鋼纖維摻量對RPC流動性和強度的影響

李小森 程從密 莊玉海

（1廣州大學 土木工程學院；2廣州市城市建設開發(fā)有限公司）

0 引言

活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete，簡稱RPC)作為一種超高性能、高韌性的復合水泥基材料[1]。RPC通過使用級配優(yōu)質的細骨料，提高堆積密度、減小空隙率，降低由粗骨料的使用而產生的空隙與微裂縫等，通過調整配合比，使其總體的缺陷程度降低到最小，使力學性能與耐久性能等達到理想狀態(tài)。由于活性粉末混凝土對水分子吸收特性，氯離子擴散速率相比于其他混凝土得到抑制，RPC在鹽堿環(huán)境中抗腐蝕能力和耐磨性都高于普通混凝土和高性能混凝土。

自上世紀90年代RPC問世以來，由于其優(yōu)異的性能，已被廣泛應用于土木、市政、核電、石油、海洋和軍事等工程領域。國內外學者近年來在纖維RPC研究上收獲豐碩，覃維祖團隊率先研究了RPC堆積密度、漿體勻質性與鋼纖維摻量對強度和抗?jié)B性能的影響[2]。解放軍理工大學研究了鋼纖維摻入改善了RPC抗沖擊性能，因此，鋼纖維RPC的開發(fā)研制，對于抗爆工程和抗震工程的安全可靠具有十分重要的意義[3]。J.Dugat團隊通過RPC200和RPC800的基本力學性能試驗，深入剖析RPC的一些基本力學性能指標，如本構關系、彈性模量、抗彎拉強度和材料斷裂韌性等[4]。一些研究人員定期宣布，他們已經成功地制造出抗壓強度非常高的混凝土，但必須承認，除了巴赫提出的“致密水泥/超細顆?；牧稀保―SP）概念和Richard和Cheyrezy提出的反應性粉末概念（RPC）之外，很少轉化為的工業(yè)應用[5]。

對于纖維RPC增強材料而言，其水膠比一般較低，因此如何保證其流動性能夠滿足實際需求，是一個需要解決的問題；另有團隊質疑在強度增加的同時容重也會大幅度增加，自身的承載力也會受到限制。本實驗通過改變鋼纖維體積摻量來研究適宜水膠比條件下RPC的流動性、鋼纖維摻量與強度的經驗公式。

1 試驗材料與方法

1.1 RPC的基本原材料

⑴鋼纖維：鍍銅鋼纖維，長度13mm，直徑0.22mm，河北致泰鋼纖維有限公司。

⑵水泥：P.I42.5級普通硅酸鹽水泥，撫順水泥有限公司。

⑶硅灰：SiO2含量大于93%的超細活性硅灰，比表面積為20000m2/㎏，相對密度2.21，粒徑范圍：0.1～1.0μm，廣東秦時新能源有限公司。

圖1 鍍銅鋼纖維

圖2 粗石英砂

圖3 細石英砂

圖4 石英粉

表1 水泥、硅灰、石英粉和石英砂化學成分 （%）

⑷石英砂：16～26目的粗石英砂，70-120目細石英砂，1250目的石英粉，主要成分為SiO2；江門華興有限公司。

⑸減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率大于35%，固含量為50%。

1.2 配合比設計

試驗分別探討了不同鋼纖維摻量對RPC坍落擴展度、抗壓強度、抗折強度的影響，水膠比為0.20，鍍銅鋼纖維按照體積摻量的形式摻入基體，鋼纖維體積摻量為0～3.0%，長徑比為60，外加劑為固體含量，實驗配合比見表2。

表2 RPC配合比

1.3 試驗方法

漿體均勻攪拌且時間控制在5min以內，倒入尺寸為40mm×40mm×160mm的模具內，漿體振動成型后移至養(yǎng)護室（20±2℃）24小時后進行拆模，將試件放置蒸箱中連續(xù)蒸養(yǎng)48小時，養(yǎng)護后的試件在測試前取出，室溫放置2小時后進行強度試驗。參照GB/P2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行RPC流動性試驗，參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行RPC強度試驗。

