活性粉末混凝土（RPC）的基本性能影響因素研究與分析

摘要：活性粉末混凝土由于其優(yōu)異的性能在土木工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文總結(jié)了國內(nèi)部分學(xué)者制備活性粉末混凝土進(jìn)行的試驗，綜合分析了水膠比、鋼纖維摻量、礦物摻合料等對活性粉末混凝土基本性能的影響，提出了制備活性粉末混凝土?xí)r各原材料的最優(yōu)摻量，為活性粉末混凝土的制備提供參考。

關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土；水膠比；鋼纖維摻量；礦物摻合料

活性粉末混凝土是由法國布伊格（Bouygues）公司以Pierre Richard為首的研究小組在1993年研發(fā)成功的一種具有超高強、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料。由于增加了組分的細(xì)度和反應(yīng)活性，因此被稱為活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱為RPC，下同）[1]。

活性粉末混凝土由于其優(yōu)異的性能在土木工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其優(yōu)異的力學(xué)性能，可在構(gòu)件設(shè)計中大大減小截面尺寸，可應(yīng)用于對截面尺寸有限制的結(jié)構(gòu)中，如北京交通大學(xué)自行設(shè)計的活性粉末混凝土超低高度T型梁目前已應(yīng)用于遷曹鐵路和冀港鐵路，有效的解決了該鐵路線路中凈空受限的問題[2]?；钚苑勰┗炷羶?yōu)異的耐久性能使其可應(yīng)用于環(huán)境惡劣的地區(qū)，如我國青藏鐵路的人行道體系，就使用了大量活性粉末混凝土的人行道蓋板及支架，可有效對抗當(dāng)?shù)貝毫拥沫h(huán)境[3]。為將活性粉末混凝土廣泛應(yīng)用于實際工程，國內(nèi)外學(xué)者利用本地原材料配制活性粉末混凝土，并對其基本性能進(jìn)行了大量研究。本文總結(jié)了目前國內(nèi)學(xué)者配制過程中各因素對活性粉末混凝土強度的影響，為活性粉末混凝土的制備及應(yīng)用提供參考。

1 水膠比

水膠比是指混凝土配制過程中，用水量與膠凝材料的比值，對于活性粉末混凝土膠凝材料包括水泥、微硅粉、偏高嶺土、粉煤灰等。

陳毅卓等人[4]對水膠比為0.17、0.18、0.19的活性粉末混凝土進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，水膠比對活性粉末混凝土的和易性有較大的影響，隨水膠比的增加，流動性變好。當(dāng)水膠比為0.17 時， 坍落度為0， 攪拌成的混凝土很干， 不成漿體， 成型困難。但當(dāng)水膠比為0.19 時，坍落度增大到130 mm， 容易成型。試驗過程中采用常溫養(yǎng)護(hù)，不同養(yǎng)護(hù)齡期，水膠比對抗壓強度的影響規(guī)律不同，其中3d和7d抗壓強度歲水膠比的增大而減小， 28d抗壓強度隨水膠比的增大而增大。當(dāng)活性粉末混凝土的水膠比由0.17增大到0.19時， 3 d 抗壓強度減少8.2 % ， 7 d 抗壓強度減少5 %，而28 d 時的抗壓強度增大9.5 %。

吳炎海等[5]對水膠比為0.19、0.20、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25、0.26時，活性粉末混凝土流動性及抗壓強度進(jìn)行了研究。試驗過程中對活性粉末混凝土采取了高溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為90±1℃，養(yǎng)護(hù)48h。試驗結(jié)果顯示，同文獻(xiàn)[4]一樣，活性粉末混凝土的流動度隨水膠比的增大而增大。其中水膠比為0.24～0.26時，拌合物的流動性極佳；水膠比為0.21～0.23時，拌合物流動性能仍然很好，但變得比較粘稠，可通過振搗排出氣泡；水膠比為0.19～0.20時，拌合物不能自行流動，極為粘稠， 需充分振搗后澆筑成型。蒸汽養(yǎng)護(hù)后，水膠比在0.19～0.26區(qū)間時，抗壓強度隨水膠比的增加現(xiàn)增大后減小，在0.22時，出現(xiàn)了峰值，0.23后，強度變化不大。

以上分析可見，水膠比對活性粉末混凝土的流動性和強度都有影響，所以在配制活性粉末混凝土?xí)r，不能一味的追求低水膠比，因為水膠比較低時，拌合物的粘性較大，振搗過程中不易迷失，會有較多氣孔存在，影響其抗壓強度。因此在活性粉末混凝土制備過程中，要綜合考慮流動性和強度，選擇合適的水膠比。

