RPC構(gòu)件的宏觀裂縫和微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系分析

金凌志，何 培，付 強，陳 敏

(1.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西桂林541004;2.廣東省第四建筑工程公司，廣東廣州510100)

活性粉末混凝土(reactive powder concrete，RPC)是一種新型超高強度、高耐久性、高韌性、體積穩(wěn)定性良好的水泥基材料［1］，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實，其微裂縫和孔隙等缺陷很少，構(gòu)件可以獲得由其組成材料所決定的最大承載力，具有特別好的耐久性.

近年來，國內(nèi)外一些科研機構(gòu)和高校都對RPC材料進行了大量的試驗研究，其中劉娟紅等［2］從活性粉末混凝土原材料的顆粒分布，通過量熱分析，X射線衍射，掃描電鏡等手段研究了RPC的水化速度、水化產(chǎn)物及微觀結(jié)構(gòu).龍廣成等［3］研究了不同水膠比下活性粉末復(fù)合膠凝材料體系的水化放熱特征及其硬化的微觀結(jié)構(gòu)，并提出了相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)模型.L.J.Sluys等［4］正確地預(yù)測了混凝土的裂縫寬度和間距的開張情況并進行了相關(guān)的分析.龐寶君等［5］利用掃描電子顯微鏡，分析了高溫作用后RPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況，重點研究了水化產(chǎn)物C-SH凝膠形貌和骨料界面區(qū)的變化，微觀結(jié)構(gòu)的變化對RPC的性能有很大的影響.賈方方等［6］通過梁式黏結(jié)試驗，對不同鋼纖維摻量下活性粉末混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)性能進行了研究.

文中對不同溫度下RPC受彎構(gòu)件的宏觀裂縫寬度情況進行觀察分析，并利用SEM電鏡從微觀結(jié)構(gòu)的角度對RPC水泥水化產(chǎn)物中的C-S-H凝膠變化情況，鋼纖維與水化物的黏結(jié)情況，以及骨料邊界處的微觀形貌等進行研究，揭示它們之間的內(nèi)在關(guān)系.

1 原材料與裂縫宏觀分析

1.1 試件的原材料配比

活性粉末混凝土試驗梁材料選用如下:① 水泥:廣西興安海螺牌52.5普通硅酸鹽水泥;② 石英砂:粒徑0.4～0.6 mm;③ 微硅粉成份為二氧化硅(SiO2)，平均粒徑 0.1 μm，表面積 15 000 ～20 000 m2·kg-1;④ 硅微粉:粒徑2 μm以下，平均粒徑0.31 μm 左右;⑤ 石英粉:粒徑4 μm 以下;⑥ 鋼纖維:采用鍍銅光面平直鋼纖維，長度約為13 mm，直徑約為0.15 ～0.20 mm，抗拉強度 ＞2 000 MPa.

1.2 試件制作及其加載試驗

本次試驗共設(shè)計了3根在不同溫度養(yǎng)護下的活性粉末混凝土矩形梁，其材料配合比相同，采用HRB500級鋼筋，截面尺寸和配筋如圖1所示.

圖1 RPC梁截面尺寸及配筋

本試驗采取如圖2所示的加載方式，預(yù)載分3級進行，每級取開裂荷載值的20%，然后分級卸載，2～3級卸完.每加(或卸)1級，停歇10 min，然后分級加載，在開裂以前按開裂荷載的20%進行加載，開裂以后按極限荷載的10%加載，達到極限荷載的90%時，以5 kN為1級加載到破壞，每級加載完持荷10 min，觀察裂縫開展情況，并利用裂縫寬度測量儀測量裂縫寬度.

圖2 現(xiàn)場試驗加載圖

1.3 宏觀裂縫形態(tài)分析

圖3給出了養(yǎng)護溫度分別為30，90和200℃條件下RPC梁L1，L2和L3試驗構(gòu)件的裂縫開展寬度隨荷載改變的曲線圖.在同一級荷載條件下，高溫條件養(yǎng)護下的裂縫寬度比常溫(30℃)條件養(yǎng)護的小，200℃養(yǎng)護條件下的梁L3與90℃養(yǎng)護條件下的梁L2裂縫寬度差別并不是很明顯，在荷載為340 kN前，裂縫寬度變化量相對比較小，之后變化量相對大些.

圖3 試件荷載-裂縫寬度曲線圖

表1是RPC構(gòu)件的開裂荷載、極限荷載以及極限荷載下的裂縫寬度.由表可以看出RPC構(gòu)件在高溫養(yǎng)護條件下開裂荷載和極限荷載都比常溫(30℃)養(yǎng)護條件下的高.

表1 開裂荷載、極限荷載及極限荷載裂縫寬度

圖4為L3在加載過程中裂縫開展情況和極限荷載下的裂縫寬度.

