装配式施工知识分享：活性粉末混凝土材料的试验研究

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1、概述

活性粉末混凝土(即Reactive Powder Concrete ，以下简称RPC)是继高强、高性能混凝土之后，在90年代中期通过采用常规的水泥等材料开发出的超高强度、高耐久性、高韧性和体积稳定性良好的水泥基材料，是DSP材料与纤维增强材料复合而成的高性能混凝土。它的强度等级可分为200MPa、500MPa和800MPa三个等级。该材料已成为国际建筑工程领域的研究热点。

1993年，法国的BOUYGUES公司成功研制出了RPC，并与美国陆军工程师团合作生产出RPC制品;加拿大于1994年开始进行工业化试验，在环境恶劣的魁北克省Sherbrooke用RPC进行预制构件的生产，并在现场组装了一座跨长为70m的单跨，供行人和自行车通行的架桥;韩国的汉城用RPC材料建造了一座跨度为120m的拱桥;美国于2001年在伊利诺斯州用RPC材料建造了直径18m的圆形屋盖;在澳大利亚，一座用RPC材料建造的公路桥梁不久将问世;在欧洲，跨越克罗地亚Bakar海峡的一座432m的RPC拱桥也正在设RPC建造的加拿大Sherbrooke行人/自行车桥梁计中;我国有关RPC材料的研究主要集中在几所高校，目前已通过对材料配合比的研究，制备出了的RPC材料小型试件，其抗压强度超过了200MPa、抗折强度达50MPa、断裂能大于、弹性模量大于4.6×104MPa. RPC的基本配制原理是通过提高组分的细度与活性，使材料的内部缺陷(孔隙与微裂隙)减小到最少，从而获得超高强度与高耐久性，它的研制根据以下原则进行：

1.1、提高体系的匀质性RPC采用下列方法改进匀质性：用细骨料代替粗骨料;提高浆体的力学性能，RPC中浆体的弹性模量高达50 MPa，甚至更高;降低骨料与浆体的比值。通过以上措施，可以有效的提高匀质性。

1.2、提高水泥石的密实程度从原材料选择与成型工艺两个方面提高混凝土密实度，为了获得高密实度的混凝土，在配制RPC时，原材料的选择可以遵循以下原则：

由若干粒级组成的级配，每一个粒级都有一个密集的颗粒范围;粒级之间要有明显的划分，两个相邻粒级的平均直径之比大于13;选择水泥须考虑掺超塑化剂，二者应具有相容性，其最佳掺量可通过流变学分析决定;用水量可通过流变学和相对密度来决定。

在混凝土成型时，对新拌混凝土施加围压可以产生以下几种有利效应：减少新拌混凝土中裹夹的空气，可将新拌混凝土中的气泡排尽或显著减少;排除多余的水，这样活性粉末混凝土的水胶比降低，相应地提高了密实度;化学收缩的补偿，消除试件中因化学收缩而产生的部分孔隙。以上三种效应的叠加可使混凝土相对密实度提高6%以上，因此在混凝土成型过程中对新拌混凝土施加围压可以有效地提高混凝土密实度。

1.3. 热处理改善微观结构热处理主要在于改进活性粉末混凝土的微观结构，通过对RPC施加90的热处理显著地加速了混凝土内部的水化作用，同时改变了已形成的水化物的微观结构;

另外，热处理可大大加速硅灰的火山灰反应，生成低碱性水化硅酸钙，降低了Ca(OH)2的含量。试验证实，在250高温时，能使水化产物C-S-H凝胶大量脱水，形成硬硅钙石结晶，有利于强度的提高。

1.4.掺入钢纤维增加韧性加入钢纤维后可以大大改善RPC的韧性，其断裂能可达20000～40000J/m2.通常，RPC内采用长度13mm、直径0.15mm的钢纤维，掺量为混凝土体积的1.5%～3%，通过试验对比，它比掺长度为3mm的凹凸形短钢纤维的混凝土断裂能提高得多。

为了研究上述因素对RPC材料强度的影响，本试验主要通过采用不同水胶比、骨料品种和级配以及钢纤维的种类和粗细条件下成型RPC试件，并测试其强度，进而分析上述配合比因素对RPC强度的影响。

