活性粉末混凝土配比試驗研究

[摘　要] 　研究減水劑品種及成型技術對活性粉末混凝土(RPC) 強度的影響,考察水膠比、粉灰硅灰、石英粉以及鋼纖維摻量對RPC 的抗折、抗壓強度及流動度的影響規(guī)律。結果表明,采用粉煤灰替代部分水泥,可以改善RPC 的流動度及強度,在熱水養(yǎng)護下,可配制出抗壓強度超過200MPa 的活性末
混凝土。
[關鍵詞] 　活性粉末混凝土; 配比; 抗壓強度; 粉煤灰; 鋼纖維
[中圖分類號] 　TU5281041
[文獻標識碼] 　A 　
[文章編號] 　1002 - 3550 (2006) 06 - 0080 - 03

1 　引言

     1993 年,法國Bouygues 實驗室研制出一種超高抗壓強度、高耐久性及高韌性的新型水泥基復合材料,由于增加了組分的細度和反應活性,因此被稱為活性粉末混凝土(ReactivePow2derConcrete ,RPC) [ 1～3 ] 。RPC 對混凝土內(nèi)部及粗骨料與砂漿的過渡區(qū)了改進: (1) 選用最大粒徑為015mm 的石英砂為粗骨料,提高了混凝土的勻質(zhì)性; (2) 通過提高組分的細度使RPC內(nèi)部達到最大填充密實度,將材料初始缺陷降至最低;(3) 在成型過程中施加壓力,減少孔隙,并通過90 ℃的熱養(yǎng)護或250 ℃～400 ℃的蒸汽養(yǎng)護來加速粉末的水化反應,強化水化物的結合力; (4) 摻入細而短的鋼纖維,提高混凝土的抗彎折強度。RPC 作為一類新型混土, 不僅可獲得200MPa 或500MPa 的超高抗壓強度,而且具有30MPa～60MPa 的抗折強度,有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性,RPC 的優(yōu)越性能使其在土木、石油、核電、市政、海洋工程及軍事設施中有著廣闊的應用前景,目前RPC 已成為國際工程材料領域一個新的研究熱點。

      在我國,近年來清華大學[ 4 ] 、湖南大學[ 5 ,6 ] 、福州大學[ 7 ,8 ] 、石家莊鐵道學院[ 9 ] 、中南大學[ 10 ]等院校在RPC 研究方面做了很多有益的工作。湖南大學何峰等研究了原材料品種、性質(zhì)及配合比對RPC 強度的影響,高溫養(yǎng)護條件下未摻鋼纖維RPC的抗壓強度達22910MPa ,摻鋼纖維RPC 抗壓強度更是高達29816MPa。清華大學覃維祖采用水泥、粉煤灰和硅灰三元膠凝材料體系對RPC 開展了試驗研究,制備的RPC 抗壓強度超過200MPa ,抗折強度50MPa ,斷裂能為2100J / m2 。本文首先考察減水劑品種及成型技術對RPC 強度的影響,隨后著重討論了水膠比、硅灰、粉煤灰、石英粉以及鋼纖維摻量等對RPC抗壓、抗折強度及流動性的影響。

2 　試驗準備

2.1 　原材料

      水泥:哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌普通硅酸鹽水泥,標號P4215 ;硅灰:天先特種材料研究所提供,灰白色粉末,實測密度2.13g/ cm3 ;粉煤灰:一級特細粉煤灰,實測密度2.21g/ cm3 ;細砂:福建平潭按舊標準產(chǎn)的天然河砂,粒徑范圍0.25mm～0.65mm ,密度2.59g/ cm3 ;石英粉:275～320 目石英粉,實測密度2.64g/ cm3 ;高效減水劑:考察了三種減水劑對RPC 的影響,分別是: (1) 高濃型萘系FDN 減水劑,褐黃色粉末; (2) 上?；ㄍ趸瘜W有限公司的邁地21S ,屬羧酸系共聚物,無緩凝及引氣作用,淡褐色液體,含固量20 %; (3) 江西省金盛高科技發(fā)展有限公司產(chǎn)的聚羧酸鹽減水劑,淡褐色油狀液體,密度1.06g/cm3 ,有一定的緩凝及引氣作用;鋼纖維:天津市路橋鋼纖維廠產(chǎn)的表面鍍銅光面平直鋼纖維,纖維直徑0.18mm～0.2mm ,長度15mm ,長徑比約為79 。

