姚宇飛

（武漢源錦商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430000）

0 前言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是 20世紀(jì)90年代由法國Bouygues公司成功研發(fā)的一種超高強、低脆性、耐久性優(yōu)異并具有廣闊應(yīng)用前景的新型超高性能混凝土。傳統(tǒng)的RPC主要是由水泥、硅灰、石英砂、鋼纖維和高效減水劑等充分混合攪拌后，經(jīng)高溫養(yǎng)護而制成，但其高昂的生產(chǎn)成本和復(fù)雜的制備工藝，制約RPC的發(fā)展和應(yīng)用[1-3]。傳統(tǒng)RPC中的鋼纖維成本較高，且在鹽澤地、海洋等環(huán)境中存在銹蝕的風(fēng)險，影響RPC結(jié)構(gòu)的外觀美感、力學(xué)性能和耐久性。

玄武巖纖維（Basalt Fiber，BF）是一種硅酸鹽纖維，具有耐酸堿、耐高溫和耐沖擊等優(yōu)良性能。其密度小、成本較低、生產(chǎn)工藝綠色環(huán)保，可以更均勻地分散到混凝土基體中，可以替代鋼纖維用在腐蝕環(huán)境中[4]。鞠彥忠等[5]、何曉雁等[6]對玄武巖纖維活性粉末混凝土的基本性能進行了研究，認(rèn)為12mm長BF合適的體積摻量為0.1%～0.2%。鄭遵暢[7]認(rèn)為，12 mm長BF合適的體積摻量為1.5%。賈方方等[8]對比不同纖維活性粉末混凝土的基本性能，認(rèn)為13 mm長BF合適的體積摻量為0.75%。在不同的試驗材料、配合比和養(yǎng)護制度等情況下，不同學(xué)者得到的BF最優(yōu)摻量不盡相同。

目前關(guān)于在RPC中纖維混雜效應(yīng)的研究多集中于鋼纖維與一種或多種其它類型纖維的混雜[9-10]。李慧[4]研究了RPC中玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混雜效應(yīng)，認(rèn)為混摻纖維能夠提升RPC的抗壓、抗折強度，優(yōu)于單摻一種纖維。在RPC中鮮有關(guān)于玄武巖纖維和聚乙烯醇纖維（Polyvinyl Alcohol Fiber，PVAF）混雜效應(yīng)的研究報道。

本文通過研究BF摻量對河砂RPC的工作性能和力學(xué)性能的影響，優(yōu)化BF的摻量；在此基礎(chǔ)上，探究BF和PVAF的混雜效應(yīng)對河砂RPC性能的影響。希望為RPC的工程化應(yīng)用提供一些參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：海螺P·O42.5水泥，比表面積380 m2/kg，28 d抗壓強度51.2MPa。粉煤灰：粉煤灰1（FA1），青電Ⅰ級，細(xì)度7.7%，燒失量1.85%；粉煤灰2（FA2），青電Ⅰ級，細(xì)度10.7%，燒失量1.43%。礦粉：武鋼新型建材S95級，比表面積422 m2/kg，28 d活性指數(shù)104%。硅灰：灰黑色，武漢陽邏產(chǎn)，硅灰1和硅灰2的比表面積（BET）分別為18 000、18 500 m2/kg。膠凝材料的表觀密度見表1。

表1 膠凝材料的表觀密度

減水劑：武漢源錦科技公司專配RPC用聚羧酸系高性能減水劑（PCE），密度1.03 g/cm3，PCE1和PCE2的含固量分別為19.0%、18.9%。

纖維：玄武巖纖維（2個批次，分別為BF1、BF2）和聚乙烯醇纖維，主要性能指標(biāo)見表2。

表2 纖維的主要性能指標(biāo)

河砂：武漢地區(qū)天然河砂，清洗烘干后，篩分成0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm 和 1.18～2.36 mm 四個粒級。按照文獻[11]中試驗方法，試驗確定 0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm和1.18～2.36 mm四個粒級河砂復(fù)配質(zhì)量比為：0.16∶0.21∶0.27∶0.36 時，河砂達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)。先后使用 2批次河砂，河砂1：表觀密度2630 kg/m3，最緊密堆積密度1720 kg/m3，最緊密堆積空隙率34.6%。河砂2：表觀密度2630kg/m3，最緊密堆積密度1745 kg/m3，最緊密堆積空隙率33.7%。

