活性粉末混凝土（RPC）預(yù)混合配料技術(shù)的研究

李崇栩　　詹國良　　陳澤靈　　鄭楚茂　　葉門康

（廣東華隧建設(shè)股份有限公司）

活性粉末混凝土（RPC）預(yù)混合配料技術(shù)的研究

李崇栩詹國良陳澤靈鄭楚茂葉門康

（廣東華隧建設(shè)股份有限公司）

活性粉末混凝土（RPC）作為一種由多組分構(gòu)成的水泥基復(fù)合材料，從理論上說，其原料混合的均勻性對(duì)強(qiáng)度起著重要作用。為使RPC的力學(xué)性能達(dá)到最佳值，本文研究了不同粉料預(yù)混方式對(duì)RPC強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，球磨機(jī)預(yù)混方式和混料機(jī)預(yù)混方式可提高RPC的抗壓強(qiáng)度，但對(duì)抗折強(qiáng)度效果不明顯。并對(duì)不同預(yù)混方式的粉料進(jìn)行顆粒分析，以探索其作用機(jī)理。

活性粉末混凝土；預(yù)混；強(qiáng)度；顆粒分析

活性粉末混凝土（RPC）是由世界最大的營造公司之一法國布伊格（Bouygues）公司以Pierre Richard為首的研究小組在1993年率先研發(fā)成功的一種超高強(qiáng)、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性良好的水泥基復(fù)合材料［1，2］。RPC材料目前達(dá)到的抗壓強(qiáng)度為170～810MPa，抗折強(qiáng)度為30～140MPa，斷裂能為1200～40000 J/m2，彈性模量為50～75GPa。目前，國際上的RPC材料有兩大系列，一是RPC200，二是RPC800。RPC800的性能已能與金屬材料媲美，但其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，能耗高，難以實(shí)現(xiàn)工程化和產(chǎn)業(yè)化，相比之下RPC200則顯示出更美好的發(fā)展前景［3-5］。

超細(xì)硅灰的摻入，使得水泥基復(fù)合材料具有了較高的顆粒填充密實(shí)度，而硅灰本身較高的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)也極大地提高了所得成品的強(qiáng)度和其他工作性能。但是由于各種生產(chǎn)原料的比重顆粒尺寸相差較大，制備過程中的攪拌難以將它們充分混合均勻。原料粉體分散不均勻，會(huì)引起局部產(chǎn)物化學(xué)成分有較大的變化以及微觀結(jié)構(gòu)的變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的強(qiáng)度，尤其是抗折強(qiáng)度下降，造成不必要的強(qiáng)度損失。因此本文就原料預(yù)混合對(duì)RPC混凝土性能的影響進(jìn)行了探索性的研究。

表1　水泥化學(xué)組成

表2　水泥物理性質(zhì)

1　原材料及試驗(yàn)方法

1.1原材料

水泥：廣州珠江水泥廠的粵秀牌P.Ⅱ42.5的硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分及物理性能見表1、表2；硅灰：挪威埃肯硅灰，該硅灰顏色在淺灰色與深灰色之間，密度2.2g/cm3左右，堆積密度一般在200～350kg/m3。硅灰的比表面積介于18000～22000m2/kg（采用氮吸附法即BET法測定）；石英砂的粒徑范圍0.25～0.65mm，表觀密度2.62g/cm3。；高效減水劑：RJ-DH3日本觸媒公司的聚羧酸類高效減水劑；水：試驗(yàn)室自來水。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試件成型與養(yǎng)護(hù)

RPC的配合比（所用材料的用量均以質(zhì)量計(jì)，除特別說明外，下同）見表3。先將稱量好的硅灰、水泥和石英砂干拌3min；再將稱好的高效減水劑溶入水中加入，攪拌3min；攪拌完畢后，裝模。本試驗(yàn)采用40mm× 40mm×160mm試模，裝模時(shí)分兩層裝，裝完第一層后在水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)120次后裝第二層，全部裝完后再在水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)120次刮平成型［6］。試件成型后帶模放入溫度20±2℃、濕度大于90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，24h后拆模，然后放入80±5℃的蒸汽中養(yǎng)護(hù)2d，取出冷卻至室溫后測其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

表3　 RPC配合比

1.2.2強(qiáng)度測試

強(qiáng)度測試參照GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）法》，采用濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠制造的WEW-600B微機(jī)屏顯液壓萬能試驗(yàn)機(jī)和美國英斯特朗公司的Instron 5567型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

1.2.3顆粒粒度分析

采用美國APS-100粒度分析儀對(duì)不同預(yù)混方式的粉料進(jìn)行顆粒粒度分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