2.2 　試件制備、養(yǎng)護及測試方法

2.2.1 　攪拌方式

      采用水泥膠砂攪拌機,手動控制攪拌時間,考察兩種攪拌方式: ①將水泥、硅灰、砂和石英粉倒入攪拌鍋內(nèi),干拌3min ;加入溶有減水劑的一半用水量,攪拌3min ;倒入另一半用水量,攪拌3min ;若摻有鋼纖維,則最后加入鋼纖維再攪拌3min～6min[ 5 ] 。②將水泥、硅灰、粉煤灰和80 %溶有高效減水劑的水倒入攪拌鍋內(nèi)攪拌4min ;然后加入砂子和石英粉以及剩余20 %溶有高效減水劑的水,攪拌4min ;對于摻有鋼纖維的情況,則加入鋼纖維后再繼續(xù)攪拌4min[ 8 ] .21212 　試件成型及測試混凝土攪拌完后,將拌合物澆筑于40mm ×40mm ×40mm的三聯(lián)試模中,在振動臺上振動5min 成型。試件成型后移入養(yǎng)護室,24h 拆模,考察兩種養(yǎng)護制度: ①在(20 ±2) ℃水中標養(yǎng)28d ; ②先標養(yǎng)3d ,然后在90 ℃熱水中養(yǎng)護3d。試件的抗折、抗壓強度按《水泥膠砂強度檢驗方法( ISO) 法》( GB/ T17671- 1999) 進行測定,拌合物的流動度按《水泥膠砂流動度測定方法》( GB2419 - 81) 采用跳桌法測定。

3 　試驗結果及分析

3.1 　減水劑、攪拌工藝和養(yǎng)護制度對RPC 性能的影響

　　本次試驗考察了三種高效減水劑對RPC 性能的影響,試驗結果如表1 所示。試件編號中a、b 和c 分別代表FDN 萘系減水劑、邁地21S 和聚羧酸鹽減水劑,FDN 和聚羧酸鹽類減水劑的摻量均為膠凝材料的2 % ,邁地21S 的摻量為膠凝材料的2 %和3 %。同時還考察了攪拌方式和養(yǎng)護制度對RPC 強度和流動度的影響。由表1 可知: (1) 由1a、3b 和4c 的比較可知減水劑種類對RPC 性能的影響,采用FDN 的試件抗折、抗壓強度最高,采用邁地21S 次之,而采用聚羧酸鹽減水劑的強度最低。主要原因是這批聚羧酸鹽減水劑具有一定的緩凝和引氣作用,RPC 成型后表面存在明顯的孔洞,降低了其密實度,從而影響了抗折及抗壓強度。雖然1a 強度最高,但其成型困難,流動度很低。因此綜合考慮強度及流動度的影響,采用邁地21S 減水劑效果較好; (2) 5b 的抗折、抗壓強度和流動度均比6b 略高,說明兩種攪拌方式均可用來制備RPC ,宜優(yōu)先采用第一種攪拌工藝; (3) 熱水養(yǎng)護要明顯優(yōu)于標準養(yǎng)護,抗壓強度可高出40MPa～66MPa ,說明熱水養(yǎng)護對RPC 的活性反應有明顯的促進作用,可大幅提高其抗折及抗壓強度,說明制備RPC時不應采用標準養(yǎng)護制度; (4) 由邁地21S 摻量為2 %和3 %時強度比較可知兩者相差不大,2 %摻量時雖然沒有測出流動度,但經(jīng)過振動后可以成型。

3.2 　配合比對RPC 強度的影響

      根據(jù)前述結果,采用邁地21S 減水劑(膠凝材料質(zhì)量的2 %) 、第一種攪拌工藝和熱水養(yǎng)護制度,分別考察了水膠比、砂灰比、粉煤灰和鋼纖維摻量對RPC 抗折、抗壓強度的影響,試驗工況和結果如表2 所示。

   　由表中A 組試件抗折及抗壓強度的比較可以看出:隨著水膠比的增大,抗折強度逐漸降低,膠比為0.16 時的抗折強度最高, 達18.17MPa , 而水膠比為0.22 時的抗折強度為15.13 ,兩者相差16.7 %;抗壓強度在水膠比為0.18 時出現(xiàn)峰值,這是由于水膠比為0.16 時拌合物的流動性很差,振搗成型時不容易密實,導致其抗壓強度降低,所以在配制RPC 時不應過分地追求低水膠比,而應綜合考慮強度和流動性來選擇最佳的水膠比,以達到較高的強度,本文試驗中得到的最佳水膠比為0.18 。B 組工況考察砂灰比(S/ C) 對RPC 強度的影響,隨著標準砂摻量的增加,RPC 的抗折強度呈先上升后下降的趨勢,當砂灰比為1.1 時抗折強度達到最大;抗壓強度與抗折強度趨勢相同,砂灰比為1.0 和1.1 時強度相差很小,所以考慮最佳的砂灰比為1.1 ,此時RPC 的抗折和抗壓強度均較高。RPC實現(xiàn)高強度的前提是采用極低的水膠比,此時水泥和硅灰都不可能充分水化,因此可以考慮采用粉煤灰取代部分水泥,利用粉煤灰水化速度緩慢的特點,使體系在較低水膠比時,水灰比卻隨粉煤灰摻量的增加而增大,從而營造一個良好的動態(tài)水化環(huán)境。表2 中C 組工況考察了粉煤灰摻量對RPC強度的影響,粉煤灰等質(zhì)量取代水泥且保證膠凝材料總量不變?？梢钥闯?抗折強度在粉煤灰水泥質(zhì)量比為0.2 時達到最高,此后隨粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢;抗壓強度則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在粉煤灰水泥質(zhì)量比為0.33 時出現(xiàn)最大值,此時粉煤灰與膠凝材料的比約為0.2 左右。

