裝配式施工知識分享：活性粉末混凝土材料的試驗研究

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1、概述

活性粉末混凝土(即Reactive Powder Concrete ，以下簡稱RPC)是繼高強、高性能混凝土之后，在90年代中期通過采用常規(guī)的水泥等材料開發(fā)出的超高強度、高耐久性、高韌性和體積穩(wěn)定性良好的水泥基材料，是DSP材料與纖維增強材料復合而成的高性能混凝土。它的強度等級可分為200MPa、500MPa和800MPa三個等級。該材料已成為國際建筑工程領域的研究熱點。

1993年，法國的BOUYGUES公司成功研制出了RPC，并與美國陸軍工程師團合作生產出RPC制品;加拿大于1994年開始進行工業(yè)化試驗，在環(huán)境惡劣的魁北克省Sherbrooke用RPC進行預制構件的生產，并在現(xiàn)場組裝了一座跨長為70m的單跨，供行人和自行車通行的架橋;韓國的漢城用RPC材料建造了一座跨度為120m的拱橋;美國于2001年在伊利諾斯州用RPC材料建造了直徑18m的圓形屋蓋;在澳大利亞，一座用RPC材料建造的公路橋梁不久將問世;在歐洲，跨越克羅地亞Bakar海峽的一座432m的RPC拱橋也正在設RPC建造的加拿大Sherbrooke行人/自行車橋梁計中;我國有關RPC材料的研究主要集中在幾所高校，目前已通過對材料配合比的研究，制備出了的RPC材料小型試件，其抗壓強度超過了200MPa、抗折強度達50MPa、斷裂能大于、彈性模量大于4.6×104MPa. RPC的基本配制原理是通過提高組分的細度與活性，使材料的內部缺陷(孔隙與微裂隙)減小到最少，從而獲得超高強度與高耐久性，它的研制根據以下原則進行：

1.1、提高體系的勻質性RPC采用下列方法改進勻質性：用細骨料代替粗骨料;提高漿體的力學性能，RPC中漿體的彈性模量高達50 MPa，甚至更高;降低骨料與漿體的比值。通過以上措施，可以有效的提高勻質性。

1.2、提高水泥石的密實程度從原材料選擇與成型工藝兩個方面提高混凝土密實度，為了獲得高密實度的混凝土，在配制RPC時，原材料的選擇可以遵循以下原則：

由若干粒級組成的級配，每一個粒級都有一個密集的顆粒范圍;粒級之間要有明顯的劃分，兩個相鄰粒級的平均直徑之比大于13;選擇水泥須考慮摻超塑化劑，二者應具有相容性，其最佳摻量可通過流變學分析決定;用水量可通過流變學和相對密度來決定。

在混凝土成型時，對新拌混凝土施加圍壓可以產生以下幾種有利效應：減少新拌混凝土中裹夾的空氣，可將新拌混凝土中的氣泡排盡或顯著減少;排除多余的水，這樣活性粉末混凝土的水膠比降低，相應地提高了密實度;化學收縮的補償，消除試件中因化學收縮而產生的部分孔隙。以上三種效應的疊加可使混凝土相對密實度提高6%以上，因此在混凝土成型過程中對新拌混凝土施加圍壓可以有效地提高混凝土密實度。

1.3. 熱處理改善微觀結構熱處理主要在于改進活性粉末混凝土的微觀結構，通過對RPC施加90的熱處理顯著地加速了混凝土內部的水化作用，同時改變了已形成的水化物的微觀結構;

另外，熱處理可大大加速硅灰的火山灰反應，生成低堿性水化硅酸鈣，降低了Ca(OH)2的含量。試驗證實，在250高溫時，能使水化產物C-S-H凝膠大量脫水，形成硬硅鈣石結晶，有利于強度的提高。

1.4.摻入鋼纖維增加韌性加入鋼纖維后可以大大改善RPC的韌性，其斷裂能可達20000～40000J/m2.通常，RPC內采用長度13mm、直徑0.15mm的鋼纖維，摻量為混凝土體積的1.5%～3%，通過試驗對比，它比摻長度為3mm的凹凸形短鋼纖維的混凝土斷裂能提高得多。

為了研究上述因素對RPC材料強度的影響，本試驗主要通過采用不同水膠比、骨料品種和級配以及鋼纖維的種類和粗細條件下成型RPC試件，并測試其強度，進而分析上述配合比因素對RPC強度的影響。