本文先后考察了不同預(yù)混方式——無預(yù)混方式、混料機(jī)預(yù)混方式、球磨機(jī)預(yù)混方式，以期獲得原料的最佳均勻分散效果。無預(yù)混方式即不對(duì)原料進(jìn)行預(yù)混，混料機(jī)預(yù)混方式是采用咸陽金宏通用機(jī)械有限公司的VH55型V型混合機(jī)對(duì)原料進(jìn)行混合，球磨機(jī)預(yù)混方式是采用上海市新建機(jī)器廠制造的3M05型 Φ500mm×500mm試驗(yàn)球磨機(jī)對(duì)原料進(jìn)行短時(shí)間混合。三種預(yù)混方式按上列次序依次記為I、II、III。

圖1為VH55型V型混合機(jī)的照片；圖2為球磨機(jī)預(yù)混方式所采用3M05型Φ500mm×500mm試驗(yàn)球磨機(jī)的照片，球磨機(jī)采用的研磨體材料為高耐磨合金鋼，研磨體的尺寸、個(gè)數(shù)與質(zhì)量詳見表4。

圖1　 VH55型V型混合機(jī)

圖2　 3M05型球磨機(jī)

表4　研磨體的規(guī)格、個(gè)數(shù)與質(zhì)量

不言而喻，預(yù)混方式III對(duì)物料施加的剪切和擠壓力最大，雖然可能達(dá)到較好的混合效果，但也可能會(huì)改變?cè)锪系牧椒植?。為此試?yàn)使用粒度分析進(jìn)行了考察。圖3和圖4是混料機(jī)混料5min的粒度曲線和球磨機(jī)混料5min的粒度曲線。

圖3　混料機(jī)混料5min的粒度曲線

圖4　球磨機(jī)混料5min的粒度曲線

由圖可見，無論是混料機(jī)混料還是球磨機(jī)混料，顆粒組成都是在1μm～1000μm之間，都具有雙峰分布，第一個(gè)峰代表粉末細(xì)顆粒，第二個(gè)峰代表砂子粗顆粒。兩種工藝的細(xì)顆粒峰值沒有變化，但球磨混料細(xì)顆粒峰面積增大了，而第二個(gè)峰值向小粒徑移動(dòng)，而且峰面積減小了，這說明經(jīng)過短時(shí)間球磨混合后，細(xì)顆粒有所增多、粗顆粒有所減少。確切地說，對(duì)于預(yù)混方式II而言，其粒度分析測得的表面積平均粒徑為22.68um，體積平均粒徑為185.36um；而對(duì)于預(yù)混方式III而言，其表面積平均粒徑為19.18um，體積平均粒徑為102.36um。這說明，一些粗大的砂粒在球磨過程中，被進(jìn)一步粉碎，導(dǎo)致了平均粒徑的減小。

為了研究以上三種預(yù)混方式對(duì)水泥基復(fù)合材料性能的影響，在相同配合比的前提下，分別成型了不同預(yù)混方式的試件，并進(jìn)行強(qiáng)度測試。三種預(yù)混方式的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。通過攪拌后的膠結(jié)料的強(qiáng)度值，發(fā)現(xiàn)三種預(yù)混方式的增強(qiáng)效果排序如下：球磨機(jī)預(yù)混方式＞混料機(jī)預(yù)混方式＞無預(yù)混方式。

圖5　不同預(yù)混方式的強(qiáng)度結(jié)果值

如圖5所示，對(duì)于抗折強(qiáng)度而言，三種預(yù)混方式的試驗(yàn)結(jié)果差別不大；對(duì)于抗壓強(qiáng)度，球磨機(jī)預(yù)混方式的最好，混料機(jī)預(yù)混方式的其次，無預(yù)混方式的最差，球磨機(jī)預(yù)混方式和混料機(jī)預(yù)混方式的差不多，但都明顯優(yōu)于無預(yù)混方式的。這說明混料機(jī)預(yù)混方式還是提高了物料的均勻性，因此其抗壓強(qiáng)度要大于無預(yù)混方式的。而球磨機(jī)預(yù)混方式不僅改善了物料的均勻性，而且在一定程度上是將顆粒細(xì)化了，尤其是“粗顆?！鄙埃⒎菃渭兊幕旌咸幚?。雖然粉磨可以進(jìn)一步提高粉料的分散均勻性，但粉磨也會(huì)帶來表面積增大，需水量增加，從而導(dǎo)致水灰比增大，強(qiáng)度有所下降，部分地抵消了提高粉料的分散均勻性所導(dǎo)致的強(qiáng)度增長，這就是球磨機(jī)預(yù)混方式和混料機(jī)預(yù)混方式力學(xué)性能差別不大的原因。

3　結(jié)論

⑴在相同配合比和投料次序的前提下，研究了三種粉料預(yù)混方式對(duì)RPC強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，球磨機(jī)預(yù)混方式和混料機(jī)預(yù)混方式可提高RPC的抗壓強(qiáng)度，但對(duì)抗折強(qiáng)度效果不明顯。

⑵顆粒分析表明，球磨機(jī)預(yù)混后，物料的平均粒徑減小，因此球磨機(jī)預(yù)混方式不僅改善了物料的均勻性，而且在一定程度上將顆粒細(xì)化了，尤其是“粗顆?！鄙?，而并非單純的混合處理?！?/p>

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