圖4 極限荷載下L3裂縫開展及寬度

2 微觀結(jié)構(gòu)研究

RPC構(gòu)件具有良好的抗裂性能與其致密的微觀結(jié)構(gòu)是分不開的，為了探究其內(nèi)在聯(lián)系，利用日本電子株式公社JSM-6380LV型和日立高新技術(shù)公司S-4800型掃描電鏡分析了RPC的微觀結(jié)構(gòu).

2.1 微觀結(jié)構(gòu)電鏡分析

掃描電鏡試驗樣品是用錘子和鑷子直接從已經(jīng)破壞了的L1-L3上敲取的.挑選形狀較規(guī)則，比較薄，表面平整的小試樣，平均尺寸在1 cm左右，分別編號為1-18號，并且將其分為3組:1-6號取自L1，計為第1組;7-12號取自L2，計為第2組;13-18號取自L3，計為第3組.由于混凝土本身不導(dǎo)電所以需噴金后再進行掃描電鏡試驗.

2.2 水化硅酸鈣凝膠

在RPC構(gòu)件成型時，首先由水泥顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，隨后體系中的活性粉末顆粒發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而使RPC內(nèi)部更加密實.

由掃描電鏡照片可知，水化產(chǎn)物相互膠結(jié)在一起，形成致密的連續(xù)相，結(jié)構(gòu)整體非常密實，沒有多余空間讓C-S-H凝膠體繼續(xù)生長.在加速電壓為5 kV，樣品表面距離物鏡12.2 mm，放大倍數(shù)10萬倍的條件下進行檢測.常溫RPC水化硅酸鈣凝膠圖見圖5，從圖中可以觀察到少量白色形貌的Ca(OH)2(CH相)和主要由不規(guī)則的扁平粒子堆積組成的C-S-H凝膠.當(dāng)高溫條件下進行養(yǎng)護時，可以加速混凝土的水化，而得到更多的C-S-H凝膠.同時由于RPC中摻加了活性二氧化硅高達90%以上的硅灰，能夠與Ca(OH)2快速發(fā)生二次水化反應(yīng)，消耗掉大部分對結(jié)構(gòu)不利的Ca(OH)2，而生成更多如圖6所示的“云狀”C-S-H凝膠，使得其結(jié)構(gòu)內(nèi)部更加密實，從而抑制了裂縫的生成.

圖5 常溫RPC水化硅酸鈣凝膠圖

圖6 高溫RPC水化硅酸鈣凝膠圖

普通混凝土中，有足夠濃度的 CaO，Al2O3和CaSO4情況下均可生成鈣礬石［7］，膨脹性是鈣礬石最大的特性［8］，膨脹會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生一些微小裂縫，是影響混凝土微觀結(jié)構(gòu)的一個重要因素.而對于RPC而言，由于水泥漿體中的水膠比很低，沒有足夠的結(jié)晶水來生成鈣礬石［9］，同時其水泥水化時生成的水化產(chǎn)物相互膠結(jié)在一起，形成如圖5，6所示的非常致密的結(jié)構(gòu)，幾乎沒有多余的空間生成鈣礬石，況且RPC一般需要高溫養(yǎng)護，在高溫條件下(70～80℃)鈣礬石最終會分解，再加上活性二氧化硅消耗掉了大量Ca離子，所以在RPC微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)很難觀察到有鈣礬石的生成，進而減少了RPC內(nèi)部結(jié)構(gòu)微裂縫的產(chǎn)生.

2.3 鋼纖維與水化物的黏結(jié)情況

鋼纖維在RPC中的分布情況見圖7，由圖可以看出，盡管鋼纖維表面很光滑，但是仍然有許多細(xì)微顆粒粘附在鋼纖維表面.由于試件采用高溫養(yǎng)護，RPC內(nèi)部的鈣礬石分解，硅灰與Ca(OH)2晶體進一步反應(yīng)，又消耗掉部分Ca(OH)2.因而水化硅酸鈣凝膠很容易在鋼纖維表面沉積下來，并且與鋼纖維表面緊密黏結(jié).加入2%鋼纖維能有效減少或延遲裂紋擴展，從而提高了RPC構(gòu)件的抗壓和抗拉強度［10］.鋼纖維的加入，填充了 RPC的部分內(nèi)部缺陷、空氣氣泡等，從而使得界面上的微裂縫數(shù)量大大減少，提高了RPC的界面強度，且鋼纖維與周圍水泥石結(jié)合牢固，可以大大提高混凝土的抗裂性能，延緩裂縫的開展.

圖7 鋼纖維在RPC中的分布情況

2.4 骨料邊界處的微觀形貌

普通混凝土采用的是粗骨料，水泥和砂子細(xì)小的顆粒無法完全均勻地填充于體積較大的石子之間，從而導(dǎo)致過渡區(qū)的孔隙變大［11］.并且當(dāng)使用粗骨料時，水泥漿體與粗骨料的比表面積也會降低，從而減少了骨料之間的黏結(jié)強度.水泥漿體中的水分很容易隨著粗骨料石子的表面滑落，集中于粗骨料的下表面，從而更容易形成如圖8所示的界面過渡區(qū).而且混凝土中的骨料和水泥漿體具有不同的彈性模量，因此它們的變形不盡相同，也會導(dǎo)致界面處產(chǎn)生微細(xì)裂縫.

