活性粉末混凝土原材料及配合比設計參數(shù)的選擇
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何峰1，2，黃政宇1
(1．湖南大學土木工程學院，湖南長沙 410082；
2．湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院，湖南長沙 410081)
摘要：由于活性粉末混凝土(RPC)的組分較’——般高性能混凝土的多，原材料性質、配比及成型養(yǎng)護工藝都會對RPC的實現(xiàn)產生很大的影響，因此，在廣泛收集RPC200配制試驗數(shù)據(jù)的基礎上，探討了RPC200的原材料和配合比設計參數(shù)的選擇，并提出了目前RPC200配合比設計中存在的主要問題。
關鍵詞：活性粉末混凝土；原材料；配合比設計
中圖分類號：TU528．575 文獻標識碼：A 文章編號：1001-702X(2007)03-0074-04
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)因其具有超高強、低脆性和優(yōu)異耐久性受到廣泛關注，最近幾年，國內許多科研機構對RPC配制技術、微觀結構、基本力學性能和耐久性能等方面進行了廣泛深入的研究，特別是在RPC的配制方面，根據(jù)RPC配制原理，利用不同地區(qū)的當?shù)卦牧暇晒Φ嘏渲瞥隽薘PC200。然而，由于RPC的組分較一般高性能混凝土的多，原材料性質、配比及成型工藝都會對RPC的實現(xiàn)產生很大影響，因此有必要盡量廣泛地收集有關數(shù)據(jù)，提出適合RPC原材料和配合比設計參數(shù)，以便指導工程技術人員進行RPC200的快速配制。
1 RPC200的配制原理和配合比設計要求
1．1 RPC200的配制原理
RPC200是通過合理選用原材料，優(yōu)化顆粒級配，在凝結硬化過程中采取適當?shù)某尚宛B(yǎng)護工藝獲得的。其設計是建立在減少孔隙率，優(yōu)化孔結構，改善微觀結構的宗旨上，其基本原理包括以下幾點：(1)不含粗骨料，改善內部結構的均勻性；(2)優(yōu)化顆粒級配，采用多級粒徑分布，提高密實度；(3)優(yōu)選與活性組分相容性良好的高效減水劑，以減低水膠比；(4)采用熱養(yǎng)護，改善微觀結構；(5)加入鋼纖維，增加混凝土的韌性和體積穩(wěn)定性[1-3]。
1．2 RPC200的配合比設計要求
配合比設計的目的是要在盡可能低的造價下獲得性能滿足要求的混凝土拌和物。因此，針對不同用途要求，RPC200應對高耐久性、超高強度、良好的施工性、良好的體積穩(wěn)定性和經濟性等有重點地予以保證。
2 原材料的選擇
2．1 水泥
RPC200所用水泥最好是強度高且同時具有良好的流變性能，并與目前大宗使用的高效減水劑有很好的相容性。因此，可考慮以下幾個方面：
(1)水泥宜優(yōu)先選用52．5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。一般不得選用低于42．5級的水泥。
(2)由于在目前的技術水平下，通常是采用提高C3A和C3S含量以及提高比表面積的措施來提高水泥的標號，這必然造成水泥水化熱大、需水量大、水泥與高效減水劑相容性差等問題。因此，對于RPC200，應考慮選擇C3S含量高、C3A含量低的硅酸鹽類水泥膠結效果最好，不宜粉磨太細避免需水量過大而影響硬化體的密實；
(3)為了保證水泥質量的穩(wěn)定，應禁止使用立窯水泥。
2．2 硅灰和其它礦物細摻料
在配制混凝土時加入礦物細摻料，可降低水化熱，改善工作性，提高后期強度，并可改善混凝土的內部結構，提高抗腐蝕能力。因為RPC200具有很低的水膠比，所以對用于RPC200的礦物細摻料品質的要求，除限制有害組分含量外，主要包括活性和需水性。
