寧致遠(yuǎn)，劉 輝，馬 斌，王 璇，安學(xué)旭

(1.西京學(xué)院，西安 710123；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075)

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基于正交試驗(yàn)的活性粉末混凝土力學(xué)性能及耐久性研究

寧致遠(yuǎn)1，劉 輝2，馬 斌1，王 璇1，安學(xué)旭1

(1.西京學(xué)院，西安 710123；2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075)

通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)了18組不同配合比的活性粉末混凝土(RPC)，在常溫養(yǎng)護(hù)制度下對其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究，分析了砂膠比、水膠比、鋼纖維摻量等因素對RPC力學(xué)性能的影響，考察了RPC破壞過程及形態(tài)?；诹W(xué)性能最優(yōu)試驗(yàn)組，對該配合比進(jìn)行優(yōu)化，然后進(jìn)行了抗凍融循環(huán)試驗(yàn)和抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：水膠比和鋼纖維含量對RPC抗折和抗壓強(qiáng)度影響顯著，鋼纖維含量過高導(dǎo)致RPC拌合物流動性較差，亦不經(jīng)濟(jì)，建議鋼纖維體積含量控制在1.5%左右。RPC經(jīng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)150次時(shí)，其相對動彈模量為95.2%，質(zhì)量損失忽略不計(jì)；經(jīng)硫酸鹽溶液侵泡的RPC試塊強(qiáng)度相比在清水侵泡中提高了16.2%，RPC的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)為116.5%。

活性粉末混凝土； 正交試驗(yàn)； 力學(xué)性能； 水膠比；

1 引 言

20世紀(jì)90年代，P.Richard等[1]通過密實(shí)堆積原理，成功研制出一種強(qiáng)度高、韌性好、耐久性高、良好體積穩(wěn)定性的水泥基復(fù)合型材料，稱為活性粉末混凝土(Reactive Power Concrete簡稱RPC)。根據(jù)組成和熱處理方式的不同，RPC的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到200～800 MPa；抗拉強(qiáng)度可達(dá)到20～50 MPa；彈性模量可達(dá)到40～60 GPa；斷裂能為40 kJ/m2，是普通混凝土的250倍。目前，RPC已在法國、加拿大等國家應(yīng)用于工程實(shí)踐，我國青藏鐵路凍土區(qū)橋梁上也采用了RPC材料[2]。

國內(nèi)外對RPC的研究結(jié)果表明[3-6]，由于RPC剔除了粗骨料，基體缺陷減少，勻質(zhì)性大大提高，加入適量微細(xì)的鋼纖維后，具有比普通高強(qiáng)混凝土更好的韌性。目前，RPC是由超低水膠比而使它的自身收縮明顯加大、采用熱養(yǎng)護(hù)的影響較顯著等，適宜于預(yù)制生產(chǎn)，而不能現(xiàn)澆，在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用受到限制。因此為推廣RPC在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，有必要對RPC在常規(guī)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行力學(xué)性能和耐久性試驗(yàn)研究。

本文擬通過常規(guī)養(yǎng)護(hù)工藝，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)了18組不同配合比的活性粉末混凝土，對其進(jìn)行基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究，分析了水膠比、鋼纖維含量、硅粉等因素對其力學(xué)性能的影響，從而獲得一種力學(xué)性能最優(yōu)的配合比方案，然后基于該配合比方案制作試件進(jìn)行抗凍融和抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)研究?？疾炝薘PC耐久性能。研究結(jié)果將為我國RPC在常規(guī)養(yǎng)護(hù)制度下的實(shí)際工程推廣及應(yīng)用提供技術(shù)參考。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料與配合比

水泥：采用標(biāo)號為52.5R普通硫酸鹽水泥。粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度為5.8，強(qiáng)度活性指數(shù)為81%。硅灰：所采用的硅灰密度為2.223 kg/m3，平均粒徑0.30 μm左右，比表面積為14.59 m2/kg。礦渣粉：采用S95級礦渣粉，密度為2850 kg/m3，比表面積為438 m2/kg。鋼纖維：采用72A-82B高強(qiáng)鋼絲切斷型細(xì)圓形表面鍍銅鋼纖維，抗拉強(qiáng)度為2880 MPa，長度為13～ 15 mm，直徑為0.2～ 0.25 mm。減水劑：聚羥酸減水劑，減水率為29%。砂子：采用灞河河砂，用篩子剔除5 mm以上顆粒，細(xì)度模數(shù)為2.8，屬于二區(qū)中砂，級配良好。水：采用西安自來水。

