白云石砂為骨料高強混凝土的制備

曹 宏，羅 麗，孫飛龍，梁 實，安子博，薛 俊

（武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

活性粉末混凝土［1］（Reactive Powder Concrete簡稱RPC）是法國Bougyues公司1995年研制成功的一種超高強度、高耐久性及高韌性的新型水泥基復合材料.其抗壓強度可以達到200～800MPa，抗折強度20～150MPa［2－4］，還具有超高的耐久性能和良好的環(huán)保性能［5］.在結構設計中能夠有效減少自重，提高結構的抗震和抗沖擊性能.制備活性粉末混凝土的基本思路是優(yōu)化顆粒級配、采用硬度極高的細骨料和活性粉料、熱養(yǎng)護來減少內部缺陷，改善材料的整體性能.就目前文獻報道［6］，制備RPC所用骨料均為硬度極高的石英砂、石英粉，其價格較高（市場價800～1200元／噸），也使得RPC成本比較高，從而難以大規(guī)模推廣.本文依照制備活性粉末混凝土的原理，用價格相對較低的白云石砂和白云石粉（市場價400～600元／噸）為骨料制備了抗壓強度超過150MPa、抗折強度達到30MPa的高強混凝土.在此重點探討了配合比對其強度的影響，并分析了制品的成分與結構.

1 實驗部分

1.1 原料及其性能

實驗用原材料及其性能指標如表1所示.

表1 原料及其性能Table 1 Raw materials and its performance

1.2 配合比設計

本文采用水泥、硅灰、粉煤灰三元膠凝材料體系制備混凝土，對主要影響其強度的水膠比和粉煤灰、硅灰、白云石砂、鋼纖維的摻量進行配合比設計，如表2.

表2 配合比設計Table 2 The design of mixture ratio

1.3 實驗步驟

a.攪拌：將鋼纖維、白云石砂倒入攪拌機中干拌4min，再加入水泥、硅灰、粉煤灰、白云石粉一起干拌4min，然后將溶有減水劑的水加入干拌物料中拌和5min.

b.成型：邊填料邊震動，填料完成再震動3min成型結束.

c.養(yǎng)護：成型完后在模具上面蓋一層保鮮膜，以防止混凝土表面的水分蒸發(fā).于20℃的水泥砼標養(yǎng)箱中養(yǎng)護24h后脫模，脫模后的試塊在20℃的水泥砼標養(yǎng)箱中養(yǎng)護2天，再將其放入90℃熱水中養(yǎng)護3天，養(yǎng)護結束待試塊冷卻進行測試.

d.測試：參照GB／T2419－2005，《水泥膠砂流動度測定方法》［7］測試.

2 結果與討論

2.1 水膠比的影響

用水量的多少直接決定著水泥的水化作用和材料火山灰效應的發(fā)揮，最終影響到混凝土的整體性能.水膠比低，拌和效果差成型困難.水膠比過大，水化反應后未反應的水，被困在混凝土結構中留下大量的孔隙，嚴重影響樣品的強度.圖1為水膠比對樣品強度的影響.

從圖1看到，隨著水膠比的降低，抗壓強度漸次明顯增大，抗折強度亦呈小幅增長趨勢，但增長幅度較小.從抗壓強度隨水膠比的變化趨勢看，二者大致呈線性關系，經擬合得到擬合直線如式（1）.

式（1）中：σ為抗壓強度，MPa；mW／mB為水膠比；擬合相關度R2＝0.9452.

圖1 水膠比對強度的影響Fig.1 Effects of water－binder ratio on strength

據(jù)此可以大致預測水膠比與抗壓強度間的關系，但是水膠比越低流動度越差，成型越困難.本文還嘗試了在更低水膠比0.15下的試驗，由于實驗拌和效果較差，振動成型的效果不理想，隨之放棄進行更低水膠比的嘗試.因此，選取0.16作為本次實驗的最佳水膠比.

2.2 粉煤灰摻量的影響

粉煤灰在水泥混凝土中的作用［8］歸納為三大效應，即形態(tài)效應、活性效應（又稱火山灰效應）和微集料效應.粉煤灰為極細的玻璃態(tài)顆粒，流動性能非常好，在混凝土中既能改善拌和效果也在一定程度上起到了動態(tài)減水效果.粉煤灰對樣品的強度影響如圖2.