(1)硅灰：硅灰因其優(yōu)異的微填充性能和火山灰性能是RPC200不可或缺的主要組分之一。隨著硅灰中Si02含量的增加，硅灰中堿和碳等有害雜質的含量和燒失量下降。因此，用于配制RPC200的硅灰中Si02含量應大于90％，其中活性(即在飽和石灰水中可溶)Si02應在40％以上。
(2)其它礦物細摻料：由于國內硅灰產量低，價格較高，且硅灰較大的比表面積不利于新拌混凝土的工作性，因此；國內有些研究者在配制RPC時采用了其它礦物細摻料。如超細粉煤灰、?；郀t礦渣”叫等代替部分硅灰，均成功地獲得了性能優(yōu)異的RPC200。
由于各礦物細摻料物理化學性能的差異，其活性指數(shù)也存在顯著的差異。一般來說，硅灰28d活性指數(shù)為3．47，其次是超細粉煤灰，活性指數(shù)為2．33，超細高爐礦渣為1．06fsi。同時超細粉煤灰需水量較小，：并能與硅灰形成超疊加效應，所以在粉煤灰、礦渣、偏高嶺土等礦物摻合料中，粉煤灰是配制RPC中部分取代硅灰的較為理想的礦物摻合料。在選擇超細粉煤灰時主要應考慮其含碳量，因為含碳量高的粉煤灰需水量大，對混凝土的流變性、強度和變形都有不利的影響。因此，對用于RPC中的超細粉煤灰的燒失量以小于3％為宜。
粒化高爐礦渣粉磨得越細，其活性越高，早期產生的水化熱越大；當比表面積超過4000cm2/g的礦渣用于很低水膠比的混凝土中時，混凝土早期的自收縮隨礦渣摻量的增加而增大[9]。因此，摻入RPC中的磨細礦渣的比表面積不宜過細，而應綜合考慮其利弊，一般以不超過4000cm2／g為宜。
石英粉：石英粉是RPC在熱養(yǎng)護下特別是高溫養(yǎng)護下必不可少的組分。因此，為了充分發(fā)揮石英粉在熱養(yǎng)護下的活性，其平均粒徑范圍應為5-25lamBI，這與水泥的細度接近。
砂：配制RPC宜優(yōu)先選用石英砂。因為石英砂具有很高硬度和優(yōu)良的界面性能，且采集容易，價格低廉。在選擇石英砂時，應考慮其礦物成分、平均粒徑、顆粒形狀和摻用比例。為符合最大密實理論模型，避免與水泥顆粒粒徑沖突，應選擇平均粒徑2501xm，粒徑范圍為150-6001xm，顆粒多呈球形，礦物成分Si02含量不低于99％的細石英砂。
高效減水劑：選擇高效減水劑通常需考慮2個方面，第一，減水率要求在20％以上：第二，選用品種與水泥相容性好。理想的高效減水劑應包含較長分子鏈，其磺酸鹽基團應占據(jù)甲醛和萘磺酸鹽的鈉鹽縮合物的p位置。在配制RPC200時，可選擇高濃型萘系高效減水劑、可溶性樹脂型高效減水劑和聚羧酸系減水劑等。
鋼纖維：鋼纖維品種及摻量對RPC性能有重要的影響。在選擇鋼纖維時，可考慮以下幾方面：
(1)鋼纖維長徑比和含量對鋼纖維RPC的拌制及強度指標有較大影響，根據(jù)國內外對鋼纖維RPC研究的統(tǒng)計，鋼纖維長徑比宜在50~80內選定。長徑比大于100的細長鋼纖維在拌制時易互相纏繞和彎折，也不易搗實；長徑比過小則增強效果不明顯。
(2)在RPC強度試驗中觀察到試件破壞面上鋼纖維基本上是一端被拔出，這說明鋼纖維的抗拉強度并未充分發(fā)揮，而是破壞面附近的鋼纖維與混凝土基體間的粘結強度不足，握裹力小，導致鋼纖維被拔出。因此，除了采用高標號水泥，摻入適量硅灰提高鋼纖維和混凝土基體之間的粘結強度外，在選擇鋼纖維時應優(yōu)先選用異形纖維，如波狀纖維、帶鉤的纖維、或選用長徑比相對較大的纖維，以保證鋼纖維和RPC基體之間具備足夠的粘結力和握裹力。
3 配合比設計參數(shù)的選擇
3．1 水膠比
在原材料已定的情況下，水膠比是決定RPC強度的因素，也是影響其耐久性和工作性的重要因素。因此，選擇水膠比必須同時滿足強度、耐久性和工作性的要求，
RPC200水膠比按經驗選擇，一般以0．18-0．22為宜。當水膠比低于0．18時，成型較困難，密實度下降，對強度和耐久性均帶來一定的損害；當水膠比大于0．22時，雖然工作性良好，但其強度也有一定程度的下降。
3．2 水泥用量
考慮到混凝土中水泥用量過多會產生大量水化熱、引起收縮裂縫等不良后果，在高性能混凝土中，水泥用量宜控制在550kg／m3以內[1q。然而，由于RPC摻有一定量的礦物細摻料，可在一定程度上降低水化熱，且因不含粗骨料，加上礦物活性材料的二次水化效應，可減少其在硬化過程中收縮裂縫，因此為了獲得RPC200，水泥摻量可適當增加，但一般控制在800kg／m3以內。