2、原材料与试验方法

2.1 原材料水泥：北京某水泥有限公司生产的P.O 42.5水泥;

矿粉：某矿粉加工厂生产的灰白色超细粉A与某新型建材公司生产的灰色细粉B;北京高钙粉煤灰(一级超细粉煤灰);

细集料：采用两种砂，福建平潭产标准砂和北京某砂厂定做的细石英砂;山西阳泉产高岭土;

钢纤维：一种是国内某钢纤维有限公司产，细圆形表面镀铜钢纤维，直径0.22mm，长度12～15mm.另一种是某钢纤维有限公司生产的螺纹型碳素钢纤维，长径比为32.24，100根平均长度为30.327mm;

化学外加剂：高效减水型，它的减水率大于29%，呈黄灰色的固体外加剂，与水泥的相容性良好，并具有良好的保水性。

2.2.试验方法混凝土抗压强度、抗折强度测试按《普通混凝土力学性能试验方法》(GBJ81-85)进行[37]，但加荷速度变为抗压试验10KN/s、抗折试验0.27 KN/s;抗压强度试件尺寸100mm×100mm×100mm、抗折强度试件尺寸100mm×100mm×400mm.

3、配合比因素对强度影响试验研究

3.1 不同水胶比对活性粉末混凝土强度的影响。

一般情况下，水胶比取值为0.16～0.22，试验选用水胶比为0.17和0.19两种，共制作了两种配合比试件，在标准养护室中养护1d，拆模后放入70℃水中养护，并测定其3d、7d、28d抗压强度。

细石英砂的颗粒级配对活性粉末混凝土抗压强度的影响本次试验采用四种粒级的石英砂，粗砂：0.63～1.25mm，中砂：0.315～0.63mm，细砂：0.16～0.315mm，特细砂：<0.16mm;采用了三种石英砂组合：

①.粗砂 中砂 细砂;

②.中砂+细砂;

③.中砂+细砂+特细砂。按最大密实度理论，得到三种组合中各级砂子用量：第一个组合：粗砂+中砂+细砂=677.7 kg 403.8 kg 204.5kg;

第二个组合：中砂+细砂=854 kg 432 kg;

第三个组合：中砂+细砂+特细砂=727.5 kg 367.8 kg 190.7 kg.

粉煤灰的掺入增大了颗粒间的填充密实度，建议RPC的骨料级配选用中、细、特细砂的组合。

钢纤维种类及掺量对活性粉末混凝土抗压强度的影响纤维能够阻碍混凝土内部微裂纹的繁衍、扩展，显著提高混凝土的韧性、延性和抗折强度，有效地避免混凝土无征兆的脆性破坏的发生。钢纤维对混凝土的增强效果与钢纤维长度(lf)、直径(df)、长径比(lf/df)、体积率(Vf)以及纤维外形等密切相关。本试验采用不同含量的细钢纤维和粗螺纹型碳素钢纤维进行对比试验，分析钢纤维种类及掺量对活性粉末混凝土抗压强度的影响，碳素粗钢纤维掺量分别为混凝土容重的8%、6%、4%.

(1)掺入粗钢纤维的活性粉末混凝土破坏时局部破坏严重，抗折时，一旦开裂很快就达到极限强度，而掺入细钢纤维的活性粉末混凝土在开裂后仍能维持一段时间，强度仍有增长。

(2)掺粗钢纤维的混凝土破坏时不少粗钢纤维被拉断，而细钢纤维则是被拔出的，几乎没有被拉断。

4、结论

通过以上RPC中不同组分掺量对其强度影响的系统研究，可得到以下结论：

(1)相同龄期下RPC强度随着水胶比的增大而降低;

(2)在RPC中，可以用石英砂取代标准砂，且石英砂的掺量不宜低于50%，颗粒级配对强度有一定的影响，在掺粉煤灰时宜选用中+细+特细组合的骨料;

(3)RPC中掺入钢纤维能提高其力学性能，掺入长径比大的细钢纤维比长径比小的钢纤维更有利于提高混凝土的韧性，钢纤维掺入量以6%为宜。

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