圖2表明，強度隨FA／C增大先增大再減小，存在一個最佳的比值：FA／C＝0.25時抗折強度最高，為21.56MPa；FA／C＝0.3時抗壓強度最大，為98.21MPa.綜合考慮，粉煤灰的最佳摻量應為FA／C＝0.25～0.3.粉煤灰摻量對強度的影響不是單調關系的原因可能如下：一方面，粉煤灰的形態(tài)減水效應使得粉煤灰摻量增大流動度增大，成型容易，成型缺陷減少；另一方面，粉煤灰中除了球形的玻璃微珠之外，還有多孔狀玻璃體.這些玻璃體會吸收水分，導致流動度降低.二者相互制約，從而在某一比值形成了最大.

圖2 粉煤灰摻量對強度的影響Fig.2 Effects of fly ash on strength

2.3 硅灰摻量的影響

硅灰由于顆粒細小，會填充在水泥顆粒之間的空隙中，改善漿體的流變性［9－10］.另外，硅灰的摻入會增加固體與液體的接觸面積，進而增加內聚力.由于內聚力的增加，混合料會變得更穩(wěn)定，各組分的離析傾向減小.硅灰摻量對樣品強度的影響如圖3所示.

圖3 硅灰摻量對強度的影響Fig.3 Effects of silicon ash on strength

從圖3中可以很明顯的看到硅灰摻量（SF／C）在0.1～0.4時抗壓強度一直呈增長趨勢，且增長明顯，只是在0.3～0.4時開始放緩.通過硅灰的摻入就可發(fā)現(xiàn)密實程度對于樣品的強度影響很大.抗折強度在呈下降趨勢，可能是由于硅灰顆粒填充于孔隙之間使材料密實度大大提高，在受到力的剪切作用時微孔對于力的緩沖作用減弱導致抗折強度隨著硅灰的摻入而緩慢降低，但是降低幅度不是很大.綜合兩方面考慮，硅灰摻量為水泥摻量20%～30%之間是最佳摻量.

2.4 白云石砂的影響

粉末混凝土中的砂子作為混凝土的骨料，是各組分中粒徑最大的.其摻量對樣品強度的影響如圖4所示.

圖4 白云石砂摻量對強度的影響Fig.4 Effects of dolomite sand on strength

圖4中白云石砂摻量（DS／C）為1.0時抗壓強度達到最大是99.53MPa.砂灰比在1.0之前抗壓強度呈增長趨勢，但是增長不是太明顯，1.0以后開始下降.在摻量為0.8的時候抗折強度最大為22.16MPa，之后一直降低到摻量為1.0時又有上升趨勢.在砂灰比為0.8至1.1之間時抗折強度有少量變化，但不是很明顯.可見白云石砂摻量在這一范圍內不是影響混凝土強度的主要因素.但是白云石砂的摻入并沒有改變水膠比，因此在低水膠比狀態(tài)下白云石砂摻量受限于材料的拌和狀態(tài).白云石砂的增多會使拌和物越來越干燥并且各種材料的粘黏性降低，對于一些特殊的構件在成型過程中有一些影響.因此，白云石砂的摻量要根據(jù)制備材料的用途合理調整.但綜合考慮，砂灰比（DS／C）在0.9～1.0時為最佳摻量.

2.5 鋼纖維摻量的影響

活性粉末混凝土材料的力學性能極其優(yōu)越，可與鋼材媲美，但制約其大面積運用的一大劣勢就是脆性較大.為了克服脆性大這一弱勢，實驗中采用纖維增韌的方法.其摻量對樣品強度的影響如圖5所示.

