顆粒級配對RPC 流變性能的影響

朱小芬

（廣州大學土木學院）

0 引言

1993年法國的BOUYGUES 公司以水泥為基材，采用水泥、硅灰、細砂、石英粉、高效塑化劑等組分，成功研制出密實度高、流動性好，且抗壓強度達200MPa-800MPa的高強度活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）[1]。自此，RPC 被廣泛應用于石油、核電、市政、海洋工程以及軍事工程等眾多領域中[2]。1995年法國的Pierre Richard 等人在對RPC 原材料、工藝成型、養(yǎng)護制度的研究中指出通過優(yōu)化顆粒混合物來提高密實度[3]，本工作主要進行顆粒級配優(yōu)化，并探討其對RPC 漿體流動性的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗材料包括P·I 42.5 硅酸鹽水泥、粗石英砂（16 目）、中石英砂（32 目）、細石英粉（150 目）、硅灰、Basf 減水劑（固含量為50%）。銅鍍鋼纖維（直徑為0.2mm，長度為12mm）。

1.2 實驗方法

⑴試樣的制作

粗石英砂、中石英砂和細石英砂粉堆積實驗配合比如表1 所示。

RPC 流變實驗的配合比如表2 所示。

實驗中選用膠砂攪拌機進行攪拌，先按所設計配合比稱好實驗所需材料放置備用，將減水劑和水攪拌均勻放置備用。首先將水泥，硅灰，砂都倒入膠砂攪拌機中，干攪2 分鐘后倒入稱好的鋼纖維繼續(xù)攪拌至。然后將配置好的溶液倒入攪拌機中，進行標準攪拌。

⑵石英砂堆積實驗

表1 粗石英砂、中石英砂和石英粉相對占比

表2 流變實驗RPC 配合比

為了使石英砂的堆積密度達到最優(yōu)化，實驗采用粗石英砂（16 目）、中石英砂（32 目）、細石英粉（150 目）進行堆積實驗，具體實驗結果見圖3、圖4。

⑶RPC 漿體流變實驗

采用圖1 所示的BrookfieldR/S-SST 流變儀測定新鮮漿體的流變學參數(shù)(屈服應力和塑性粘度)。加載過程包括預剪切階段和數(shù)據(jù)采集階段（如圖2）[4]。預剪切階段:在漿體攪拌成型之后，將漿體倒入450ml 燒杯中固定在試驗臺上，靜置30s，預剪切過程控制剪切速度在100s 內(nèi)從0 增大至25s-1，然后葉片開始以25s-1的恒定速度旋轉60s，再在100s 內(nèi)下降至0，通過預剪切使各組砂漿在流變性測試前獲得相同的剪切狀態(tài)；數(shù)據(jù)采集階段:預剪切階段后，靜置60S，然后在100s 內(nèi)線性增加到25s-1，最后在100s 內(nèi)下降到0s-1。

圖1

圖2

2 實驗結果與討論

2.1 顆粒堆積實驗

本次實驗共設計了緊密堆積與自然堆積共20 組實驗，每組實驗得相應質量數(shù)據(jù)，通過相應計算得圖3、圖4。

圖3 不同徑粒級配下的自然堆積密度

圖4 不同徑粒級配下的緊密堆積密度

由圖3 可知，當中石英砂參量為0 時，三種徑粒的石英砂混合體系的堆積密度呈現(xiàn)出隨著石英粉的逐漸加入先增加后降低趨勢，且變化幅度較為明顯，當粗石英砂和石英粉的相對占比為1:1 相同時，石英砂混合體系的自然堆積密實達到最大為1.446。粗石英砂占比大于0.5 時，隨著石英粉含量的增加，作為細骨料的石英粉填充進由粗石英砂形成的“骨架”結構體系中，使得石英砂的混合體系的堆積密實度隨著石英粉占比的增加而逐漸升高。當粗石英砂占比超過小于0.5 時，此時石英粉在石英砂的混合體系中占主導位置，而粗石英砂顆粒則作為粗骨料隨機分散在石英粉散體中，粗石英砂和石英粉之間因未緊密嵌合而產(chǎn)生了松動效應，因此產(chǎn)生了隨著石英粉含量的增加而逐漸降低得現(xiàn)象。由圖4 中可知，當中石英砂參量為0 時，在緊密堆積狀態(tài)下，當粗石英砂和石英粉參量相對占比為4:6 時，體系的堆積密實達到最大1.069，這是由于震動使得粗石英砂與石英粉之間緊密更強，因此相對于松散堆積石英粉含量50%，緊密堆積下當石英粉含量增加到60%時，緊密堆積達到最大。