1.2 試驗方案和測試方法

按照文獻[12]中配合比設(shè)計方法設(shè)計河砂RPC的配合比。根據(jù)前期試驗確定[12]，在漿體富余系數(shù)n=1.4時，水膠比0.18的膠凝材料比例（質(zhì)量比）為水泥45%、粉煤灰25%、礦粉15%、硅灰15%；水膠比0.16的膠凝材料比例（質(zhì)量比）為水泥45%、粉煤灰30%、礦粉10%、硅灰15%。

試驗探究BF摻量和BF與PVAF混雜摻量（均為體積摻量）對河砂RPC的流動度、抗折強度和抗壓強度的影響。在此基礎(chǔ)上，制備RPC標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件，進一步驗證和優(yōu)化河砂RPC的配合比。

攪拌方式：將纖維放入水中浸泡10 min，并適當(dāng)攪拌，使其充分浸水；將水、纖維和膠材倒入攪拌鍋內(nèi)先進行攪拌，待纖維分散均勻后，加砂再攪拌。根據(jù)纖維摻量的不同，攪拌時間為 10～20 min。

養(yǎng)護制度：帶模標(biāo)養(yǎng)2 d，拆模后在20℃水中養(yǎng)護3 d，90℃熱水養(yǎng)護3 d，養(yǎng)護結(jié)束后隨環(huán)境自然冷卻至室溫，然后進行力學(xué)性能試驗。

BF摻量試驗和BF與PVAF混雜試驗測試RPC的流動度、抗折強度和抗壓強度，成型試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。標(biāo)準(zhǔn)尺寸試驗按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試RPC的坍落度和擴展度，按照GB/T 31387—2015測試RPC的力學(xué)性能，成型試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 BF摻量對河砂RPC性能的影響

在不同水膠比（W/B）情況下，研究BF摻量對河砂RPC性能的影響，試驗配合比見表3，測試結(jié)果分別見圖1、圖2，不同BF摻量的河砂RPC試件斷面形態(tài)見圖3。

表3 BF單摻試驗RPC的配合比（n=1.4）

圖1 BF摻量對RPC流動度的影響

圖2 BF摻量對RPC力學(xué)性能的影響

圖3 不同BF摻量的RPC試件斷面形態(tài)

從圖1可以看出，隨著BF摻量的增加，不同水膠比的RPC的流動度均呈指數(shù)式下降，且水膠比越低，流動度越小。當(dāng)BF摻量超過0.5%后，RPC的流動度急劇下降。BF在RPC中本質(zhì)上也是一種“骨料”，長徑比越大，比表面積越大，需要大量的漿體包裹，這樣用來保證RPC流動性的漿體量就減少。隨著BF摻量的增加，RPC的流動度下降越大。如圖1所示，PCE摻量的提高，對改善RPC的流動性效果不明顯。PCE摻量的提高，雖然改善了漿體的流動性，但這種改善效果弱于BF纖維摻量增加所帶來的BF對漿體束縛增強的負(fù)面效果。

從圖2可以看出，BF摻量對河砂RPC的抗折和抗壓強度的影響不是很大。BF是一種硅酸鹽纖維，是脆性材料，斷裂伸長率小[4]，與RPC基體結(jié)合也較緊密，所以單摻BF的RPC力學(xué)性能受基體本身的影響較大?；w的水膠比是一致的，所以RPC的抗折和抗壓強度變化不大。如圖3所示，河砂RPC的試件出現(xiàn)明顯的脆性破壞特征，斷面比較整齊。纖維的摻入及纖維摻量的增加，漿體黏度增大，內(nèi)部氣泡排除困難，RPC的缺陷（如氣孔）逐漸增多、增大，而RPC的力學(xué)性能卻無明顯劣化。這說明BF對河砂RPC的韌性有一定的改善作用。