影響活性粉末混凝土力學(xué)性能、抗凍融性能以及抗硫酸鹽侵蝕的因素很多，為了獲得關(guān)于水膠比、鋼纖維、硅灰摻和料等因素對活性粉末混凝土力學(xué)性能、抗凍融性能及抗硫酸鹽侵蝕的影響狀況，本文通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)了18組配合比。試驗(yàn)分析因子如表1所示。本次試驗(yàn)將水泥摻量控制在715 g，調(diào)節(jié)其他參量的變化。假定拌合物的表觀密度為2600 kg/m3。RPC配合比如表2所示。

表1 材料的配合比范圍

注：1.W表示水、FA表示粉煤灰、S表示硅粉、GS表示礦渣粉、C表示水泥用量；2.B表示膠體，包含F(xiàn)A、S、GS、C；3.鋼纖維為體積比，減水劑摻量為質(zhì)量比。

2.2 試驗(yàn)方法

RPC作為一種新型超高性能混凝土材料，目前國內(nèi)外還沒有專門為其制定相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范。由于RPC不含粗骨料，材質(zhì)均勻性好，各組分能夠均勻混合。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9](JGJ/T70-2009)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊；依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法標(biāo)準(zhǔn)》[10](GB/T17671-1999)進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試，采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試塊。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11](GBJ82-85)進(jìn)行抗凍融循環(huán)試驗(yàn)和抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，試塊大小分別采用100 mm×100 mm 400 mm的棱柱體和邊長為100 mm的立方體。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)均采用Yes-3000型數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力為3000 kN，試驗(yàn)力準(zhǔn)確度為±1%。試驗(yàn)加載方法參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12](GB/T50081-2002)?？箖鋈谘h(huán)試驗(yàn)及抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)均參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11](GBJ82-85)中要求進(jìn)行試驗(yàn)?？箖鋈谘h(huán)試驗(yàn)采用由北京耐恒檢測設(shè)備科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的NJW-HDK-9型全自動快速凍融機(jī)和DT-2型數(shù)字式動彈性測定儀。抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)采用電控砼硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)備。

表2 活性粉末混凝土配合比

注：1.固定水泥摻量715 g；2.每組試驗(yàn)制作3個(gè)試塊；3.鋼纖維為體積含量。

2.3 試件成型與養(yǎng)護(hù)

本次試驗(yàn)在西安理工大學(xué)建筑材料實(shí)驗(yàn)室(甲級)進(jìn)行。將按配合比稱量好的石英砂、水泥、硅粉倒入攪拌機(jī)，攪拌3 min。使膠凝材料和石英砂全面混合，達(dá)到均勻分布，將一半質(zhì)量的水和高性能減水劑均勻混合加入攪拌機(jī)，快速攪拌5 min，再將剩余的水加入，快速攪拌至拌合物成為漿體，此時(shí)加入鋼纖維攪拌2～3 min。將混凝土拌合物裝入試模，放在高頻振動臺上振動5～6 min，直至試件振動成型。

抗壓、抗折試塊養(yǎng)護(hù)：試件成型后送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(20±2) ℃養(yǎng)護(hù)，24 h后拆模，拆模后將試塊放置在(20±2) ℃水溶液中養(yǎng)護(hù)至28 d或規(guī)定的齡期。

抗凍融循環(huán)試塊養(yǎng)護(hù)：在溫度為(20±2) ℃，濕度為96%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 d，然后取出試件在溫度為(20±2) ℃的水中浸泡4 d，讓試件充分飽水。

抗硫酸鹽侵蝕試塊養(yǎng)護(hù)：RPC試塊在溫度為(20±2) ℃，濕度為96%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)26 d，取出試件后將試件放在(20±2) ℃的清水中浸泡2 d，完成上述過程后將試件取出擦干表面水分，放入在溫度為(80±5) ℃的烘箱中48 h，烘干后在烘箱中冷卻至常溫，待放入干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度最高達(dá)120.7 MPa，抗折強(qiáng)度最高為61.8 MPa?；钚苑勰┗炷量箟簭?qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別見圖1、圖2。