由圖3、圖4 可知，隨著中石英砂含量的逐漸增加石英砂混合體系堆積密度整體呈下降趨勢。中石英砂在體系中，其徑粒大小處于粗石英砂和石英粉之間，填充效果沒有石英粉好，比表面積較粗石英砂大，從而使得顆粒與顆粒間的得嵌合更為松動，因此產(chǎn)生了隨著中石英砂含量的逐漸增加堆積密度整體呈下降趨勢。

2.2 堆積密度對RPC 流變特性的影響

改進的Bingham 模型[5]常被用作新鮮混凝土的流變模型，見式⑴和式⑵。是根據(jù)改良的Bingham 流變模型擬合了不同粗石英砂和細沙配比的RPC 漿體的流變曲線，擬合數(shù)據(jù)表現(xiàn)出較高的一致性。表3 列出了不同水灰比下新鮮RPC 漿體的屈服應力和塑性粘度，表4 列出了不同顆粒級配下RPC 漿體的塑性粘度。

表3 不同水灰比RPC 的流變參數(shù)

表4 不同顆粒級配RPC 的流變參數(shù)

式中：τ 是剪切應力；τ0是屈服剪切應力；μ 是塑性粘度；γ′是剪切速率；c 是回歸系數(shù)。

RPC 試樣SS1 的流變曲線如圖5 所示，從圖中可以看出向上和向下的曲線構成典型的滯回曲線，表示RPC漿體內(nèi)部絮凝結構的改變。由于水灰比對RPC 流變曲線的向下曲線更能很好的顯示出RPC 的流變性，因此我們該實驗研究使用向下階段曲線來進行分析不同水灰比RPC 漿體的流變特性（圖6）。由于顆粒級配下的RPC 流變曲線上升階段能很好的便顯出RPC 的流變性[6]，因此此次實驗研究使用上升階段曲線來進行分析不同顆粒級配下新鮮RPC 漿體的流變特性。由于鋼纖維的加入使得RPC 進行流變實驗時，鋼纖維與葉片之間的碰撞會產(chǎn)生一些異常突起的點，因此在此階段做了一定的優(yōu)化處理。圖7 為不同顆粒級配下RPC 漿體的流變曲線。

由表3 可知，隨著水灰比的增大，RPC 漿體的相應的塑性粘度是逐漸減小的趨勢，對應的屈服應力整體上是逐漸增大的，這是由于隨著水灰比越大，RPC 漿體中的自由水含量越多，游離的自由水使得漿體中產(chǎn)生水膜，漿體中顆粒與顆粒間的距離由于水膜而增大，減小了漿體的內(nèi)聚力，從而導致漿體的塑性粘度下降，流動度增大。

圖5 SS1 的RPC 流變曲線

圖6 不同水灰比的RPC 的流變曲線(下降段)

圖7 不同顆粒級配下RPC 的流變曲線(上升段)

由表4 可知，從整體上來看，RPC 的屈服應力是非常小的幾乎都為零，這說明在該實驗中RPC 漿體本身水灰比較小等原因導致流動性較差，且隨著細石英砂含量的逐漸增多，顯著增加了漿體的塑性黏度，這是因為細石英砂相較粗石英砂，具有更大的比表面積，在RPC 漿體中消耗了更多的水來包裹和濕潤顆粒表面，因此更有助于顆粒之間網(wǎng)絡結構和絮凝結構的形成，從而使得漿體的塑性粘度顯著增加[7]。

3 結論

通過本實驗的研究，得出如下結論：

⑴隨著石英粉含量的增加，石英砂的混合體系的堆積密度會呈現(xiàn)出明顯的先增加后減小趨勢。

⑵中石英砂的摻入并未提高石英砂混合體系的相對密度，選擇粗石英砂與石英粉更能實現(xiàn)密實度較好的RPC。

⑶在本實驗條件下，中石英砂含量為0，粗石英砂與細石英砂相對占比在10:0～7:3 的范圍內(nèi)，隨著體系中石英粉含量的增加，RPC 的密實度相對提高的同時，RPC 漿體的塑性黏度會顯著增加。