2 集料品種及摻量

鄭居煥[6]采用粗細(xì)兩種砂制備活性粉末混凝土，結(jié)果顯示，細(xì)砂配制活性粉末混凝土需水量較大，可通過調(diào)整水膠比來和減水劑用量來滿足流動性和強度。為降低活性粉末混凝土的成本，馬愛青[7]在配制活性粉末混凝土?xí)r，采用河砂部分或全部替代石英砂（替代率為0%，50%，80%，100%），但河砂摻入后會降低活性粉末混凝土強度，全部采用河砂時，75℃蒸汽養(yǎng)護(hù)下其抗壓強度可降低11.9%，當(dāng)采用較低溫度養(yǎng)護(hù)時，下降率更大。這是由于一方面水洗河沙自身強度低于石英砂，另一方面，河沙摻加越多，級配越差，這導(dǎo)致了其強度不斷降低。龍廣成等[8]采用不同粒徑分布的集料配制活性粉末混凝土，試驗中，采用40×40×160mm的膠砂試件，試件拆模后，在20±2℃熱水養(yǎng)護(hù)3d，然后在95℃熱水中養(yǎng)護(hù)3d。集料對活性粉末混凝土強度的影響規(guī)律如下圖1所示。在其試驗范圍內(nèi)，采用最大粒徑≤1.25mm的石英砂，集膠比=1.2制備活性粉末混凝土效果最佳。

3 鋼纖維種類及摻量

鋼纖維摻入活性粉末混凝土中能夠增加活性粉末混凝土的強度、韌性及耐久性，但由于活性粉末混凝土水膠比較小，若鋼纖維摻入過多，沒有足夠的水泥漿包裹會影響活性粉末混凝土的流動性，同時振動成型困難，影響活性粉末混凝土的工程應(yīng)用。因此選用合適的鋼纖維類型及摻量是配制活性粉末混凝土的一個重要因素。

鞠彥忠等[9]兩種不同長徑比的鋼纖維配制活性粉末混凝土（第一種纖維：直徑0.2～0.3 mm，長度13～15 mm；第二種纖維：直徑0.4 mm，長度25～30 mm）。試驗中鋼纖維摻量為5%，水膠比為0.2，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，拆模后80℃蒸汽養(yǎng)護(hù)3 d。試驗結(jié)果顯示，用第一種鋼纖維配制的活性粉末混凝土的抗壓強度要高于用第二種鋼纖維配制的活性粉末混凝土，但抗折強度要低于用第二種鋼纖維配制的活性粉末混凝土。原因是第一種鋼纖維的直徑和長度均小于第二種鋼纖維，攪拌過程中更易于在漿體中均勻分布，從而降低基體內(nèi)部缺陷，提高抗壓強度；但第二種鋼纖維較粗，在抗折試驗中可以承受更大的拉力，所以抗折強度要高于第一種纖維。白永兵等[10]對直徑0.22mm，長度為6mm，8mm，10mm，13mm（長徑比分別為：27.3，36.4，45.5，59.1），鋼纖維摻量為2%活性粉末混凝土的研究發(fā)現(xiàn)，各養(yǎng)護(hù)制度下（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，45℃養(yǎng)護(hù)，75℃養(yǎng)護(hù)），鋼纖維長徑比為45時抗壓強度最大，小于45時，抗壓強度隨長徑比的增大而增大，大于45時抗壓強度略有下降。

黃育等[11]將幾種不同形狀纖維（鍍銅鋼纖維、端鉤形鋼纖維、銑削鋼纖維、方直形鋼纖維、波紋形鋼纖維）按不同體積摻量活性粉末混凝土中進(jìn)行試驗。結(jié)果顯示，活性粉末混凝土的流動性隨鋼纖維摻量增加而顯著減小，摻量大于2%后對流動性影響較大。同時，隨著鋼纖維摻量的增加，活性粉末混凝土的抗壓強度和抗折強度增加，抗壓強度基本呈線性增長；摻量小于2%時，抗折強度提高不多，進(jìn)一步增加摻量時，抗折強度迅速提高，當(dāng)摻量為6%時，抗壓強度和抗折強度最大值相對于無纖維活性粉末混凝土分別提高了38.3% 和176.1%。鋼纖維摻量相同時，摻端鉤形鋼纖維的抗壓強度和摻波紋形鋼纖維的抗折強度最高。