通過極差和方差分析可知：RPC抗壓、抗折強(qiáng)度受水膠比以及鋼纖維的影響最為顯著。隨著水膠比的提高，RPC抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢，這一性質(zhì)與普通混凝土相似。硅灰摻量的增加有利于提高強(qiáng)度，原因是硅灰的活性對水泥的水化起了作用，硅灰摻量越大，水泥水化越完全，因而強(qiáng)度越高。在試驗(yàn)中，隨著鋼纖維摻量增加，RPC試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度得到了很大改善。

圖1 RPC試塊抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of RPC specimen

圖2 RPC試塊抗折強(qiáng)度Fig.2 Flexural strength of RPC specimen

通過上述分析可知，試驗(yàn)中第三組配合比RPC具有良好的力學(xué)性能，抗折強(qiáng)度為120.7 MPa，抗壓強(qiáng)度為61.8 MPa，該組各組分比例為：水泥∶硅灰∶砂子∶減水劑=1∶0.22∶1.93∶0.024，水膠比為0.20。

鑒于試驗(yàn)觀察中該組配合比下鋼纖維含量高，導(dǎo)致RPC拌合物流動性差，難于攪拌，故對鋼纖維摻量以及次要影響因素做出相應(yīng)調(diào)整。調(diào)整后的配合比為水泥：硅灰∶砂子∶減水劑=1∶0.22∶1.48∶0.024，水膠比為0.20。

3.2 試件破壞過程及形態(tài)

如圖3所示，沒有添加鋼纖維的RPC試塊，當(dāng)試塊受荷在330 kN左右時(shí)出現(xiàn)裂紋，而后裂縫慢慢增大，當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí)試塊瞬間碎裂，分散成小塊并伴隨著很大的迸裂聲，破壞前無明顯征兆，表現(xiàn)為脆性破壞。

不同綱纖維摻量的RPC試塊破壞特征大體一致，以鋼纖維體積摻量為1.5%為例說明。如圖4所示，當(dāng)試塊受荷在510 kN左右時(shí)，試塊出現(xiàn)細(xì)微裂縫，并伴隨著鋼纖維拉扯的聲音，可見鋼纖維的作用限制了裂縫的擴(kuò)展；當(dāng)試塊達(dá)到峰值荷載后，荷載緩慢下降，而后趨于平衡，表明加入鋼纖維后RPC試塊延性得到了很大改善；卸載時(shí)，試塊的變形開始快速回彈，鋼纖維逐漸脫離于拔出，在試驗(yàn)過程中可聽見纖維拔出時(shí)的“噼啪”聲。

圖3 不含鋼纖維RPC試塊的受壓破壞形態(tài)Fig.3 Compression failure pattern of RPC specimen without steel fiber

圖4 鋼纖維RPC試塊受壓破壞形態(tài)Fig.4 Compression failure pattern of RPC specimen with steel fiber

在抗折試驗(yàn)過程中，沒有摻入鋼纖維的RPC試塊當(dāng)加載至極限荷載前，試塊沒有出現(xiàn)明顯的裂紋，而當(dāng)試塊出現(xiàn)裂紋時(shí)試塊突然斷裂，伴隨迸裂的聲音，試塊破壞。如圖5所示，試塊斷裂面整齊完整。

不同鋼纖維摻量的RPC試塊破壞特征大體一致，以鋼纖維體積摻量為1.5%為例說明。當(dāng)荷載達(dá)到206 kN左右時(shí)，裂縫首先出現(xiàn)在受拉區(qū)，隨著荷載的增大，裂縫隨之不斷的擴(kuò)展。達(dá)到極限荷載后，試塊裂縫明顯，并不斷有鋼纖維被拔出，直至試塊完全破壞，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)緩慢卸載時(shí)，可聽見鋼纖維拔出時(shí)的“噼啪”聲，試塊破壞形態(tài)如圖6所示。

綜合分析抗壓、抗折試驗(yàn)可知，鋼纖維的加入，極大地改善了RPC的變形和破壞特征，使得試件的延性和韌性有了提高明顯。

圖5 不摻鋼纖維RPC試塊受折破壞形態(tài)Fig.5 Flexural failure pattern of RPC specimen without steel fiber

