陳浩宇，王杰，李俊毅，王娜，蘇忠純，張鵬

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.山海關(guān)船舶重工有限責(zé)任公司，河北 山海關(guān) 066206）

0 引言

1993年法國(guó)布伊格（Bouygues）公司的 P.Richard[1]工程師仿效高致密水泥基均勻體系DSP（Densified System Containing Homogenously Arranged Ultra-fine Particle）材料[2]研制出一種新型超高性能混凝土，稱(chēng)為活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete簡(jiǎn)稱(chēng)RPC），該材料選取的是傳統(tǒng)的原材料和傳統(tǒng)的混凝土成型工藝，其原材料為石英砂、水泥、硅粉、細(xì)鋼纖維、高效減水劑等，取消了粗骨料，并且根據(jù)最大密實(shí)度理論，使各種顆粒達(dá)到最大密實(shí)化?；钚苑勰┗炷僚c常規(guī)混凝土相比，具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性及高溫適應(yīng)性等特點(diǎn)[3-5]。當(dāng)前，RPC材料已成為國(guó)際工程材料領(lǐng)域中的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

目前，在我國(guó)活性粉末混凝土技術(shù)也在客運(yùn)專(zhuān)線橋梁整體式人行道擋板、蓋板中得到了較好的應(yīng)用?？萍蓟?006］129號(hào)《客運(yùn)專(zhuān)線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的規(guī)定，同條件養(yǎng)護(hù)RPC材料性能要求見(jiàn)表1。

縱觀國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，RPC作為一種新型混凝土材料，盡管比常規(guī)混凝土更均質(zhì)，缺陷更少，但仍然缺少完整的活性粉末混凝土最佳配合比設(shè)計(jì)依據(jù)，基本性能的研究相對(duì)缺乏系統(tǒng)性?；钚苑勰┗炷恋母邚?qiáng)度還來(lái)源于條件比較苛刻的養(yǎng)護(hù)制度，如達(dá)到200 MPa，需要90℃熱水養(yǎng)護(hù)3 d，要達(dá)到800 MPa，需在400℃下干養(yǎng)護(hù)。而這種苛刻的養(yǎng)護(hù)制度不利于在工程中推廣應(yīng)用。因此，本文擬采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度對(duì)不同鋼纖維及摻量、不同摻合料的活性粉末混凝土性能進(jìn)行研究。

表1 同條件養(yǎng)護(hù)RPC材料性能要求

1 原材料與配合比

試驗(yàn)用RPC混凝土原材料選用水泥、石英砂、粉煤灰、礦渣粉、硅灰、高效減水劑、鋼纖維。

1）水泥（C）

本文采用河南省新鄉(xiāng)同力水泥廠42.5型普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)。水泥性能見(jiàn)表2。

2）粉煤灰（FA）

本文采用河南省平頂山姚孟電力粉煤灰開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰。粉煤灰性能見(jiàn)表3。

3）礦粉（SG）

本文采用信陽(yáng)明港豫鋼冶金加工有限責(zé)任公司微粉廠生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉，其性能見(jiàn)表4。

4）硅粉（SF）

本文中RPC采用安陽(yáng)硅粉廠生產(chǎn)的硅粉，其特征狀態(tài)為灰白色細(xì)粉，其性能見(jiàn)表5。

5）細(xì)骨料（S）

本文RPC均采用河南登封某砂廠定做的石英砂，粒徑范圍為0～1.25 mm，按粗細(xì)程度分為粗砂（S1）、中砂（S2）、細(xì)砂（S3）、特細(xì)砂（S4）等。不同粗細(xì)程度石英砂的實(shí)測(cè)級(jí)配范圍見(jiàn)表6。表觀密度與堆積密度見(jiàn)表7。