圖8 普通混凝土骨料邊界圖

與普通混凝土相比，RPC中沒有粗骨料，主要由石英砂、硅灰等一些細(xì)骨料組成，細(xì)小的粉末顆粒更容易分散于材料的基體當(dāng)中，使得RPC材料具有良好的密實度如圖9所示，在RPC中的骨料相非常均勻有序地排列在基體相中，減少甚至消除了在結(jié)構(gòu)體系形成時產(chǎn)生的微裂縫.基體相組成均一、結(jié)構(gòu)密實，界面之間緊密結(jié)合.RPC體系形成初期水膠比較小，體系中還存在較多的未水化完全的固體顆粒，其與水化產(chǎn)物之間的反應(yīng)界面的存在，更使得RPC整個系統(tǒng)中幾乎沒有薄弱環(huán)節(jié).

圖9 活性粉末混凝土骨料邊界

2.5 微裂縫及孔洞的微觀形貌

活性粉末混凝土在受到荷載作用之前，過渡區(qū)就已經(jīng)存在微裂縫，高溫條件下其內(nèi)部水分的丟失，也會引起結(jié)構(gòu)的收縮，從而產(chǎn)生很少的微裂縫.圖10為高溫下養(yǎng)護下的RPC試樣電鏡照片，水泥漿體受熱脫水收縮，骨料受熱膨脹，導(dǎo)致界面過渡區(qū)產(chǎn)生少量微裂紋.圖11為高溫下的普通混凝土試樣電鏡照片，發(fā)現(xiàn)水泥漿體同樣受熱脫水收縮，界面過渡區(qū)產(chǎn)生連續(xù)貫通的裂紋，裂紋寬度相對于RPC更大更明顯.隨著溫度的升高，微裂紋進一步發(fā)展成能夠影響構(gòu)件宏觀力學(xué)性能的裂縫［12］并對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也造成嚴(yán)重影響［13］.

圖10 活性粉末混凝土微裂縫外觀形

圖11 普通混凝土微裂縫外觀形

由于攪拌不均勻，振搗不密實，水分蒸發(fā)，導(dǎo)致RPC結(jié)構(gòu)內(nèi)部在其成型過程中，不可避免地形成一些微孔洞，但RPC具有極低的孔隙率，孔徑集中分布在2 ～3 nm［14］.文獻［15］曾經(jīng)假設(shè) C-S-H 結(jié)構(gòu)里的層間孔寬度為1.8 nm，并確定固相C-S-H的孔隙率為28%.文獻［14］認(rèn)為層間孔寬度應(yīng)在0.5～2.5 nm，這樣的孔徑太小，不會對水化水泥漿體的強度和滲透性產(chǎn)生不利影響.1996年，J.Dugat等［1］進行了 RPC200和RPC800的力學(xué)性能試驗，對RPC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、泊松比、極限應(yīng)力、彎折強度、平均斷裂性能等進行了研究，同時指出鋼纖維的最佳摻量是2% ～3%，摻量過高反而會降低RPC的平均斷裂性能.從圖12可以看出，RPC結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔洞直徑的確很小，說明在高溫養(yǎng)護條件下，RPC具有良好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織，所以其宏觀構(gòu)件具有更好的抗裂性能.

圖12 活性粉末混凝土孔洞外觀形貌

3 結(jié)論

1)從宏觀結(jié)構(gòu)的受力分析，相同配比、不同溫度下的RPC構(gòu)件，在同一級荷載下的高溫養(yǎng)護構(gòu)件比常溫條件養(yǎng)護的構(gòu)件裂縫開展寬度小.

2)從電鏡掃描的微觀結(jié)構(gòu)分析，RPC在其水泥水化時，會消耗更多的Ca(OH)2而生成C-S-H凝膠，使得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，顆粒之間沒有明顯的界面過渡區(qū)，幾乎沒有鈣礬石晶體可能存在的空間，抑制了裂縫的生成.

3)鋼纖維的加入，填充了RPC的部分內(nèi)部缺陷，減少了微裂縫數(shù)量，提高了RPC的界面強度，C-S-H凝膠黏附在鋼纖維表面，使得鋼纖維與周圍水泥基體結(jié)合更牢固.

4)在高溫養(yǎng)護條件下，RPC的水化程度大大提高，各種粒子更加緊密地堆集黏結(jié)在了一起，使RPC具有良好的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔洞直徑很小，更加減少了微裂紋的數(shù)量和寬度，使其具有良好的抗裂性能和耐久性.

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