活性粉末混凝土（RPC）配合比試驗研究

摘要：通過活性粉末、石英砂、鋼纖維、聚羧酸系高性能減水劑等材料的配制試驗，分析并研究了石英砂在多級配骨料下不同水膠比、不同鋼纖維摻量對RPC抗折、抗壓強(qiáng)度的影響。各項性能指標(biāo)試驗結(jié)果表明普通硅灰、粉煤灰、礦粉、聚羧酸減水劑代替特殊專用摻和料和專用外加劑配制RPC混凝土能達(dá)到客運(yùn)專線RPC混凝土的驗標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土；配合比；試驗研究

1前言

客運(yùn)專線橋梁采用整體式人行道擋板時，由于振動荷載、風(fēng)力及列車風(fēng)載較大，使得擋板尺寸較大，自重較重；人行道蓋板作為客運(yùn)專線橋梁檢查車的移動通道要承擔(dān)相應(yīng)的荷載，需增加其截面高度，自重也將加大。采用活性粉末混凝土，可大大減輕橋面二期恒載，提高橋面設(shè)施的耐久性，減輕安裝難度。同時，由于活性粉末混凝土具有較高的抗拉強(qiáng)度，并且在設(shè)計時留有足夠的富余量，可保證在使用過程中構(gòu)件不開裂，整體性較好，能夠很好地滿足構(gòu)件的使用性能和耐久性需求。根據(jù)建設(shè)單位要求，全線附屬工程構(gòu)件在全路首次實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)、自動化流水線作業(yè)，就是為了確保RPC混凝土超高強(qiáng)、低脆性、耐久性優(yōu)異的前提下，混凝土制品的外觀要達(dá)到內(nèi)實外美。在此，筆者對選用聚羧酸系高效減水劑、多級配骨料（石英砂）、鋼纖維、硅灰、礦粉和粉煤灰復(fù)合多摻技術(shù)配置RPC混凝土進(jìn)行了試驗研究。

2 技術(shù)攻關(guān)

（1）活性粉末混凝土（RPC）是繼高強(qiáng)度、高性能混凝土之后的又一種超高強(qiáng)度、低脆性、耐久性優(yōu)異并有廣闊應(yīng)用前景的新型混凝土。但由于RPC混凝土一般需摻入特殊摻合料和專用外加劑（摻量大，占7%左右），導(dǎo)致RPC混凝土成本偏高。

（2）由于RPC混凝土水泥用量大，每m3RPC混凝土堿含量大于6kg/m³，所以，在水泥水化過程中，C₃S和C₂S水化生成C－S－H凝膠的同時，形成了大量的Ca（OH）₂。Ca（OH）₂是一種極易溶解的物質(zhì)，在水化初期往往存在于混凝土的游離水中，在混凝土凝結(jié)硬化早期，隨著混凝土的干燥，結(jié)構(gòu)內(nèi)部含Ca（OH）2濃度較高的游離水會逐漸沿著內(nèi)部毛細(xì)孔向外遷移，以補(bǔ)償表面被蒸發(fā)掉的水分，將溶于其中的Ca（OH）₂帶出，到達(dá)混凝土表面后，Ca（OH）2與空氣中的CO₂和H₂O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的白色沉淀物CaCO₃附著在混凝土表面上，這種現(xiàn)象俗稱泛堿，使得RPC預(yù)制板外觀質(zhì)量受到極大影響。

3 技術(shù)路線

（1）采用硅灰、礦粉、粉煤灰多摻技術(shù)替代特殊摻合料。

（2）采用非引氣型聚羧酸高性能減水劑，消除有害氣泡。

（3）采用以下技術(shù)措施優(yōu)化混凝土配合比：①選用最大粒徑為1.0mm的石英砂為多級配骨料，提高了混凝土的勻質(zhì)性；②通過提高組分的細(xì)度使RPC內(nèi)部達(dá)到最大填充密實度，將材料初始缺陷降至最低；③在成型過程中振動頻率應(yīng)達(dá)到50Hz以上，減少空隙，并通過霧室加溫（30℃～70℃）養(yǎng)護(hù)來加速活性粉末的水化反應(yīng)，強(qiáng)化水化物的結(jié)合力，同時避免蒸汽養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生冷積水附著于RPC板引起泛堿現(xiàn)象；④摻入細(xì)而短的鋼纖維，提高混凝土的抗彎折強(qiáng)度，從而有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性；⑤采用低水膠比（0.13～0.16）控制最小用水量，顯著提高混凝土強(qiáng)度及耐久性，同時避免水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH）₂由于混凝土表面缺水被混凝土內(nèi)部多余的游離水帶到混凝土表面，與空氣中的CO₂和H₂O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成不溶于水的白色沉淀，附著在混凝土表面，造成泛白，因此還要在養(yǎng)護(hù)過程中相應(yīng)采取保水措施；⑥采用低堿水泥和含堿量低的聚羧酸高性能外加劑，盡可能減少每立方RPC的總堿含量。

4 試驗方法

通過活性粉末混凝土（RPC）的配制試驗，采用單因素優(yōu)化方法，研究水膠比、高性能減水劑、鋼纖維和硅灰的摻量對RPC抗折、抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。在考慮強(qiáng)度指標(biāo)、造價及施工方便的基礎(chǔ)上，提出了活性粉末混凝土最優(yōu)配合比，從試驗工藝上解決產(chǎn)品外觀質(zhì)量通病。