表2 水泥性能

表3 粉煤灰性能

表4 礦粉性能

表5 硅粉性能

表6 不同粗細(xì)程度石英砂的實(shí)測(cè)通過(guò)率%

表7 石英砂的表觀密度及堆積密度kg·m-3

各級(jí)砂子用量按集料最大密實(shí)度模型[6]計(jì)算。設(shè)粗砂、中砂、細(xì)砂和特細(xì)砂的表觀密度分別為ρ1、ρ2、ρ3和 ρ4，堆積密度分別為 ρ1′、ρ2′、ρ3′、ρ4′，則單位體積粗砂的質(zhì)量為：

粗砂的空隙率為：

則單位體積粗砂內(nèi)的空隙體積為V1，可摻入中砂的質(zhì)量為：

中砂的空隙率為：

V1體積中砂內(nèi)的空隙體積為V2，可摻入細(xì)砂的質(zhì)量為：

細(xì)砂的空隙率為：

V2體積中砂內(nèi)的空隙體積為V3，可摻入特細(xì)砂的質(zhì)量為：

所以試驗(yàn)中各配合比所需各粒級(jí)石英砂的質(zhì)量比為：

6）鋼纖維（SFR）

本文采用兩種鋼纖維。一種是國(guó)內(nèi)某鋼纖維有限公司產(chǎn)，細(xì)圓形表面鍍銅鋼纖維，直徑0.22 mm，長(zhǎng)度12～15 mm。另一種是某鋼纖維有限公司生產(chǎn)的螺紋型碳素鋼纖維，長(zhǎng)徑比為32.24，100根平均長(zhǎng)度為30.327 mm。

7）水（W）

普通自來(lái)水。

8）高效減水劑（A）

采用南京某混凝土外加劑廠生產(chǎn)的新型聚羧酸系高性能減水劑，其特征狀態(tài)為淡黃色透明液體，減水率為29%，1 h無(wú)坍落度損失。

9）配合比及性能

根據(jù)集料最大密實(shí)度模型，選擇了粗、中、細(xì)三種石英砂組合，采用不同礦物摻合料，振搗成型，制備了17組配合比，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，配合比詳細(xì)情況見(jiàn)表8。

表8 活性粉末混凝土的配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 普通鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土性能的影響

普通鋼纖維的摻量對(duì)活性粉末混凝土性能的影響見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，當(dāng)鋼纖維體積摻量為0.5%時(shí)，混凝土流動(dòng)度增大，摻量繼續(xù)增大時(shí)，流動(dòng)度下降?；炷量箟簭?qiáng)度隨鋼纖維摻量的增大而提高，初始強(qiáng)度增加幅度不大，28 d抗壓強(qiáng)度增加比較明顯，體積摻量為0.5%和2%的鋼纖維活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加了34.5%和47.6%。由圖1還可以看出，摻加2%鋼纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度比1%鋼纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度提高不明顯，但是流動(dòng)度降低較多。對(duì)于普通鋼纖維，綜合考慮流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度，本文認(rèn)為體積摻量為1%時(shí)最佳。

圖1 普通鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土性能的影響

2.2 鍍銅鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土性能的影響

鍍銅鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土性能的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)鍍銅鋼纖維體積摻量為0.5%時(shí)，混凝土流動(dòng)度增大，摻量繼續(xù)增大時(shí)，流動(dòng)度下降?；炷量箟簭?qiáng)度隨鋼纖維摻量的增大而增加，強(qiáng)度增加幅度較大，如體積摻量為0.5%和2%的鋼纖維活性粉末混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度分別增加了48.8%和66.9%。由圖2還可以看出，摻加2%鍍銅鋼纖維的混凝土強(qiáng)度和1%鋼纖維的混凝土強(qiáng)度相差不大，但是流動(dòng)度降低較多。對(duì)于鍍銅鋼纖維，從流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度的角度考慮，當(dāng)體積摻量為1%時(shí)制備出的活性粉末混凝土綜合性能最佳。

圖2 鍍銅鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土性能影響

綜合圖1和圖2可知，相同摻量的鋼纖維，鍍銅鋼纖維混凝土的流動(dòng)度和普通鋼纖維混凝土的流動(dòng)度相差不大；但是鍍銅鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度比普通鋼纖維抗壓強(qiáng)度高。因此研究摻合料對(duì)鋼纖維活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度的影響采用體積摻量為1%的鍍銅鋼纖維。