      RPC 通過摻入細而短的鋼纖維來提高抗折強度,D 組工況考察鋼纖維的體積摻量對抗折及抗壓強度的影響,可以看出:鋼纖維體積摻量的增加使得抗折及抗壓強度均增加,當鋼纖維摻量達4 %時,RPC 抗折及抗壓強度最高,分別達到45.2MPa和220MPa ;隨著鋼纖維體積摻量的不斷提高,RPC 拌合物的流動度也在不斷減小,試件成型越來越困難,同時RPC 的造價也會不斷增加。綜合考慮強度及流動度的因素,本文認為鋼纖維的最大體積摻量宜取為2 %～3 %。這里需要說明的是,表2中各試件的流動度采用跳桌法很難測出,但均可以成型。另外,石英粉只有在較高溫度下其活性才能充分發(fā)揮,且其摻入后流動度將降低,所以表2 中并沒有考慮石英粉摻量的變化工況,而是取消石英粉改用標準砂質(zhì)量代替,則相應的砂膠比約為1.2 左右。3.3 　RPC 最優(yōu)配合比的確定在前述試驗的基礎上,綜合考慮RPC 的工作性和力學性能,選擇表3 作為RPC 的最優(yōu)配合比工況?？紤]到石英粉在90 ℃熱水養(yǎng)護條件下其活性很難充分發(fā)揮,因此在表3 中采用標準砂取代石英粉,砂膠比在1.2 左右。另外,前述試驗中的RPC 拌合物的流動性較差,因此表3 中減水劑摻量按含固量為膠凝材料的1 %添加。表3 中工況4 主要考察粉煤灰超量取代的效果,即一部分粉煤灰取代水泥,而另一部分粉煤灰則取代標準砂。工況5 主要是為了考察不摻加粉煤灰的二元膠凝體系與三元膠凝體系的區(qū)別, 表3 中基準水泥用量為630kg/ m3 。

      對比配比1～3 的強度及流動度試驗結果可知: (1) 當減水劑按含固量為膠凝材料的1 %摻入時,RPC 拌合物的工作性明顯改善,粘性及濕度均較大,比前述試驗中較干的拌合物相比更容易成型; 當水膠比為0.2 時, 其流動度更是達到了175mm ,成型十分容易; (2) 隨著水膠比的增加,RPC 的抗折及抗壓強度均下降,這與表2 中A 組情況有所差別,主要原因是減水劑摻量增加后,低水膠比的RPC 亦很容易密實成型,所以隨水膠比的減小其抗壓強度不斷增加; (3) 綜合考慮強度和工作性,最佳水膠比應在0.16～0.18 范圍內(nèi)。由配比2 、4 和5 的比較可知: (1) 摻入粉煤灰后拌合物的流動性會得到明顯改善,配比5 為二元膠凝體系,沒有測出其流動度,而配比2 和4 中隨粉煤灰摻量的增加,RPC 的流動度不斷提高,說明采用摻入粉煤灰的三元膠凝體系來制備RPC更為合理; (2) 對比配比4 、5 的強度可以看出,兩者抗壓強度十分接近,但加入粉煤灰后RPC 的抗折強度有所提高; (3) 配比1的抗折和抗壓強度最高,其流動度亦較好,所以將配比1 定為本文試驗所用原材料的最優(yōu)配合比。

4 　結論

      通過上述對RPC 配制技術的試驗研究,可以得到以下結論:(1) 配制RPC不應一味地追求低水膠比,應該充分考慮強度和流動度兩個因素對RPC性能的影響,若對RPC強度有較高要求時可擇0.16 的水膠比,其熱水養(yǎng)護的抗壓強度可超過200MPa ;而如果對工作性要求較高時,應采用稍大的水膠比;(2) 摻入粉煤灰取代部分水泥用量,不僅降低RPC 的制備成本,還可較好地改善RPC 的強度和工作性能,說明采用摻入粉煤灰的三元膠凝體系來制備RPC 更為合理,試驗得到粉煤灰的最佳摻量是粉煤灰水泥比介于0.25～0.33 之間,可以考慮采用0.3 ;(3) 石英粉的活性只有在蒸壓養(yǎng)護時才能得到發(fā)揮,當采用熱水養(yǎng)護時可不加入石英粉組分,而只用標準砂作為RPC的骨料,試驗得到的最優(yōu)砂膠比是1:2 ;