集料類型及顆粒級配對RPC性能的影響

萬惠文，戴 鵬，王 銀，董群喜

（武漢理工大學(xué)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(fù)合材料，由于其在制備過程中增加了組分的細(xì)度與反應(yīng)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(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)；加入微細(xì)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(jié)構(gòu)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(xué)工作者的極大關(guān)注。如法國科學(xué)家使用RPC對一座核電廠的冷卻塔進(jìn)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(jìn)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(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時間對RPC強度的影響進(jìn)行了研究。在工程應(yīng)用方面，如北京市五環(huán)路石景山轉(zhuǎn)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(fù)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(fù)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(guān)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(xué)者進(jìn)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(xì)集料（砂）的不同顆粒級配和不同類型對RPC流動性和力學(xué)性能的影響，在此基礎(chǔ)上，探討了微集料（石英粉）對RPC性能的影響（文獻(xiàn)［12］的研究表明，在溫度200℃下RPC中的石英粉不參與反應(yīng)，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(yīng)用RPC水泥基復(fù)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(xué)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(xué)成分見表3。

細(xì)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(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)砂：采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)砂，顆粒多呈次圓形，表面較光滑，SiO2含量約為96.5%；剔除標(biāo)準(zhǔn)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(xué)成分 w／%

表2 水泥的物理性能

表3 硅灰的化學(xué)成分 w／%

表4 河砂粒度分析結(jié)果

表5 石英砂粒度分析結(jié)果

表6 標(biāo)準(zhǔn)砂粒度分析結(jié)果

石英粉：采用武漢華夏玻璃制品有限公司生產(chǎn)的磨細(xì)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(jì)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(zhǔn)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(yīng)，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(xué)結(jié)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(gòu)造，層間結(jié)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(zhuǎn)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(zhì)量比為0.78。把水泥中已含有的氧化鈣和氧化硅計算在內(nèi)，大致得到氧化硅的加入量應(yīng)為水泥質(zhì)量的0.613～0.644［13］。有文獻(xiàn)建議氧化硅的摻入量為水泥質(zhì)量的0.62［1］，即磨細(xì)石英粉和硅灰的總用量與水泥用量質(zhì)量比為0.62。當(dāng)硅灰和水泥的質(zhì)量之比為0.25左右時，硅灰和水泥構(gòu)成的二元體系漿體的密實度基本達(dá)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(zhì)量之比取為0.25，磨細(xì)石英粉和水泥的質(zhì)量之比為0.37，則基準(zhǔn)配合比（質(zhì)量比）為：硅灰∶磨細(xì)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(jī)，手動控制攪拌時間，將水泥、硅灰、石英粉、砂倒入攪拌鍋內(nèi)，先預(yù)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(hù)

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(jìn)行抹面，并用保鮮膜覆蓋，靜停24h后拆模。采取兩種養(yǎng)護(hù)制度：①標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：將脫模的試件放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，濕度95%以上，溫度（20±2）℃，養(yǎng)護(hù)至28d；②蒸汽養(yǎng)護(hù)：將脫模的試件放入水泥混凝土快速養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度（90±5）℃，水溫在6h內(nèi)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(jìn)行力學(xué)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(jìn)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(jìn)行測定。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 細(xì)集料顆粒級配組成的確定

RPC是在最大密實理論的基礎(chǔ)上制備出來的，因此必須要考慮到所使用的細(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)砂）。各級砂子的用量基于集料的最大密實度［15］進(jìn)行計算。

設(shè)粗砂、中砂和細(xì)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(zhì)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(nèi)的空隙率為V1，可以摻入中砂的質(zhì)量為：M2＝ρ2×V1；

