萬惠文，戴 鵬，王 銀，董群喜

（武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070）

1993年，法國布伊格公司實驗室以Pierre Richard為首的研究小組，成功地研制出了一種高韌性、超高強、耐久性和體積穩(wěn)定性優(yōu)良的水泥基復合材料，由于其在制備過程中增加了組分的細度與反應活性，因此其被稱為活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，縮寫為RPC）［1－3］。RPC是基于最緊密堆積理論設計，主要采取以下措施制備的。粒徑范圍在0.15～0.60mm的石英砂作為集料（不含粗集料），水泥為膠凝材料，硅灰、粉煤灰等作為活性粉末組分，通過優(yōu)化顆粒級配，改善勻質性，增加密實度，提高組分活性；摻入高效減水劑，降低水膠比；硬化后通過加壓、熱處理等工藝來改善混凝土的微觀結構；加入微細鋼纖維來提高混凝土的延性和韌性［4，5］。

在RPC體系中，各組成材料分布均勻，密實度高，抗壓、抗折、抗拉和抗彎強度都得到了顯著的提高，結構穩(wěn)定性和耐久性好，非常適合制作人行道擋板、蓋板以及電纜槽蓋板等制品。由于RPC具有以上優(yōu)異性能，它一問世就受到了材料科學工作者的極大關注。如法國科學家使用RPC對一座核電廠的冷卻塔進行了改造［6］、美國材料研究者將RPC用于下水道系統(tǒng)工程中［3］。我國對RPC的研究起步較晚，研究的成果也不多。白泓、高日［7］除利用水泥和硅灰外，還加入粉煤灰作為活性組分，對RPC的基本性能進行了試驗，主要研究了原材料配合比對RPC流動性和強度的影響，同時也對成型時加壓強度、養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護時間對RPC強度的影響進行了研究。在工程應用方面，如北京市五環(huán)路石景山轉體斜拉橋隔離帶使用的無配筋RPC空心板、青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁上使用RPC材料開發(fā)出的新型人行道體系等。

其實，集料在水泥基復合材料中扮演著重要的角色。究其原因主要在于普通混凝土性能的優(yōu)劣是由基體相決定的，而集料的影響相對較小。隨著水泥基復合材料性能的提高（如各種高強、超高強混凝土材料的問世），集料在這些材料中的作用逐漸突出，并備受關注［1，8］。在配制這些混凝土材料時，集料的選擇已成為一個重要的影響因素，并有很多學者進行了探討［8－11］。RPC作為一種超高性能的新型建筑材料，其集料的選擇就顯得尤為重要。該文研究了細集料（砂）的不同顆粒級配和不同類型對RPC流動性和力學性能的影響，在此基礎上，探討了微集料（石英粉）對RPC性能的影響（文獻［12］的研究表明，在溫度200℃下RPC中的石英粉不參與反應，可視為微集料），其中包括了四種不同粒徑的石英粉。研究為節(jié)約資源、降低生產(chǎn)成本、大力推廣與應用RPC水泥基復合材料提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：采用華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O52.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為374m2／g，密度為3210kg／m3，其化學成分和物理性能見表1和表2。

硅灰：采用湖北省京山縣硅鐵廠，灰色粉末，根據(jù) GB／T 27690—2011《砂漿和混凝土用硅灰》測得其需水量比為123%，火山灰活性指數(shù)為109%，化學成分見表3。

細集料（砂）：研究了3種不同類型砂對RPC性能的影響，分別是：①普通河砂：采用武漢當?shù)仄胀ê由?，砂粒磨圓度中等，呈次棱角－次圓狀，砂粒粒度欠均勻，表面較光滑，含有少量的白云母和黑云母，SiO2含量為66.2%；將河砂用自來水清洗干凈，曬干，剔除粒徑＞1.18mm和粒徑＜0.15mm的顆粒，其粒級、實測表觀密度和堆積密度見表4。②石英砂：采用武漢華夏玻璃制品有限公司生產(chǎn)的石英砂，顆粒多呈多棱形，表面粗糙，SiO2含量為99.8%；剔除石英砂中粒徑＞0.60mm和粒徑＜0.15mm的顆粒，其粒級、實測表觀密度和堆積密度見表5；③標準砂：采用廈門艾思歐標準砂有限公司生產(chǎn)標準砂，顆粒多呈次圓形，表面較光滑，SiO2含量約為96.5%；剔除標準砂中粒徑＞0.60mm和粒徑＜0.15mm的顆粒，其粒級、實測表觀密度和堆積密度見表6。

表1 水泥的化學成分 w／%

表2 水泥的物理性能

表3 硅灰的化學成分 w／%

表4 河砂粒度分析結果

表5 石英砂粒度分析結果

表6 標準砂粒度分析結果

石英粉：采用武漢華夏玻璃制品有限公司生產(chǎn)的磨細石英粉，研究了四種不同粒徑石英粉對RPC性能的影響，粒級分別是：100目、200目、325目、400目，其SiO2含量約為99.8%，實測密度為2.630g／cm3。