閆光杰等[12]考查了不同鋼纖維摻量對活性粉末混凝土的影響，鋼纖維摻量為50kg/m3，100kg/m3，140kg/m3，170kg/m3，200kg/m3五種。試驗結(jié)果顯示，隨鋼纖維摻量的增加，活性粉末混凝土的抗壓強度和抗折強度增大，但鋼纖維摻量越大，活性粉末混凝土的和易性越差，因此在其試驗范圍內(nèi)，綜合考慮流動性和強度，鋼纖維摻量為170kg/m3時，效果最佳。

鋼纖維摻入后在提高活性粉末混凝土性能的同時會影響其和易性，進(jìn)而對施工造成影響，不同類型鋼纖維對活性粉末混凝土的影響規(guī)律不同。就以上研究可見，配制活性粉末混凝土?xí)r，選取長徑比為45左右的端鉤形鋼纖維，摻量控制在170kg/m3左右，綜合效果最佳。

4 礦物摻合料

活性粉末混凝土制備過程中通常摻入大量的礦物摻合料來改善水化產(chǎn)物，常用的膠凝材料為水泥-硅粉的二元膠凝體系。為降低成本，利用本地原材料，采用粉煤灰、礦渣等替代部分水泥或硅粉，采用三元膠凝體系制備活性粉末混凝土。偏高嶺土替代部分硅粉后，會降低活性粉末混凝土的抗壓強度，當(dāng)采用75℃蒸汽養(yǎng)護(hù)時，對其抗折強度影響不大[7]。當(dāng)采用水泥-硅灰-超細(xì)粉煤灰三元膠凝體系時，水泥：硅灰：粉煤灰為1：0.25：（0.3-0.4）時，漿體密實度最佳，在此配比下，采用小于0.16的水膠比，并通過100℃熱水養(yǎng)護(hù)即可配制抗壓強度高達(dá)200MPa的活性粉末混凝土[13]。

5 結(jié)論

活性粉末混凝土制備過程中水膠比、集料、礦物摻合料、鋼纖維等類型及摻量對其基本性能都有很大的影響。在保證強度的同時，考慮施工性能，建議水膠比為0.2左右，采用短細(xì)鋼纖維摻量為170kg/m3左右效果最佳。為節(jié)約成本，在對強度要求不高的結(jié)構(gòu)中，還可采用三元膠凝體系，并采用河砂替代部分石英砂配制活性粉末混凝土。

參考文獻(xiàn)：

[1]Pierre Richard， Marcel Cheyrezy.Composition of Reactive Powder Concretes [J]. Cement and Concrete Research，1995，25（7）： 1501-1511.

[2]AN Mingzhe ，JI Wenyu，ZHONG Tieyi，JIA Fangfang. Application of UHPC in Railway Construction[A].2011 International Workshop on Sustainable and Science-Driven Engineering of Cement-based Materials [C].2011， Beijing， China：141-148.

[3]賈方方.鋼筋與活性粉末混凝土粘結(jié)性能的試驗研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[4]陳毅卓，閻貴平，安明喆.常規(guī)攪拌工藝條件下活性粉末混凝土抗壓強度影響因素的研究[J].鐵道建筑，2003（3）：44-48.

[5]吳炎海，何雁斌.活性粉末混凝土（RPC200）的配制試驗研究[J].中國公路學(xué)報，2003，16（4）：44-49.

[6]鄭居煥.摻偏高嶺土活性粉末混凝土的試驗研究[J].建筑科學(xué)，2008，24（5）：47-49.

[7]馬愛青.環(huán)保節(jié)能活性粉末混凝土試驗研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[8]龍廣成，謝友均，蔣正武，孫振平，王培銘.集料對活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響[J].建筑材料學(xué)報，2004，7（3）：269-273.

[9]鞠彥忠，周冠男，鄭維權(quán).200MPa級活性粉末混凝土（RPC200）的配制與試驗研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2007，27（2）：18-21.

[10]白永兵，郝文秀，李宏斌，徐曉.鋼纖維活性粉末混凝土配合比試驗研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，32（3）：109-112.

[11]黃育，王必斌，陳萬祥，畢亞軍.不同鋼纖維對RPC性能影響的試驗分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2003，4（5）：64-67.

[12]閆光杰，閻貴平，安明喆，陳毅卓.200MPa級活性粉末混凝土試驗研究[J].鐵道學(xué)報，2004，26（2）：116-119.

[13]謝友均，劉寶舉，龍廣成.超細(xì)粉煤灰活性粉末混凝土的研究[J].建筑材料學(xué)報，2001，4（3）：280-284.