由圖1和圖2分析可得，當(dāng)漿體富余系數(shù)n=1.4時，對于水膠比為0.18和0.16，合適的玄武巖纖維體積摻量為0.75%～1.00%。

2.2 BF與PVAF混雜對河砂RPC性能的影響

在BF摻量優(yōu)化的基礎(chǔ)上，當(dāng)W/B=0.16，n=1.4時，選取不同摻量的PVAF分別與0.75%BF和1.00%BF進行混雜試驗，探究混雜效應(yīng)對河砂RPC性能的影響，混雜試驗方案及配合比見表4，性能測試結(jié)果分別見圖4、圖5。

表4 BF與PVAF混雜試驗RPC的配合比

圖4 BF與PVAF纖維混雜對RPC流動度的影響

圖5 BF與PVAF纖維混雜對RPC力學(xué)性能的影響

由圖4可以看出，當(dāng)PVAF摻量≤0.8%時，BF摻量越高，流動度越?。划?dāng)PVAF摻量≥0.8%時，流動度繼續(xù)下降，此時BF摻量的變化對流動性影響不大。PCE摻量的提高，對新拌RPC的流動性改善效果不大。對比圖1和圖4，在纖維體積摻量（PVAF摻量≤0.8%）和PCE摻量相近的情況下，混雜纖維RPC的流動度大于單摻BF的RPC。PVAF是一種親水性材料，柔韌性好，對漿體的束縛力較小，且本試驗使用的PVAF的長度為9 mm，短于12 mm的BF，形成級配效應(yīng)，所以混雜纖維的流動性好于單摻BF的。隨著PVAF摻量進一步增大（＞0.8%），混雜纖維對漿體的束縛力進一步增大，RPC的流動度急劇下降。

由圖5可見，BF與PVAF混雜RPC的力學(xué)性能優(yōu)于單摻BF的RPC。當(dāng)BF摻量為0.75%時，隨著PVAF摻量的增加，河砂RPC的抗壓強度先提高后趨于平緩，抗折強度先提高后降低。此時合適的PVAF摻量為0.8%。當(dāng)BF摻量為1.00%時，隨著PVAF摻量的增加，河砂RPC的抗壓和抗折強度先略降低后逐漸提高。當(dāng)PVAF摻量超過0.8%后，抗折和抗壓強度變化平緩，此時RPC的流動性差，試件成型困難，內(nèi)部缺陷增大、增多，不利于實際生產(chǎn)應(yīng)用。此時合適的PVAF摻量也為0.8%。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)尺寸試驗

在前期試驗基礎(chǔ)上，選取部分上述試驗優(yōu)化的配合比，按照GB/T 31387—2015成型標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件。研究標(biāo)準(zhǔn)尺寸下纖維摻量和混雜對河砂RPC性能的影響，試驗配合比及性能測試結(jié)果見表5。1#、2#、3#標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件的破壞形態(tài)見圖6。

表5 標(biāo)準(zhǔn)尺寸條件下河砂RPC的配合比及性能測試結(jié)果（n=1.4）

由表5可見：

（1）隨著水膠比的降低，RPC的坍落度和擴展度逐漸變??；單摻BF隨其摻量增加時，RPC的坍落度和擴展度也逐漸變?。籅F與PVAF的混雜使得纖維對漿體束縛增強，導(dǎo)致RPC的工作性驟降，擴展度無法測試，幾乎沒有流動性。

（2）摻入纖維后，河砂RPC的抗折和抗壓強度符合GB/T 31387—2015中RPC120和RPC140的要求，且混雜纖維的力學(xué)性能優(yōu)于單摻纖維的。對比纖維摻量試驗和纖維混雜效應(yīng)試驗等小尺寸試驗，標(biāo)準(zhǔn)尺寸試驗有明顯的“尺寸效應(yīng)”。試件的尺寸增大，內(nèi)部的薄弱點增大、增多，隨著纖維的摻入及摻量增加，標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件的抗折強度逐漸提高。對于標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件而言，纖維在薄弱區(qū)增韌和阻裂作用更加明顯，韌性改善效果較小尺寸試件更明顯。