高效減水劑：北京世紀洪雨科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，其特征狀態(tài)為黃色透明液體，固含量25%，減水率在27.6%。

鋼纖維：武漢新途工程纖維制造有限公司生產(chǎn)的表面鍍銅光面平直鋼纖維，直徑為0.22mm，長度為13～15mm，長徑比為58～68，抗拉強度約為1200MPa。

水：自來水。

1.2 基準配合比的確定

眾所周知，水泥與水拌合后，水泥熟料礦物首先發(fā)生水化反應，其中，C3S和C2S的水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣和氫氧化鈣。水化硅酸鈣凝膠粒子具有巨大的比表面積及剛性凝膠特征，且其粒子間存在范德華力與化學結合鍵，具有較高的強度；而氫氧化鈣晶體往往僅是起到填充的作用，又因其為層狀構造，層間結合程度較弱，在受力較大時，其為裂縫的策源地。若要使氫氧化鈣全部轉化成雪硅鈣石，鈣和硅的摩爾比為0.83，則換算成氧化鈣和氧化硅的質量比為0.78。把水泥中已含有的氧化鈣和氧化硅計算在內，大致得到氧化硅的加入量應為水泥質量的0.613～0.644［13］。有文獻建議氧化硅的摻入量為水泥質量的0.62［1］，即磨細石英粉和硅灰的總用量與水泥用量質量比為0.62。當硅灰和水泥的質量之比為0.25左右時，硅灰和水泥構成的二元體系漿體的密實度基本達到最高值［14］，表明此時硅灰能夠充分地填充水泥顆粒之間的空隙。因此，硅灰和水泥的質量之比取為0.25，磨細石英粉和水泥的質量之比為0.37，則基準配合比（質量比）為：硅灰∶磨細石英粉∶水泥＝0.25∶0.37∶1。在該試驗中取砂的摻量與水泥的摻量相同，鋼纖維摻量采用體積摻量計算，摻量為1.0%，高效減水劑的摻量為1.0%（折固后），水膠比為0.25。

1.3 試件的制備及測試方法

1.3.1 攪拌方式

采用水泥膠砂攪拌機，手動控制攪拌時間，將水泥、硅灰、石英粉、砂倒入攪拌鍋內，先預拌3min，然后加入溶有減水劑的90%用量的水，攪拌3min；最后倒入剩余的溶有減水劑的水，再攪拌3min；若摻有鋼纖維，則最后加入鋼纖維再攪拌3～5min。

1.3.2 成型及養(yǎng)護

試樣攪拌完成后，將拌合物分兩次澆注于40mm×40mm×160mm三聯(lián)膠砂試模中，每層在砂漿振動成型試驗臺上振動120次成型試件；拌合物成型后對其進行抹面，并用保鮮膜覆蓋，靜停24h后拆模。采取兩種養(yǎng)護制度：①標準養(yǎng)護：將脫模的試件放入混凝土標準養(yǎng)護箱中進行標準養(yǎng)護，濕度95%以上，溫度（20±2）℃，養(yǎng)護至28d；②蒸汽養(yǎng)護：將脫模的試件放入水泥混凝土快速養(yǎng)護箱中進行蒸汽養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度（90±5）℃，水溫在6h內從室溫升溫到90℃，試件恒溫蒸養(yǎng)48h，降溫速度約為15℃／h，冷卻到室溫再進行力學性能的測試。

1.3.3 測試方法

試件的抗折、抗壓強度根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）法》（GB／T 17671—1999）進行測定，拌合物的流動度根據(jù)《水泥膠砂流動度測定方法》（GB／T 2419—2005）進行測定。

2 試驗結果及分析

2.1 細集料顆粒級配組成的確定

RPC是在最大密實理論的基礎上制備出來的，因此必須要考慮到所使用的細集料（砂）的級配，用以確定最有利于RPC強度的顆粒級配。試驗采用表4中河砂（3種粒級）、表5中石英砂（2種粒級）和表6中標準砂（2種粒級）的4種不同組合：（a）1＃＋2＃＋3＃（河砂）；（b）1＃＋2＃（河砂）；（c）4＃＋5＃（石英砂）；（d）6＃＋7＃（標準砂）。各級砂子的用量基于集料的最大密實度［15］進行計算。