3．3 礦物細摻料摻量
(1)從硅灰摻量對RPC抗壓強度、密實度以及RPC基體和鋼纖維間的粘結強度[11]的影響來看，硅灰的摻量應控制在25％-35％。
(2)如用其它礦物細摻料取代部分硅灰，為了不大幅度損害RPC200的強度，硅灰的取代量不能太高，即礦物細摻料的摻量要有一定的范圍。有研究表明，粉煤灰等礦物摻合料的摻量為膠凝材料的20％左右[12-13]，此時硅灰摻量應保持為膠凝材料的15％-25％。
3．4 石英粉摻量
石英粉摻量一般取水泥量的25％-40％為宜[15]。由于石英粉在標準養(yǎng)護下的RPC200中主要是發(fā)揮微集料效應，在熱水養(yǎng)護(90℃左右)時其活性也不明顯，且其粒徑又與水泥顆粒接近，因此一些國內研究者在配制RPC200時，去除了石英粉組分，適當增大石英砂的含量，也可配制出性能較好的RPC200。
3．5 砂膠比
在國內對RPC200的配制研究中，砂膠比的變化較大。根據(jù)筆者的研究，砂膠比在0．48-0．80變化時，均可獲得較高強度的RPC200]~。根據(jù)文獻[7]的研究，砂膠比在0．70~0．90時，RPC具有很好的流動性。綜合考慮RPC的強度、工作性和經濟性，建議砂膠比取0．80~0．90為宜。
3．6 高效減水劑摻量
高效減水劑用量通?？扇∧z凝材料摻量的2％-3％。
3．7 鋼纖維摻量
RPC中鋼纖維含量過低將失去增強與改善脆性的意義，鋼纖維含量過高則在拌制中拌和物變得非常干澀，造成施工不便，因此，鋼纖維體積摻量為1．5％-3％適宜，從經濟方面考慮可選擇2％。
國內幾種典型的RPC配合比見表1。
表1 國內幾種典型RPC配合比
|
原料種類 |
配比試樣編號 | |||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 | |
|
水泥
硅灰
超細粉煤灰
超細礦渣
石英粉
砂
砂膠比
高效減水劑／％
水膠比
鋼纖維(體積摻量) ／％
抗壓強度／MPa |
1(42．5級)
0．30
－
0．45-0．50
0．3
1．00-1．50
0．56-0．83
2．5
0．23±0．01
1．5-2．0
125 |
1(42．5級)
0．25
0．30-0．40
－
－
－
1．2
2．0
0．16 |
1(42．5級)
0．20-0．30
0．25
－
0．3-0．4
0．88-1．12
0．70-0．90
2．5-3．0
0．22
－
150-60 |
1(42．5R)
0．25
0．20
－
－
1．25
0．86
1．3
0．16
2．6
210 |
1(52．5級)
0．35
－
－
0．3
1．10
0．81
2．5
0．18-0．22 |
1(52．5R)
0．13
0．20-0．32
0-0．13
－
1．25
0．86
5．7
0．17
2-3
160-175 |
|
0 3
200 250 |
0 3
160-170 230-240 | |||||
|
養(yǎng)護制度 |
熱水養(yǎng)護[5] |
熱水養(yǎng)護[6] |
熱水養(yǎng)護[7] |
熱水養(yǎng)護[14] |
熱水養(yǎng)護[15] |
熱水養(yǎng)護[16] |
注：為了具有可比性，文中采用了“砂膠比”參數(shù)，其值為砂子與膠凝材料(包括泥與礦物細摻料，不包括石英粉)的質量比。表中砂膠比除配比2來自原有文獻以外，其余均由筆者換算而來。
4 RPC200配合比設計中存在的問題
4．1 原材料問題
RPC200采用的原材料與一般高性能高強混凝土相比存在很大的差別。如RPC200不含粗骨料，添加了礦物細摻料，并摻入了高效減水劑和鋼纖維等。RPC200組分多，強度高，對原材料性能很敏感。目前國內研究者在配制RPC200時，對原材料的選擇基本上考慮就地取材，這一方面對降低成本，促進其工程應用提供了研究基礎，另一方面也給有限的試驗數(shù)據(jù)造成了很多不可比的因素，且試驗結果差別較大。
