硅灰的掺入有效提高了水泥水化反应的程度，对RPC的性能有显著影响。通过试配RPC200得到配合比后，采用相同的水胶比的同时调整硅灰掺量，硅灰的掺量依次为0%，8%，12%，16%和22%。试验数据表明:随硅灰掺量的增加，RPC的流动性增强，RPC的抗压强度、抗劈裂和弯折强度整体表现出上升趋势。但在硅灰掺量达16%时出现一个增幅降低的拐点，硅灰掺量超过12%时，RPC的各种力学性能表现均呈下降的趋势，在16%掺量之后各种强度虽继续增加，但增速明显放缓;数据显示12%和22%硅灰掺量的RPC各种强度基本接近，即增加掺量后硅灰对提高RPC的强度贡献较小。故硅灰掺量在12%左右为宜。

2015年，Shamsad Ahmad［7］研究RPC材料掺量对其强度影响时认为:硅灰是重要的胶凝材料，考虑到填料效果，硅粉的最优掺量可高达水泥质量的30%。一般在RPC中，硅灰含量保持在胶凝材料的25%～30%的范围内。通常情况下，采用硅粉/水泥质量比为0．25，这个比例是发挥硅灰的最佳填充性能，能把水泥总水化产生的石灰完全消耗。

Hyoung-seok So［8］研究了粉末材料对RPC微观力学性能的影响，研究结果表明:硅灰的最佳掺量为水泥质量的25%。

2．3粉煤灰

2012年，北京交大的孙小威［9］在自密实RPC的配制研究中，研究了粉煤灰替代水泥的量为0%，10%，20%，30%，40%对RPC强度及流动度的影响。研究结果显示:流动度方面，粉煤灰的掺量为水泥质量的0%～30%时，拌合物的流动度逐渐增加，掺量为30%时，浆体的流动度达到峰值，此时的流动度为158 mm，掺量再增加时，浆体的流动度稍微变小，为155 mm;强度方面，相同水胶比下，强度随着粉煤灰的掺量先增加后减小，在粉煤灰替代水泥的量为20%时，RPC有最高强度，故最佳掺量为水泥质量的25%。

哈尔滨工业大学的王震宇等［10］研究了减水剂种类、成型工艺、养护制度及配合比因素、粉煤灰掺量对力学性能和流动性的影响。研究结果表明粉煤灰的最佳掺量为水泥质量的0．25～

3　其他因素对RPC力学性能的影响

3．1石英砂/粉

张宝龙、张楠［11］等工程师研究了RPC的配制。研究结果表明:砂胶比对混凝土的强度有影响，但对流动度的影响更加显著，随着石英砂掺量的增加，RPC的抗压强度呈先上升后下降的趋势，在0．98左右时强度达到最大值，考虑到RPC拌合物的工作性能，砂胶比宜在0．88左右，此时RPC的抗折和抗压强度均较高，流动度也较高。

郑文忠、李莉［12］等研究了RPC配制及其配合比计算方法，研究结果为:石英砂与胶凝材料的质量比(简称集胶比)在0．55～1．2范围内变化时，石英砂掺量越多，流动度越差。比值为0．774时，RPC强度最高。

3．2钢纤维

陈榕［13］进行了活性粉末混凝土材性试验研究及钢纤维掺量分析，钢纤维掺量采用0，0．5%，1%，1．5%，2．5%，3%，3．5%共七种。研究结果表明:在钢纤维掺量为0．5%时，其轴心抗压强度比掺量为0时提高了38．8%;当纤维掺量依次递增时，抗压强度相比于掺量为0时，提高率分别为7．4%，5．6%，5．4%，0．7%，－1．7%，－2．3%。从数据中看出，在钢纤维掺量约为2%以下时，RPC轴心抗压强度随着钢纤维掺量的增加而增加，特别从0% 到0．5%时，轴心抗压强度增加幅度最大，钢纤维掺量大于2%时，随着钢纤维掺量增加，混凝土试块内部缺陷增多，反而导致轴心抗压强度有所下降。

2014年，Mehmet Canbaz［14］研究了高温对RPC的影响，研究中使用1%，2%和3%的钢纤维体积掺量，结果表明RPC的抗压强度和弹性模量随纤维掺量的增加开始增加，但随后随着温度的升高，弹性模量比抗压强度下降更快。在钢纤维掺量为2%时，可以显著提高RPC的抗压和抗劈裂能力。

CHRIST．R．和TUTIKIAN．B．［15］等研究了不同钢纤维掺量对RPC力学性能的影响，钢纤维掺量分别为0%，1%，3%，5%，研究了RPC的抗压强度，抗折强度。结果表明:钢纤维的加入对抗压强度的增加并不明显，但能显著改善RPC的抗折强度。掺量为5%时抗折强度达到59 MPa，而掺量为0%时，抗折强度为12 MPa。

3．3减水剂

2015年，万超杰［16］等在RPC的强度影响因素试验研究中，分别讨论了水胶比、砂胶比、减水剂和钢纤维掺量等对RPC力学性能的影响，认为:由于RPC中粉末成分很多，粉末成分比表面积大，因此高效减水剂对于RPC的作用至关重要。试验所用减水剂为西卡聚羧酸高效减水剂。通过力学性能试验数据得出:流动性方面，高效减水剂掺量的增加，RPC的流动度随之增加。但掺量过大会使浆体变粘稠，影响其性能;强度方面，随着减水剂掺量的增加，RPC强度增大，掺量在3%～4%之间时，RPC的强度达到最高。最终确定合理掺量在3%～4%左右。