2 結果與討論

2.1 同水膠比條件下纖維摻量對坍落擴展度的影響

RPC水膠比較低，纖維摻量不僅要考慮強度因素還要考慮其流動性要滿足使用需求，本文用坍落擴展度衡量拌合物流動性，本試驗中圖5坍落擴展度在150s左右基本停止擴展，說明纖維增強RPC在靜止后表面迅速凝結停止擴展，從擴展速度上看，隨著鋼纖維摻量的增加擴展速度呈下降趨勢。圖6為150s時RPC的坍落擴展度，隨著鋼纖維摻量的增加，RPC漿體的流動性降低；3.0%的鋼纖維摻量較不摻鋼纖維的漿體流動性下降25.0%且下降速度高于第1.0%～2.5%鋼纖維摻量的流動性，3.0%鋼纖維摻量的漿體的坍落擴展度為13mm，流動性與其他鋼纖維摻量的漿體相比較差。通過觀察靜止后漿體，可發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量的增加，漿體粘稠度增加，鋼纖維在漿體內呈現(xiàn)三維分布，纖維之間的相互作用力阻礙漿體進一步坍落。同時，當鋼纖維摻量大于2.5%時，中心部位的鋼纖維在RPC漿體中具有環(huán)箍作用，即在進行流動性測試時，鋼纖維約束RPC漿體不再移動，邊緣部分鋼纖維較少或沒有，擴散后的漿體呈現(xiàn)出不均勻的狀態(tài)[6]。因此，考慮到漿體的均勻程度，當鋼纖維摻量為2.0%左右時，RPC漿體的流動性能仍處于較為理想的狀態(tài)。

圖5 RPC擴展度曲線

圖6 RPC擴展度與鋼纖維摻量的關系

2.2 同水膠比條件下纖維摻量對RPC強度的影響

2.2.1 RPC經驗公式、抗壓曲線與鋼纖維摻量的關系

圖7所示為RPC抗壓強度與鋼纖維摻量的折線圖。由折線圖可以看出，鋼纖維摻量與抗壓強度的變化曲線并不呈現(xiàn)單一變化趨勢；從整體分析，摻入鋼纖維的RPC相對于無纖維基準砂漿抗壓強度明顯提高；對折線圖分段分析，鋼纖維摻量從0%增至0.5%其抗壓強度增長29.8MPa，平均增長速率為59.8，低摻量鋼纖維對RPC抗壓強度增強效果顯著；鋼纖維摻量從0.5%增至2.5%其抗壓強度增長35.7MPa，平均增長率為17.9，增長速率相對緩慢；鋼纖維從2.5%增至3.0%時，其抗壓強從223.5MPa降到208.7MPa，抗壓強度降低了6.6%。在追求高強度RPC時不能只依賴鋼纖維摻量，當鋼纖維摻量為3%時，其抗壓強度出現(xiàn)明顯的下降趨勢。

圖7 RPC抗壓強度與鋼纖維摻量的關系

歸一化處理0%至2.5%鋼纖維摻量下RPC的抗壓強度，不同鋼纖維摻量RPC與無纖維基準砂漿的抗壓強度進行對比，得出相對抗壓強度散點圖，關系如圖8所示，在鋼纖維摻量為0%至2.5%時，其相對抗壓強度呈線性增長趨勢。

圖8 相對抗壓強度與鋼纖維摻量的關系

式中：

ρ——鋼纖維摻量，%；

fcu——RPC抗壓強度，MPa；

fc——無纖維基準砂漿抗壓強度，MPa。

RPC抗折強度與鋼纖維摻量的關系曲線如圖9所示，可以看出在0%至3.0%鋼纖維摻量下抗折強度的曲線變化趨勢單一且呈線性增長，當鋼纖維摻量從0%增加至3.0%時，抗折強度提高明顯，由無纖維基準砂漿的17.1MPa增長至47.3MPa,同比增長177%且增長速率為10.0；本試驗中抗折強度并未出現(xiàn)下降趨勢，說明鋼纖維摻量在0～3.0%范圍內對抗折強度一直是增強作用。

圖9 抗折強度與鋼纖維摻量的關系

歸一化處理0%至3.0%鋼纖維摻量下RPC的抗折強度，不同鋼纖維摻量RPC與無纖維基準砂漿的抗折強度進行對比，得出相對抗折強度散點圖，關系如圖10所示；在鋼纖維摻量為0%至3.0%時，其相對抗折強度曲線呈線性增長趨勢。

圖10 不同鋼纖維摻量RPC相對抗折強度

式中：

ρ——鋼纖維摻量，%；

fts——RPC抗折強度,MPa；

ff——無纖維基準砂漿抗折強度，MPa。

2.2.2 鋼纖維摻量對RPC強度影響的細觀結構分析

圖11為鋼纖維摻量0.5%與3.0%的RPC斷面顯微圖，當少量鋼纖維摻量時，RPC總孔隙率下降，孔體積減少，混凝土的孔結構得到改善。當較高鋼纖維摻量時，漿體和易性變差，難以振搗密實，混凝土的總孔隙率、孔體積呈現(xiàn)增大的趨勢，摻量過大時，又會在混凝土內部出現(xiàn)纖維的結團現(xiàn)象，造成孔結構分布不均勻，總孔隙率增大[7]。故過大鋼纖維摻量會導致抗壓強度會有所降低。