圖6 摻鋼纖維RPC受折破壞形態(tài)Fig.6 Flexural failure pattern of RPC specimen with steel fiber

3.3 RPC耐久性能試驗(yàn)

基于RPC試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，選出最佳配合比，然后對各組分摻量進(jìn)行微調(diào)，選擇配合比為水泥∶硅灰∶砂子∶減水劑=1∶0.22∶1.48∶0.024，水膠比為0.20。將該RPC養(yǎng)護(hù)成型，養(yǎng)護(hù)條件如2.3所述，進(jìn)行抗凍融試驗(yàn)和硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。

3.4 RPC抗凍融循環(huán)試驗(yàn)

將浸泡后的RPC試塊取出，測量其初始質(zhì)量W01，初始橫向基頻f01。RPC試塊在飽水狀態(tài)下進(jìn)行凍融試驗(yàn)，試件中心溫度分別控制在(-17±2) ℃和(8±2) ℃，3 h左右完成一次凍融循環(huán)，共持續(xù)200次凍融循環(huán)，每25次做一次記錄，觀察其外部損傷，記錄其質(zhì)量Wni，同時(shí)測量其橫向基頻fni。

圖7 RPC試塊凍融循環(huán)剖面Fig.7 Section of RPC specimen by freezing-thawing cycle

結(jié)果及分析：RPC經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，試件剖面如圖7所示。結(jié)合圖7和表3、表4可知，經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，所有試塊均沒有出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。RPC試塊的質(zhì)量變化較小，平均值為0.12%。當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)150時(shí)，其相對動彈模量為95.2%，凍融200次后其相對動彈模降低到44%，表明RPC在凍融次數(shù)超過150次后，其力學(xué)性能便受到了很大的折損。對該組RPC試塊進(jìn)行劈裂，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部有明顯的孔隙。

由此可見，處于飽和狀態(tài)的混凝土受凍時(shí)，其毛細(xì)孔壁承受膨脹壓力和滲透壓力，當(dāng)這兩種壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土就會開裂。反復(fù)凍融循環(huán)后，混凝土中的裂縫就會相互貫通，強(qiáng)度隨之降低，直至完全喪失承載力，使得混凝土由表及里遭受破壞。而RPC中摻入鋼纖維，鋼纖維起到了橋接裂縫的作用，高彈性模量的鋼纖維與混凝土之間的粘結(jié)力具有一定的阻裂作用，使得RPC有良好的抗凍融性能。

表3 RPC試塊質(zhì)量損失計(jì)算結(jié)果

表4 RPC試塊動彈模計(jì)算值

3.5 RPC抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

混凝土材料經(jīng)過硫酸根離子的長期侵蝕，會引起本體性能損失，宏觀表現(xiàn)為砂漿嚴(yán)重剝落、石子外露；微觀表現(xiàn)為鈣礬石、C-S-H膠凝分解或溶出，導(dǎo)致水泥基材料失去粘接性能從而喪失承載力。RPC硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)參照《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗(yàn)方法》[12](GB/T 50082-2009)抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)部分進(jìn)行。配制濃度為10%的硫酸鈉溶液，放入RPC試塊，試塊間距不小于20 cm。浸泡時(shí)間為(15±0.5) h，浸泡結(jié)束后，溶液在30 min內(nèi)排凈，用30 min將試塊烘干。然后將烘箱升溫到80 ℃，在30 min內(nèi)烘干，將溫度(80±0.5) ℃保持6 h，接著進(jìn)行冷卻，將試塊冷卻到25～30 ℃的時(shí)間為2 h。整個(gè)循環(huán)過程持續(xù)(24±2) h，然后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，進(jìn)行15次循環(huán)。完成以后對其外觀進(jìn)行描述，同時(shí)對其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定，計(jì)算其抗壓強(qiáng)度侵蝕系數(shù)。對照組則放入清水中，在同等養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行，進(jìn)行對比試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果及分析：抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)中，具體反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+6OH-(鈣礬石)

Ca(OH)2+Na2SO4+2H2O=CaSO4·2H2O+2Na++2OH-(石膏)