5 原材料的選擇及技術(shù)指標(biāo) 

配制活性粉末混凝土用原材料及混凝土技術(shù)指標(biāo)如表1～表3所示。

6 RPC配合比設(shè)計

6．1配合比設(shè)計需考慮的幾個問題

根據(jù)RPC混凝土配合比設(shè)計技術(shù)路線，進(jìn)行配合比設(shè)計應(yīng)考慮以下幾個方面的問題：

（1）采用合理粒徑多級配石英砂替代粗骨料，盡可能消除集料與漿體間的微裂縫、孔隙等缺陷；

（2）采用最大密實理論模型原理，選擇不同直徑多種材料填充球體間的孔隙，從而達(dá)到最大密實狀態(tài)；

（3）摻入鋼纖維增大RPC的韌性和延性。

6．2 配合比設(shè)計參數(shù)的優(yōu)選

綜合配合比設(shè)計需考慮的3個問題并結(jié)合相關(guān)資料，以及對外實地考察學(xué)習(xí)后，反復(fù)試驗成型大量試件，優(yōu)選出了進(jìn)行配合比設(shè)計的相關(guān)參數(shù)。

（1）確定RPC的表觀密度。隨著石英砂、鋼纖維的摻量不同其密度在2400～2450kg/m³范圍波動；

（2）水膠比。隨著外加劑的性能、攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速和各材料的配比不同，水膠比確定在0.13～0.16之間均可；

（3）依據(jù)RPC的抗折強(qiáng)度＞18MPa，同時考慮施工工藝以及攪拌機(jī)的性能，能否將鋼纖維攪拌均勻分布于拌和物中，鋼纖維的摻量在100～140kg/m³為宜；

（4）基于出機(jī)后拌和物的工作性能和制品要達(dá)到外觀光滑，每1m3混凝土的水泥用量＞700kg/m³；

（5）硅灰、粉煤灰因需水比較大，在水膠比不變時需加大外加劑的摻量。有文獻(xiàn)證明硅灰摻量對RPC的抗折強(qiáng)度影響不明顯，但抗壓強(qiáng)度明顯提高；粉煤灰摻量過大，會降低RPC抗壓強(qiáng)度，但后期能提高其抗折強(qiáng)度。

6．3優(yōu)選RPC混凝土配合比

針對RPC蓋板設(shè)計抗壓強(qiáng)度＞130MPa，抗折強(qiáng)度＞18MPa的要求，將硅灰、粉煤灰、礦粉、石英砂確定一個合理的固定摻量。通過變化水膠比（提高抗壓強(qiáng)度）和鋼纖維摻量（提高抗折強(qiáng)度），同時拌合物的工作性滿足施工要求（坍落度150～200mm），擬定了3個試拌配合比（如表4所示），并制作了大量試件和樣品，采用不同的養(yǎng)護(hù)工藝（高溫蒸養(yǎng)、霧室加溫養(yǎng)護(hù)），最終制出了高品質(zhì)的RPC蓋板成品。

6．4配合比設(shè)計試驗結(jié)果分析

通過固定硅灰、粉煤灰、礦粉、石英砂和外加劑摻量，變化水膠比、鋼纖維摻量的對比試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）RPC的抗壓強(qiáng)度是隨著水膠比的減小而增大，在一定范圍內(nèi)降低水膠比有利于RPC抗壓、抗折強(qiáng)度顯著增長。但水膠比過低時，會導(dǎo)致拌合物流動性較差，施工困難且拌合物易風(fēng)干，RPC板成型后會帶來外觀質(zhì)量缺陷；

（2）鋼纖維摻量依據(jù)設(shè)計抗折強(qiáng)度大小在1.0%～2.0%體積比時RPC的強(qiáng)度得到明顯提高，試件破壞時裂而不散，延性性能好。但隨著摻量的加大，鋼纖維對RPC抗壓強(qiáng)度影響不大。在試驗過程中觀察到摻量3．0%的鋼纖維攪拌成型較為困難，易抱團(tuán)，給施工帶來麻煩；

（3）有文獻(xiàn)資料證明在一定范圍內(nèi)硅灰、外加劑摻量增加可以提高RPC的強(qiáng)度，但超過一定范圍時強(qiáng)度反而下降。這里要說明表中3個編號的RPC配合比成型后其試件的性能指標(biāo)都滿足設(shè)計要求的抗壓、抗折強(qiáng)度、彈性模量、氯離子滲透系數(shù)、抗凍性能等參數(shù)，均可用于生產(chǎn)RPC蓋板。

7 結(jié)論

通過嚴(yán)格控制材料質(zhì)量，大量配合比對比試驗，重視試驗工藝，控制好每道施工工序，可以在不用特殊摻合料的情況下試制出了高品質(zhì)的RPC蓋板制品。經(jīng)過檢驗，各項性能滿足（科技基［2006］129號）《客運(yùn)專線活性粉末混凝土（RPC）材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件》要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]科技基[2006]129號，客運(yùn)專線活性粉末混凝土(RPC)材料人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件[S]．

[2]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，1999，29(4)：6－18．