2.3 鍍銅鋼纖維對(duì)不同摻合料的活性粉末混凝土性能的影響

鍍銅鋼纖維對(duì)不同摻合料的活性粉末混凝土性能的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，鋼纖維對(duì)不同礦物摻合料的活性粉末混凝土流動(dòng)度影響不大。摻加礦物摻合料的鋼纖維活性粉末混凝土的早期抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土降低，但后期抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度，能滿(mǎn)足科技基［2006］129號(hào)《客運(yùn)專(zhuān)線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的要求。單摻硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強(qiáng)度增加的幅度最大，提高了45.0%，雙摻礦粉和硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強(qiáng)度增加其次，提高了23.7%。綜上，對(duì)于制備鋼纖維活性粉末混凝土，單摻硅灰或復(fù)合摻加硅灰和礦粉的效果較佳。

圖3 鍍銅鋼纖維對(duì)不同摻合料的活性粉末混凝土性能的影響

2.4 最佳配合比力學(xué)性能和耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖3的結(jié)果分別得出了單摻礦物摻合料和復(fù)合摻加礦物摻合料的最佳配合比，由表9和表10可以看出，單摻硅灰、復(fù)合摻加礦粉和硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土的力學(xué)性能和耐久性能均能滿(mǎn)足《客運(yùn)專(zhuān)線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的規(guī)定。

表9 最佳配合比RPC力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表10 最佳配合比RPC耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

1）隨著鋼纖維摻量的增加，活性粉末混凝土流動(dòng)度下降。混凝土強(qiáng)度隨鋼纖維摻量增大而增加，后期強(qiáng)度增加幅度較大。從流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度的角度考慮，當(dāng)鋼纖維體積摻量為1%時(shí)制備出的活性粉末混凝土效果最佳。

相同摻量時(shí)，鍍銅鋼纖維混凝土的流動(dòng)度和普通鋼纖維混凝土的流動(dòng)度相差不大，但是鍍銅鋼纖維混凝土強(qiáng)度比普通鋼纖維強(qiáng)度高。

2）摻加礦物摻合料的鋼纖維活性粉末混凝土的早期抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土降低，但后期抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度，能滿(mǎn)足《客運(yùn)專(zhuān)線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的要求。

3）單摻硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強(qiáng)度增加的幅度最大，雙摻礦粉和硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土28 d抗壓強(qiáng)度增加其次。制備鋼纖維活性粉末混凝土?xí)r，單摻硅灰或復(fù)合摻加硅灰和礦粉的效果較佳。單摻硅灰、復(fù)合摻加礦粉和硅灰的鋼纖維活性粉末混凝土的力學(xué)性能和耐久性能均能滿(mǎn)足《客運(yùn)專(zhuān)線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》的規(guī)定。

[1]RICHARD P.Reactive Powder Concrete，a New Ultra-highstrength Cementitious Material[C]//Proceedings of the 4th International Symposium on Utilization of High-strength/high-performance Conerete.Paris，1996：1 343-1 349.

[2]RICHARD P，CHEYREZY M.Composition of Reactive Powder Concrete Research[J].Cement and Concrete Research，1995，125（7）：1 501-1 511.

[3]ROY D M.Advanced Cement Systems，Including CBC，DSP，MDF[C]//Proceedings of the 9th International Congress on the Chemistry of Cement.1992：357-380.

[4]覃維祖，曹峰.一種超高性能混凝土——活性粉末混凝土[J].工業(yè)建筑，1999（4）：16-18.

[5]RICHARD P，CHEYREZY M H.Reactive Powder Coneretes with High Ductility and 200-800 MPa Compressive Strength[C]//Conerete Technology：Past，Present and Future Proceedings of the V Mohan Malhotra Symposium.S Franciscro，1994：507-518.

[6]DUGAT J，ROUX N，BERNIER G.Mechanical Properties of Reactive Powder Concretes[J].Materials and Construction，1996，29：233-240.