則中砂的空隙率為：V2＝V1×（1－ρ22／ρ2）×100%；

V1體積內(nèi)中砂的空體積為V2，可以摻入細(xì)砂的質(zhì)量為：M3＝ρ3×V2；

則顆粒級配為：粗砂∶中砂∶細(xì)砂＝M1∶M2∶M3；

組合（a）、（b）、（c）和（d）按上述方法進(jìn)行計算，結(jié)果見表7。

表7 各粒徑范圍砂的質(zhì)量比

2.2 普通河砂顆粒級配對RPC性能的影響

細(xì)集料顆粒級配及類型對RPC性能影響的試驗配比及結(jié)果見表8。

表8 細(xì)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(hù)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(xì)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(nèi)部存在較多的缺陷，不利于提高RPC的力學(xué)強度。相同配比試件采用蒸汽養(yǎng)護(hù)得到的抗折、抗壓強度要高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，其主要原因在于，蒸汽養(yǎng)護(hù)提高了RPC組分的活性，并改善了其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。

2.3 細(xì)集料類型對RPC性能的影響

細(xì)集料類型對RPC拌合物流動性影響的試驗結(jié)果見圖1，由圖1可知：粒徑范圍在0.15～0.60mm之間的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果主要與細(xì)集料的外觀形貌有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)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(xì)集料類型對RPC抗折、抗壓強度影響的試驗結(jié)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(hù)得到的抗折、抗壓強度要高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，表明了蒸汽養(yǎng)護(hù)有利于提高RPC的強度；粒徑范圍在0.15～0.60mm之間的3種細(xì)集料配制的RPC的抗折、抗壓強度相差不多，蒸汽養(yǎng)護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)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(jié)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(jié)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(jié)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(hù)得到的抗折、抗壓強度要高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，表明了蒸汽養(yǎng)護(hù)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(dá)到最大，蒸汽養(yǎng)護(hù)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(jié) 論

a.在RPC制備過程中，應(yīng)剔除細(xì)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(biāo)準(zhǔn)砂作為細(xì)集料，以降低生產(chǎn)成本；

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

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

［1］Richard P，Cheyrezy M.Composition of reactive powder concrete［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（7）：1501－1511.

［2］Richard P.Reactive Powder Concrete：New Ultra－h(huán)igh Strength Cementit Ious Material［M］.The 4thInternational Symposium of Utilization of High Strength／High Performance Concrete Paris，1996：1343－1349.

［3］Bonneau O，Poulin C，Dugat J，et al.Reactive Powder Concrete：From Theory to Practice［J］.Concrete International，1996，18（4）：47－49.

［4］王蘇巖，籍鳳秋.配合比因素對 RPC強度影響正交試驗研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2009（1）：9－11.

［5］方 志，楊 劍.FRP和 RPC在土木工程中的研究和應(yīng)用［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2005，2（4）：54－61.

［6］Gerard B，Jerome D，Arnnud B.The use of RPC in cross－flow cooling towers［A］.The International Symposium on High－performance Concrete and Reactive Powder Concrete［C］.Sherbrooke，Canada：University of Sherbrooke，1998.59－73.

［7］白 泓，高 日.活性粉末混凝土（RPC）在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［J］.混凝土，2003，11：39－41.

［8］LARRARD F de，BELLOC A.The influence of aggregate on the compressive strength of normal and high strength concrete［J］.ACI Materials Journal，1997，94（5）：417－426.

［9］BANU Z，NAGARAI T S.Synergetic roles of concrete ingredients in strength development［J］.Construction and Building Materials，1996，10（4）：251－253.

［10］GIACCO G，ROCCO C，DVIOLINI，et al.High strength concretes incorporating different coarse aggregates［J］.ACI Materials Journal，1992，89（3）：242－246.

［11］ZHOU F P，LYDON F D，BARR BIG.Effect of coarse aggregate on elastic modulus and compressive strength of high performance concrete［J］.Cement and Concrete Research，1995，25（1）：177－186.

［12］何 峰.活性粉末混凝土的配制技術(shù)研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2000.

［13］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)，2003，16（4）：45－50.

［14］龍廣成，謝友均，王新友.礦物摻合料對新拌水泥漿體密實性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報，2002，5（1）：21－25.

［15］吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京：中國鐵道出版社，1999.