哈尔滨工业大学的刘伯川［17］等在碳纤维RPC的配制及性能研究中，研究了水胶比、硅灰、粉煤灰掺量、砂胶比、减水剂、养护方法等因素对RPC力学性能的作用。发现:在水泥用量相同的情况下，加入减水剂可以在RPC拌合物流动性不变的同时减少单位体积的用水量。随着减水剂用量的提高，流动度先增大，当减水剂用量达到水泥质量的3%时，流动度达到最大值为185 mm，比掺量为2．4%和2．6%时分别增大了41 mm和35 mm。随后增大减水剂的用量并不会提高拌合物的流动性，甚至会有所减小，掺3．2%的减水剂比掺3%减水剂时流动性降低了2 mm。因此采用了减水剂掺量为水泥掺量的3%进行研究。

4　基于新规范的RPC配合比设计

新规范配合比设计一般规定:活性粉末混凝土配合比设计宜采用绝对体积法［2］。水胶比、胶凝材料用量参照GB/T 31387—2015活性粉末混凝土表8进行选取，例如:试验选取水胶比为0．18，胶凝材料用量为900 kg/m3。规范规定:硅灰用量不宜小于胶凝用量的10%，水泥用量不宜小于胶凝材料用量的50%。故取硅灰∶水泥=0．25∶1，骨料体积的计算为混凝土总体积减去水、胶凝材料和含气量得到，骨料的总用量应由骨料体积乘以骨料的密度得到。经计算得基准配合比为:水泥∶硅灰∶石英粉∶石英砂= 1∶0．25∶0．52∶1．246;若胶凝材料中掺加粉煤灰，粉煤灰掺量取水泥质量的20%，则配合比为:水泥∶硅灰∶粉煤灰∶石英粉∶石英砂=1∶0．25∶0．2∶0．52∶1．245。

5　结论与展望

根据上述研究结果，得出RPC适宜的配合比设计为:水胶比为0．16～0．2，减水剂用量为2%～4%，硅灰掺量为水泥质量的20%～30%，粉煤灰掺量为水泥质量的20% ～30%，水泥质量不宜小于胶凝材料质量的50%，石英粉掺量为水泥质量的30%～50%，石英砂掺量为水泥质量的90%～120%，进行试配后确定最终配合比。

RPC密实性好、材料分布均匀、内部缺陷少、力学性能表现突出，结构的耐久性和体积稳定性良好，在承受重载的竖向构件和大跨梁板中、海洋工程及盐湖地区工程中有着广泛的应用前景。为了加速推广RPC在工程中的应用，还需对以下问题进行深入的试验研究:1)RPC耐久性的试验研究;2)RPC的应力—应变本构关系;3)养护制度对RPC强度的影响;4)活性粉末混凝土材料的抗拉疲劳强度及动力性能。

参考文献:

［1］ 何峰，黄政宇．硅灰和石英粉对活性粉末混凝土抗压强度贡献的分析［J］．混凝土，2006(1):39-42．

［2］GB/T 31387—2015，活性粉末混凝土［S］．

［3］郑文忠，吕雪源．活性粉末混凝土研究进展［J］．建筑结构学报，2015(10):44-58．

［4］马万，赵铁军，王鹏刚，等．活性粉末混凝土制备试验研究［J］．混凝土与水泥制品，2013(9):22-25．

［5］ 何峰，黄政宇．活性粉末混凝土原材料及配合比设计参数的选择［J］．新型建筑材料，2007(3):74-77．

［6］刘红彬，鞠杨，孙华飞，等．硅灰掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响［J］．工业建筑，2015(4):132-135．

［7］Ahmad S，Zubair A，Maslehuddin M．Effect of key mixture parameters on flow and mechanical properties of reactive powder concrete［J］．Construction and Building Materials，2015(99): 73-81．

［8］So H-s，Jang H-s，Khulgadai J，et al．Mechanical properties and microstructure of reactive powder concrete using ternary pozzolanic materials at elevated temperature［J］．KSCE Journal of Civil Engineering，2015(19):1050-1057．

［9］孙小威．自密实活性粉末混凝土的配制及养护工艺研究［D］．北京:北京交通大学硕士学位论文，2012．

［10］王震宇，王俊亭，袁杰．活性粉末混凝土配比试验研究［J］．混凝土，2006(6):80-82．

［11］ 张宝龙，张楠．活性粉末混凝土(RPC)配制与性能研究［J］．青岛理工大学学报，2015(4):103-109．

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［15］CHRIST．R．，TUTIKIAN．B．Study of Pressure and Curing Temperature in Reactive Powder Concretes(RPC)with different amounts of Metallic Microfibers［J］．Revista de la Construction，2013(2):30-38．

［16］ 万超杰．活性粉末混凝土(RPC)在人行天桥中的应用研究［D］．北京:北京建筑大学硕士学位论文，2015．

［17］ 刘伯川．碳纤维活性粉末混凝土的配制及性能研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学硕士学位论文，2014．

中图分类号:TU528．31

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0108-03

收稿日期:2016-04-05

作者简介:王钧(1967-)，女，教授;文慧(1992-)，女，在读硕士0．33。

On proportional ratio of reactive powder concrete based on new rules

Wang JunWen Hui
(College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Abstract:Based on GB/T 31387—2015 Standard of Reactive Powder Concrete，the paper has the survey of its proportional ratio by combining with the results at home and abroad，discusses the factors including the water-binder ratio，silicon ash，fly ash，quartz sandstone，and additional agent on the dynamic performance of the concrete，and achievement valuable conclusion．

Key words:reactive powder concrete，proportional ratio，dynamic performance，fly ash，steel fiber