圖5 鋼纖維摻量對強度的影響Fig.5 Effects of steel fiber on strength

從圖5可以看到，鋼纖維對試塊的抗折、抗壓都有所提高.在鋼纖維摻量較小時效果不明顯，如試驗中鋼纖維殘量為0.93%的時候抗壓強度只比未摻時提高了6%，而抗折強度提高了10%.但當鋼纖維摻量達到1.81%的時候可以看到相比于0.93%的時候抗壓和抗折強度都有較大幅度的提高，抗壓提高了27%，抗折提高了35%.當摻量從1.81%增加到2.26%的時候，抗壓強度的增長幅度有所放緩只增加了5%，此時抗折強度增長仍然很高達到了12%，但不及之前的35%，說明在鋼纖維摻量為2.26%的時候對強度的貢獻已經開始放緩.雖然本次實驗摻量未達到3%或者更高，但是可以想像，考慮到經濟效益此后再增加鋼纖維的摻量已經對強度影響不大.所以鋼纖維的最佳貢獻應該在體積摻量為2%左右的時候.

2.6 最佳配合比設計

綜合上述結果得出的最佳實驗配比為表3所示，此時所制備的活性粉末混凝土抗壓強度超過150MPa，抗折強度達到30MPa.

2.7 樣品的成分和結構分析

對最佳配合比下制得的樣品進行X射線衍射以及掃描電鏡分析，其結果如圖6.

表3 最佳配合比設計Table 3 The optimum mixture ratio

通過X衍射圖6分析就可看到以白云石砂為骨料的混凝土是一個部分未水化混凝土材料.在衍射圖譜圖6中，可以很明顯看到骨料白云石砂，以及水泥的主要成分C3S，C2S的衍射峰可以很明顯的觀察到，并伴有水化產物.可以推斷，隨著時間延長水泥水化進一步加深，制備樣品的性能也會隨著時間推移而進一步改善.由于制備樣品的組分很細，水化產物將組分包裹形成的過渡界面可以很清晰的在SEM照片圖7中看到.通過照片可以發(fā)現(xiàn)，樣品內部結構相當致密，顆粒之間被很好的粘接，只有很少的尺寸很小的微裂紋，硅灰很好的散布在材料中.這些性質都決定著制備的樣品能獲得良好的機械性能.

圖6 樣品的X衍射（XRD）圖Fig.6 XRD pattern of the sample

圖7 樣品的掃描電鏡（SEM）照片F(xiàn)ig.7 SEM patterns of the product

3 結 語

本文利用制備活性粉末混凝土的原理，用白云石砂、白云石粉取代石英砂、石英粉，對制備高強混凝土的最佳配比進行了研究.分別研究了水膠比以及粉煤灰、硅灰、白云石砂、鋼纖維的摻量對樣品強度的影響.在最佳配比下成功制備出了抗壓抗折強度較高的高性能混凝土.由于這種高強混凝土具有極其優(yōu)越的性能，可應用的領域也非常廣泛，隨著我國高層建筑和大跨結構迅速增加，也為這種高強混凝土的應用提供了廣闊的市場以及應用前景.

［1］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）：132－137.

［2］Cheyrezy Marcel，Maret Vincent，F(xiàn)rouin Laurent.Microstructural analysis of RPC（Reactive Powder Concrete）［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1491－1500.

［3］Richard Pierre，Cheyrezy Marcel.Composition of reactive powder concretes［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1501－1511.

［4］Zanni Helene，Cheyrezy Marcel，Maret Vincent，et al.Investigation of hydration and pozzolanic reaction in Reactive Powder Concrete（RPC）using 29Si NMR［J］.Cement and Concrete Research，1996，26（1）：93－100.

［5］沈旦申.粉煤灰混凝土 ［M］.北京：中國鐵道出版社，1989.

［6］何峰，黃政宇.養(yǎng)護制度對活性粉末混凝土（RPC）的強度影響研究［J］.混凝土.2000，25（2）：31－34.

［7］中國建筑材料科學研究院.GB／T 2419－2005水泥膠砂流動度測定方法［S］.北京：中國標準出版社，2005.

［8］Richard Pierre，Cheyrezy Marcel.Composition of reactive powder concretes［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1501－1511.

［9］姜德民.硅灰對高性能混凝土強度的作用機理研究［J］.建筑技術開發(fā)，2001，28（4）：44－46.

［10］閏光杰，劉培文，余清河.200MPa級活性粉末混凝土抗壓強度試驗研究［J］.建筑結構學報，2007，增刊：93－95.