活性粉末混凝土力學性能的研究

摘要：文章結合我國某客運專線橋梁設計項目，針對活性粉末混凝土在不同成分配比條件下的力學性能變化情況進行了深度研究。實驗結果表明：①活性粉末混凝土材料的抗壓強度隨水膠比的減小而增大，但水膠比值過低時，將會帶來拌合物流動性差、施工難度加大、拌合物易風干等問題;②活性粉末混凝土材料的抗壓強度一般隨鋼纖維摻量的增大而增大，但鋼纖維摻量大于2.0%后通常容易造成拌合物成型困難、易抱團等問題;③隨著硅灰摻量的提升，活性粉末混凝土的抗壓強度明顯提升，認為硅灰摻量在0.3時，能夠獲得綜合性能較好的活性粉末混凝土;④活性粉末混凝土材料的抗壓強度會隨礦渣粉摻量的提升而降低，但抗折強度的變化情況相反。

關鍵詞：活性粉末混凝土;水膠比;鋼纖維;硅灰;礦渣粉

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0119-04

0 引言

混凝土材料是現代人類進行各類型建筑、施工等的主要基礎原材料之一。隨著人類對混凝土材料各項性能要求的提升，各類型新型水泥基復合材料應運而生。20世紀90年代初期，由法國布依格集團某下屬公司研發出的活性粉末混凝土（reactive powder con-crete，簡稱RPC）逐漸成為當代建筑材料中性能最為優異的代表性材料之一Ⅲ。加拿大的舍布魯克橋、法國的讓·鮑茵體育場等均是采用RPC進行施工建設的代表性工程。

1 概述

1.1 RPC材料性能

RPC材料是基于DSP材料基礎上，通過與其他纖維增強材料進行復合得到綜合性能更加優越、材料配比更加靈活的一種高技術混凝土技術[3]。根據組成配比以及熱處理方式的不同，RPC材料能夠獲得如表l所示的優異性能。

由表1可知，RPC材料擁有高出普通混凝土材料250倍高的斷裂韌性，幾乎可以與金屬鋁材料相媲美;RPC材料擁有極強的抗滲透能力，其氯離子滲透性僅為一般高強混凝土材料的4%;相關學者針對RPC材料進行快速凍融循環實驗后發現，該材料耐久性因子高達100%，可以應對300次循環實驗不受損[4]。RPC材料的應用，能夠順利解決部分施工項目中高強、高性能混凝土材料拉伸強度不足、脆性大等缺陷，同時還能夠為鋼結構投資高、易銹蝕等問題提供替代思路。

2 實驗分析

2.1 實驗材料

本文在進行實驗之處充分考量了RPC強度等級劃分標準，翻閱了近十年不同學者針對RPC材料的不同分析，結合項目施工基本情況選擇了如表2所示的實驗材料。

2.2 實驗方法

利用Andreasen顆粒連續分布的緊密堆積理論，進行RPC粉末用量和配比實驗分析，采用單因素優化方法，對能夠影Ⅱ向RPC粉末抗折強度、抗壓強度的各項因素進行規律性總結[6]。在充分考慮實驗結果強度指標、施工難易程度以及工程最終造價的基礎上，提出了針對該客運專線橋梁項目中的RPC粉末最有配合比。通過綜合實驗解決了PRC粉末在該項目中的產品外觀和產品質量通病。

2.3 實驗過程

2.3.1 原料用量計算方法

根據緊密堆積理論本文總結了RPC粉末實驗項目中各材料的計算公式如下：

2.3.2 RPC試塊設計

本次實驗共分為I-Ⅷ組共計22小組配合比實驗，對影響RPC力學性能的水膠比、硅灰摻量、礦渣粉摻量、石英砂摻量、鋼纖維摻量的的配比方式和規律進行了分析。試塊尺寸均為70.7³mm3。具體配比與實驗結果見表3所示。