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，經(jīng)過10%濃度的Na2SO4溶液侵蝕循環(huán)15次后，RPC的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)為116.5%。經(jīng)硫酸鹽溶液侵泡的RPC試塊強(qiáng)度有一定程度提高，相比清水侵泡的強(qiáng)度提高了16.2%。原因是由于鈣礬石或石膏的生成，產(chǎn)生體積膨脹，在一定程度上增大了混凝土的密實(shí)性。此外，粉煤灰和硅灰的摻入，如 SiO2，使得RPC中Ca(OH)2反應(yīng)比較充分，在某種程度上稀釋了Ca(OH)2，減少了石膏和鈣礬石的生成，使得RPC更加密實(shí)，同時(shí)試驗(yàn)機(jī)中的的高溫環(huán)境促進(jìn)了RPC的內(nèi)部進(jìn)一步水化反應(yīng)，使得生成更多的C-S-H凝膠填充內(nèi)部孔隙，強(qiáng)度會有一定的增加。綜合上述原因分析，RPC更有利于抗硫酸鹽的侵蝕。

表5 RPC試塊硫酸鹽侵蝕結(jié)果

注：1.Q1、Q2分別表示硫酸鹽侵泡、清水侵泡是試驗(yàn)組；2.每組所測強(qiáng)度值為3次試驗(yàn)平均值。

4 結(jié) 論

本文通過正交試驗(yàn)，在常規(guī)養(yǎng)護(hù)制度下，研究了水膠比、鋼纖維含量等因素對RPC力學(xué)性能的影響以及對RPC的抗凍融性能和抗硫酸鹽侵蝕性能做了初步探究，得出以下結(jié)論：

(1)通過正交試驗(yàn)分析可知，水膠比和鋼纖維含量是影響RPC強(qiáng)度的主要因素。配合比為：水泥∶硅灰∶砂子∶減水劑=1∶0.22∶1.48∶0.024，水膠比為0.20；

(2)RPC抗壓、抗折強(qiáng)度隨鋼纖維含量的增大而增大，但鋼纖維含量的增加導(dǎo)致拌合物流動性差，亦不經(jīng)濟(jì)，故建議鋼纖維體積含量控制在1.5%左右；

(3)RPC凍融次數(shù)達(dá)150次時(shí)，其相對動彈模量為95.2%，質(zhì)量變化忽略不計(jì)，表明RPC抗凍融循環(huán)性能良好；

(4)經(jīng)硫酸鹽溶液侵泡的RPC試塊強(qiáng)度相比在清水侵泡中提高了16.2%，RPC的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)為116.5%，表明RPC相比普通混凝土更耐硫酸鹽溶液的侵蝕。

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Mechanical Properties and Durability of Reactive Power Concrete Based on Orthogonal Experimental

NINGZhi-yuan1,LIUHui2,MABin1,WANGXuan1,ANXue-xu1

(1.Xijing University,Xi'an 710123,China;2.Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group,Xi'an 710075,China)

According to the orthogonal design method, 18 mix proportions of RPC were designed. The mechanical properties such as compressive strength and flexural strength were tested at the room temperature curing. The failure process and pattern were observed. The influence of the water-binder ratio,the steel fiber content on mechanical properties of RPC was analyzed.Based on the mix proportion of the optimal mechanical properties in the orthogonal test,the durability such as the resistance of freezing-thawing cycle and sulfate were conducted. Tests show that the compressive strength and flexural strength were significantly effected by the water-binder ratio and the steel fiber content. The steel fiber content is too high to economic, resulting the fluidity of the mixture was poor and suggesting that the steel fiber volume content was controlled at about 1.5%. When the number of freezing-thawing cycles was 150 times, the relative dynamic modulus of RPC was 95.2% and the mass loss was very little. The strength of RPC immersed in the sulfate solution was increased by 16.2%, compared with specimen immersed in the water. The RPC resistance coefficient of sulfate attack was 116.5%.

reactive power concrete;orthogonal test;mechanical property;water-binder ratio

西京學(xué)院科研啟動基金項(xiàng)目(XJ160126)

寧致遠(yuǎn)(1989-)，男，碩士，工程師.主要從事活性粉末混凝土的研究.

馬 斌，博士，教授.

TQ11

A

1001-1625(2016)12-4097-07