設粗砂、中砂和細砂的表觀密度分別為ρ1、ρ2、ρ3，堆積密度分別為ρ11、ρ22、ρ33，則單位體積粗砂的質量為：M1＝1×ρ1＝ρ1；

粗砂的空隙率為：V1＝（1－ρ11／ρ1）×100%；

單位體積粗砂內的空隙率為V1，可以摻入中砂的質量為：M2＝ρ2×V1；

則中砂的空隙率為：V2＝V1×（1－ρ22／ρ2）×100%；

V1體積內中砂的空體積為V2，可以摻入細砂的質量為：M3＝ρ3×V2；

則顆粒級配為：粗砂∶中砂∶細砂＝M1∶M2∶M3；

組合（a）、（b）、（c）和（d）按上述方法進行計算，結果見表7。

表7 各粒徑范圍砂的質量比

2.2 普通河砂顆粒級配對RPC性能的影響

細集料顆粒級配及類型對RPC性能影響的試驗配比及結果見表8。

表8 細集料級配及類型對RPC性能的影響

由表8中組A1、組A2的對比可知：粒徑范圍在0.15～1.18mm的普通河砂配制的RPC拌合物的流動性要優(yōu)于粒徑范圍在0.15～0.60mm之間的該種砂配制的RPC拌合物的流動性，在蒸汽養(yǎng)護條件下，后者配制的RPC試件的抗折強度高出前者約8.3%，抗壓強度高出約10%，表明粗顆粒的存在有利于提高RPC拌合物的流動性，但不利于RPC強度的發(fā)展。其主要原因在于，與細顆粒相比，粗顆粒的比表面積小，有利于提高RPC拌合物流動性，但其內部存在較多的缺陷，不利于提高RPC的力學強度。相同配比試件采用蒸汽養(yǎng)護得到的抗折、抗壓強度要高于標準養(yǎng)護，其主要原因在于，蒸汽養(yǎng)護提高了RPC組分的活性，并改善了其內部的微觀結構。

2.3 細集料類型對RPC性能的影響

細集料類型對RPC拌合物流動性影響的試驗結果見圖1，由圖1可知：粒徑范圍在0.15～0.60mm之間的標準砂配制的RPC拌合物的流動性最好，同粒徑范圍的普通河砂配制的RPC拌合物的流動性次之，同粒徑范圍的石英砂配制的RPC拌合物的流動性最差。上述試驗結果主要與細集料的外觀形貌有關，標準砂顆粒多呈次圓形，普通河砂顆粒多呈次圓形、部分呈片狀，而石英砂顆粒多呈多棱形、部分為次圓形，圓形顆粒有利于提高流動性，片狀、多棱形顆粒不利于提高流動性。

細集料類型對RPC抗折、抗壓強度影響的試驗結果分別見圖2和圖3，由圖2和圖3可知：相同配比試件采用蒸汽養(yǎng)護得到的抗折、抗壓強度要高于標準養(yǎng)護，表明了蒸汽養(yǎng)護有利于提高RPC的強度；粒徑范圍在0.15～0.60mm之間的3種細集料配制的RPC的抗折、抗壓強度相差不多，蒸汽養(yǎng)護條件下，采用石英砂配制的RPC試件的抗折強度比采用普通河砂的高出約9.2%，抗壓強度高出約8.4%，采用標準砂的抗折強度比采用普通河砂的高出約3.1%，抗壓強度高出約3.7%，表明可以采用普通河砂代替石英砂或者標準砂進行RPC的配制。

2.4 微集料粒徑對RPC性能的影響

微集料粒徑對RPC性能影響的試驗配比及結果見表9。

表9 微集料粒徑對RPC性能的影響

微集料粒徑對RPC拌合物流動性影響的試驗結果見圖4，由圖4可知：未摻石英粉的RPC拌合物的流動性最好，隨著石英粉粒徑的減小，RPC拌合物的流動性逐漸降低；原因在于：隨著石英粉粒徑的減小，顆粒的比表面積增加，不利于流動性的提高。

微集料粒徑對RPC抗折、抗壓強度影響的試驗結果分別見圖5和圖6，由圖5和圖6可知：相同配比試件采用蒸汽養(yǎng)護得到的抗折、抗壓強度要高于標準養(yǎng)護，表明了蒸汽養(yǎng)護有利于提高RPC的強度；未摻石英粉配制的RPC的抗折、抗壓強度最低，隨著石英粉粒徑的減小，RPC的抗折、抗壓強度先增加后降低，石英粉粒徑為325目時，其強度達到最大，蒸汽養(yǎng)護條件下，抗折強度為19.8MPa，抗壓強度為135.4MPa，比未摻石英粉時的抗折、抗壓強度分別高出16.5%、17.2%，表明制備RPC時需摻入石英粉，且石英粉的適宜粒徑為325目。

3 結 論

a.在RPC制備過程中，應剔除細集料中的粗顆粒（粒徑＞0.60mm），通過優(yōu)化顆粒級配，可以采用普通河砂代替石英砂或者標準砂作為細集料，以降低生產(chǎn)成本；

b.制備RPC時，應摻入石英粉作為微集料，以提高RPC的力學性能，且石英粉的適宜粒徑為325目；

c.采用蒸汽養(yǎng)護制度，有利于增加RPC活性組分的活性，提高RPC的力學性能。

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