2.4實驗結果分析

2.4.1 水膠比影響分析

式樣的水膠比能夠直接影響RPC粉末的空隙特征以及RPC試塊的水化反應程度，是影響活性粉末混凝土材料抗壓強度的最關鍵因素之一。I組試塊為水膠比實驗組。該組所進行的實驗參數僅水膠比一項數據為變量，所得RPC性能與水膠比的關系見圖l所示。

由圖l可知，隨著I組試塊中水膠比值的提升，試塊拌合物的抗壓強度一直處于下降趨勢，且降幅逐漸增大;而試塊的流動度則一直處于上升趨勢，且增幅逐漸增大。式樣的水膠比過小，則RPC粉末的流動性越弱，試塊內部的氣體越難以排出，此時RPC拌合物將呈現出干、硬、難以成型、難以振搗密實等狀態[7]。RPC粉末實際工程應用中的水膠比值選擇，能夠直接決定工程構件的抗壓強度以及耐久性，需要選擇最合適的水膠比。

2.4.2 硅灰摻量影響分析

試塊的硅灰摻量值能夠在較大程度上影響RPC粉末的抗壓強度。Ⅱ組為硅灰摻量實驗組。該組進行的實驗參數僅考量m硅灰：m水泥=0.2 - 0.5范圍內變化時RPC粉末所受到的性能影響。實驗所得RPC性能與硅灰摻量的關系見圖2所示。

由圖2可知，隨著Ⅱ組試塊中硅灰摻量與水泥質量比值的增大，RPC粉末的抗壓強度呈現出先增高后降低的趨勢，并在質量比為0.305處得到試塊的最大抗壓強度;流動度呈現出先降低后增高的趨勢，說明RPC粉末流動度基本呈下降趨勢，后期流動度的提升主要來自于硅灰材料自身，已無參考價值。

2.4.3 石英砂摻量影響分析

石英砂是建筑施工過程中構成RPC材料最為廉價、耐磨性最高、化學性能最為穩定、材料最容易獲取的組成成分[9]。根據一般混凝土配比理論，應盡量確保RPC材料中各成分的粒徑范圍不在同一各尺寸范圍內，因此試塊選擇了粒徑范圍為150 - 600μm的原型顆粒狀石英砂。Ⅳ組為石英砂摻量實驗組。該組進行的實驗參數變量選擇了不同粒徑的石英砂作為試塊骨料。通常石英砂的含量越高，其他組成成分配比不變的情況下越容易使單位顆粒的石英砂表面包裹漿體越少。實驗所得RPC性能與石英砂摻量的關系見圖3所示。

由圖3可知，隨著RPC材料中石英砂含量的提升，材料的抗壓強度呈現出先增大后減小的趨勢，說明RPC材料中的石英砂含量同樣有一個飽和點。本文所進行的實驗中該飽和點的樹脂約為1.42，此時對應RPC材料的集膠比約為0.787，此時RPC材料能夠獲得較好的流動性，同時各組分也能夠滿足具體的施工要求和便利度，構件的整體強度也較高。

2.5 最優配合比選擇

通過對實驗組各配比成分的綜合性能指標進行考量，本文得到了應用于西部某客運專線橋梁項目的最優RPC配合比?？紤]摻加鋼纖維給項目整體成本帶來的壓力，本文提供了另外一組未摻加鋼纖維材料的最優RPC配合比，見表4所示。

3 結語

活性粉末混凝土（RPC）是一種具有超高強度、低脆性、高耐久性能的新型混凝土。文章通過5組實驗，對影響RPC粉末力學性能的5大因素進行了綜合分析，得到了西部某客運專線橋梁項目的最優RPC配合比。鋼纖維材料對RPC試塊強度影響明顯，但受限于項目成本限制，在實際的運用過程中需要進行綜合考量。

參考文獻

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作者簡介：李廣燕（1986-），女，江西撫州人，碩士學位，講師，研究方向：主要從事高強高性能混凝土的性能及工程應用研究。