（3）隨著水膠比的降低，基體的脆性增大，RPC的劈裂抗拉強度逐漸降低。單摻BF對RPC的抗拉強度有提升作用，但隨著水膠比降低及纖維摻量的增加，提升的效果減弱。BF與PVAF的混雜對RPC的劈裂抗拉強度有明顯的提升作用，且受水膠比的影響較小。9#試樣的工作性能太差，試件成型困難，缺陷較多，劣化了其力學(xué)性能。

圖 6 1#、2#、3#標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件的破壞形態(tài)

由圖6可見，單摻BF雖然提升了河砂RPC的力學(xué)性能，對RPC的韌性有一定的改善作用，由于BF是一種脆性材料，所以2#試件的破壞形態(tài)與1#試件的一樣：明顯的脆性破壞，試件破壞后劇烈崩裂。3#試件在破型后，試塊完整性較好，PVAF粘連小碎屑，出現(xiàn)“碎而不散”的現(xiàn)象，說明BF與PVAF混雜后對河砂RPC的韌性有較明顯的改善作用。因此，當(dāng)遇到地震、爆炸和強沖擊等極端情況時，BF與PVAF混雜的RPC在防止結(jié)構(gòu)突然破壞、避免碎物傷人、延緩結(jié)構(gòu)倒塌時間、減少人員傷亡和財物損失等方面，具有明顯的優(yōu)勢。

抗壓、抗折和劈裂抗拉強度本質(zhì)上反映的是河砂RPC在單軸荷載情況下抵抗由豎向壓應(yīng)力引發(fā)的橫向拉應(yīng)力的能力。橫向拉應(yīng)力引起混凝土內(nèi)部微裂縫的萌生、擴展、連通，繼而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞[13]。

BF摻入RPC中能夠延緩微裂縫的萌生、擴展、連通，換言之，摻入纖維后，微裂縫的產(chǎn)生、擴展，乃至結(jié)構(gòu)的破壞需要更多的能量。在宏觀上的表現(xiàn)即是摻入纖維后，河砂RPC的抗壓、抗折和劈裂抗拉強度均有不同程度的提高。然而BF是一種脆性材料，斷裂伸長率小[4]，且與RPC的基體結(jié)合也較緊密，受基體脆性的影響較大，所以BF-RPC的破壞多呈現(xiàn)脆性破壞特征。

由于PVAF較細(xì)且表面有親水羥基，斷裂伸長率較BF高，與基體黏結(jié)良好，纖維拔出過程會消耗較多的能量。BF與PVAF之間的混雜，具有良好的協(xié)同效應(yīng)，在不同層次發(fā)揮增強、增韌和阻裂作用，在宏觀上表現(xiàn)為混雜纖維RPC的力學(xué)性能優(yōu)于單摻BF的RPC的性能。此外，由于PVAF極細(xì)，與BF混雜之后，在攪拌過程中形成“纖維連鎖”機制，使RPC裂縫間的纖維更難拔出，進一步起到增強增韌的作用[9]。

3 結(jié)論

（1）摻入BF能提升河砂RPC的力學(xué)性能，但RPC脆性破壞明顯，BF增韌效果有限。隨著BF摻量的增加，RPC的流動度呈指數(shù)式下降，PCE摻量的增加對改善RPC工作性作用不大。在漿體富余系數(shù)n=1.4時，水膠比為0.18和0.16的合適BF體積摻量均為0.75%。

（2）BF與PVAF具有良好的混雜協(xié)同效應(yīng)，在不同層次發(fā)揮增強、增韌和阻裂作用，在宏觀上表現(xiàn)為混雜纖維RPC的力學(xué)性能優(yōu)于單摻BF的RPC。在W/B=0.16，n=1.4時，BF與PVAF混雜的合適的PVAF體積摻量為0.8%。

（3）在標(biāo)準(zhǔn)尺寸試驗情況下，摻入纖維后，當(dāng)W/B=0.18時，河砂RPC的抗折強度和抗壓強度符合GB/T 31387—2015中RPC120的要求。當(dāng)W/B=0.16時，河砂RPC的抗折強度和抗壓強度符合GB/T 31387—2015中RPC140的要求，且混雜纖維RPC的力學(xué)性能更優(yōu)異。