圖11 不同鋼纖維摻量RPC斷面顯微圖

實驗結果表明單摻鋼纖維時，隨著纖維體積摻量的增加，抗折強度隨之提高[8]。這與鋼纖維的分布規(guī)律也有密切關聯(lián)，拌合物從上而下倒入磨具中，受力方向豎直向下，鋼纖維在混凝土中趨于沿垂直于成型方向分布的規(guī)律，在試件抗折時鋼纖維與受力方向垂直，抗壓時鋼纖維與受力方向平行，鋼纖維在與受力方向垂直方向更能發(fā)揮其力學作用[9]。從擬合公式的增長率來看，抗折強度的增長率大于抗壓強度的增長率，故鋼纖維對RPC試件抗折強度的增強作用大于RPC試件抗壓強度，這是因為鋼纖維的增強作用只有在試件受力達到極限強度之后，裂縫擴展到水泥石之中才得以發(fā)揮[10]。雖鋼纖維體積摻量在0～3.0%并未出現(xiàn)抗折強度的降低，但過多的鋼纖維摻入必然會使試塊空隙率增加鋼纖維不規(guī)則聚團。鋼纖維的摻入極大優(yōu)化了RPC的抗折強度，但過量的鋼纖維摻入會導致抗折強度的增加幅度有所降低，應合理控制鋼纖維摻入量。

2.3 同水膠比條件下鋼纖維摻量對折壓比的影響

圖12所示，折壓比（fcr=fts/fcu）隨鋼纖維摻量（ρ）增加而增加，增長速率也隨之增加；折壓比作為延性和抗裂性能的指標，可以得出隨著鋼纖維摻量的增加RPC的延性和抗裂性能也隨之增強。少量鋼纖維摻入，折壓比增長不明顯，少量鋼纖維的摻入對抗折、抗壓強度都有明顯的貢獻；鋼纖維摻量2.0%至3.0%的折壓比增長率大于0.5%至2.0%的鋼纖維摻量，過大鋼纖維的摻入導致抗壓強度的增長緩慢。

圖12 RPC的折壓比與鋼纖維摻量的關系

對鋼纖維摻量為0～3.0%的RPC折壓比數(shù)據進行歸一化處理，處理結果如圖12所示。

根據圖12擬合鋼纖維摻量（ρ）與折壓比（fcr=fts/fcu）的經驗公式：

式中：

fcr——折壓比；

ρ——鋼纖維摻量，%。

試驗中可以觀察到鋼纖維摻量為0%的RPC在抗折試驗中出現(xiàn)脆斷，抗壓試驗中出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，裂紋發(fā)展迅速，從出現(xiàn)裂縫到斷裂迅速完成，使試件失去力學性能不能繼續(xù)工作；隨著鋼纖維摻量的增加在抗折試驗中RPC會出現(xiàn)鋼纖維拔出，鋼纖維拔出聲隨纖維摻量增加而增加，抗折強度試驗中，剛開始加載時，表面裂縫不明顯；當達到約60%極限荷載時，表面細微裂縫開始出現(xiàn)并緩慢發(fā)展，同時發(fā)出鋼纖維斷裂聲；達到極限荷載時，試件中心處附近出現(xiàn)主裂縫，同時看到裂縫處從RPC中拔出的鋼纖維，裂縫順著鋼纖維方向繼續(xù)發(fā)展直至試件破壞。摻入鋼纖維的試件抗折抗壓試驗均不會出現(xiàn)脆斷與爆裂現(xiàn)象，裂縫從產生到發(fā)展使試件失去力學性能過程緩慢且裂縫較少，其仍然沒有發(fā)生整體性破壞，試驗結果表明，摻有鋼纖維的RPC破壞后的試件仍有一定的工作性能。

3 結論

⑴鋼纖維摻量增加，RPC漿體坍落擴展度呈現(xiàn)快慢快的下降趨勢，鋼纖維摻量在3.0%時流動性較差，坍落擴展度為138mm。

⑷鋼纖維摻量為0～3.0%時，RPC的折壓比（fcr）與鋼纖維摻量（ρ）的經驗關系式為：

⑸根據經濟、強度和流動性綜合分析，RPC的鋼纖維適宜摻量為2.0%左右。