2、原材料與試驗方法

2.1 原材料水泥：北京某水泥有限公司生產的P.O 42.5水泥;

礦粉：某礦粉加工廠生產的灰白色超細粉A與某新型建材公司生產的灰色細粉B;北京高鈣粉煤灰(一級超細粉煤灰);

細集料：采用兩種砂，福建平潭產標準砂和北京某砂廠定做的細石英砂;山西陽泉產高嶺土;

鋼纖維：一種是國內某鋼纖維有限公司產，細圓形表面鍍銅鋼纖維，直徑0.22mm，長度12～15mm.另一種是某鋼纖維有限公司生產的螺紋型碳素鋼纖維，長徑比為32.24，100根平均長度為30.327mm;

化學外加劑：高效減水型，它的減水率大于29%，呈黃灰色的固體外加劑，與水泥的相容性良好，并具有良好的保水性。

2.2.試驗方法混凝土抗壓強度、抗折強度測試按《普通混凝土力學性能試驗方法》(GBJ81-85)進行[37]，但加荷速度變?yōu)榭箟涸囼?0KN/s、抗折試驗0.27 KN/s;抗壓強度試件尺寸100mm×100mm×100mm、抗折強度試件尺寸100mm×100mm×400mm.

3、配合比因素對強度影響試驗研究

3.1 不同水膠比對活性粉末混凝土強度的影響。

一般情況下，水膠比取值為0.16～0.22，試驗選用水膠比為0.17和0.19兩種，共制作了兩種配合比試件，在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護1d，拆模后放入70℃水中養(yǎng)護，并測定其3d、7d、28d抗壓強度。

細石英砂的顆粒級配對活性粉末混凝土抗壓強度的影響本次試驗采用四種粒級的石英砂，粗砂：0.63～1.25mm，中砂：0.315～0.63mm，細砂：0.16～0.315mm，特細砂：<0.16mm;采用了三種石英砂組合：

①.粗砂 中砂 細砂;

②.中砂+細砂;

③.中砂+細砂+特細砂。按最大密實度理論，得到三種組合中各級砂子用量：第一個組合：粗砂+中砂+細砂=677.7 kg 403.8 kg 204.5kg;

第二個組合：中砂+細砂=854 kg 432 kg;

第三個組合：中砂+細砂+特細砂=727.5 kg 367.8 kg 190.7 kg.

粉煤灰的摻入增大了顆粒間的填充密實度，建議RPC的骨料級配選用中、細、特細砂的組合。

鋼纖維種類及摻量對活性粉末混凝土抗壓強度的影響纖維能夠阻礙混凝土內部微裂紋的繁衍、擴展，顯著提高混凝土的韌性、延性和抗折強度，有效地避免混凝土無征兆的脆性破壞的發(fā)生。鋼纖維對混凝土的增強效果與鋼纖維長度(lf)、直徑(df)、長徑比(lf/df)、體積率(Vf)以及纖維外形等密切相關。本試驗采用不同含量的細鋼纖維和粗螺紋型碳素鋼纖維進行對比試驗，分析鋼纖維種類及摻量對活性粉末混凝土抗壓強度的影響，碳素粗鋼纖維摻量分別為混凝土容重的8%、6%、4%.

(1)摻入粗鋼纖維的活性粉末混凝土破壞時局部破壞嚴重，抗折時，一旦開裂很快就達到極限強度，而摻入細鋼纖維的活性粉末混凝土在開裂后仍能維持一段時間，強度仍有增長。

(2)摻粗鋼纖維的混凝土破壞時不少粗鋼纖維被拉斷，而細鋼纖維則是被拔出的，幾乎沒有被拉斷。

4、結論

通過以上RPC中不同組分摻量對其強度影響的系統(tǒng)研究，可得到以下結論：

(1)相同齡期下RPC強度隨著水膠比的增大而降低;

(2)在RPC中，可以用石英砂取代標準砂，且石英砂的摻量不宜低于50%，顆粒級配對強度有一定的影響，在摻粉煤灰時宜選用中+細+特細組合的骨料;

(3)RPC中摻入鋼纖維能提高其力學性能，摻入長徑比大的細鋼纖維比長徑比小的鋼纖維更有利于提高混凝土的韌性，鋼纖維摻入量以6%為宜。

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