(1)為了優(yōu)化顆粒級配，減少孔隙率，改善孔結構，提高RPC200的工作性、強度和耐久性，RPC200中摻入了硅灰、粉煤灰、石英粉等細摻料。細摻料質量的變化將對RPC200的性能帶來顯著影響。但由于目前國內缺乏一種評價礦物細摻料的質量指標體系，因此，如何穩(wěn)定礦物細摻料產品的性能，制訂其品質標準，對配制性能優(yōu)異、質量穩(wěn)定的RPC200至關重要，也是應深入研究的問題。
(2)高效減水劑解決了RPC200低水膠比與工作性之間的矛盾。然而，高效減水劑與水泥的相容性問題是目前國內研究者配制RPC時普遍忽略的問題。雖然某些高效減水劑在極低水膠比下能獲得較好的工作性，但是其坍落度損失極快，顯然滿足不了工程應用的需要。此外，目前高效減水劑的品種繁多，良莠不齊。因此，應盡快建立起評價高效減水劑品質的質量體系，規(guī)范市場。
(3)鋼纖維的摻入對增加RPC200的韌性和體積穩(wěn)定性有著重要作用。但目前鋼纖維售價較高，如熔抽法生產的碳鋼纖維售價2000~3000元/t,薄鋼板剪切法生產的碳鋼纖維售價4000~7000元／t，成為鋼纖維RPC應用的障礙。因此，大力開發(fā)生產價廉質優(yōu)的鋼纖維品種，對推廣鋼纖維RPC在工程中的應用具有重要意義。
4．2試件制備問題
RPC的攪拌、成型和養(yǎng)護等與一般高性能混凝土的常規(guī)工藝條件存在較大的差別，它們對RPC的性能有重要影響。目前國內研究者在配制RPC200時，除了對養(yǎng)護方法和養(yǎng)護制度有較具體的探討外，極少有研究者關注其攪拌和成型等制備工藝，其方法基本沿襲了國外文獻中提出的攪拌工藝和國內的水泥膠砂振動成型工藝。如何針對我國配制RPC200的實際情況，探討一種既經濟又能提高其工作性、強度和耐久性的制備工藝顯得非常重要。
4．3 試驗參數(shù)問題
試件和加荷條件等是影響RPC強度試驗的重要參數(shù)，主要包括混凝土試件尺寸和潮濕情況等影響：加載參數(shù)包括應力大小和持續(xù)時間以及所加應力的速率。
目前，國內研究者在配制RPC200時，除了普遍采用40mmx40mmxl60mm尺寸的試件外，還有70．7mm×70．7mm×70．7mm和100mm×l00mm×l00mm等立方體試件。雖然相對于普通混凝土，RPC的尺寸效應不甚顯著，但其尺寸效應對強度的影響仍不可忽略。另外，目前在進行RPC強度試驗時的潮濕情況也不一，如有的試件在試驗時處于干燥狀態(tài)，而有的試件在熱養(yǎng)護后再進行標準養(yǎng)護，因此試件在試驗時相對濕度達到90％以上。目前相對濕度對RPC200強度的影響程度還不得而知。此外，也極少有研究者關注加載持續(xù)時間及所加應力的速率對RPC強度的影響。
4．4 規(guī)范問題
如上所述，RPC200與一般高性能高強混凝土在原材料、配合比以及生產和施工工藝各方面，存在很大的差別。標準、規(guī)范的缺乏對RPC200的工程應用和推廣是很不利的。因此，現(xiàn)階段需要積極積累經驗，制訂適合于我國國情的RPC200的標準和規(guī)程，并在實踐中不斷完善，以提高設計的精確度和可靠性。
5 結 語
RPC是近代水泥基材料科學與工程學取得的新成就，是混凝土技術長期實踐的結果。作為一種新型的超高性能混凝土，正確選擇RPC200的原材料和配合比設計參數(shù)，對簡化試配工作，促使其推廣到工程應用具有重要的意義。然而，因數(shù)據(jù)有限，已有試驗數(shù)據(jù)中原材料品質多樣，試驗參數(shù)不統(tǒng)一，因此，目前還難以建立適當模型與強度、耐久性和工作性等要求聯(lián)系起來，建立一種快速設計方法。隨著國內對RPC200試驗數(shù)據(jù)的不斷擴充，原材料生產供應市場的不斷規(guī)范，其配合比將會得到更深入的研究。
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