大西客運(yùn)專線活性粉末混凝土(RPC130)配制試驗(yàn)研究

王克文

(中鐵十二局集團(tuán)有限公司大西鐵路客運(yùn)專線工程指揮部，山西臨汾 041000)

1 概述

大西客運(yùn)專線是國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重要組成部分，線路北起山西省大同市，自北向南貫穿山西省中部后，跨黃河進(jìn)入陜西省渭南市，經(jīng)臨潼至西安。線路正線全長859 km。在大西客運(yùn)專線建設(shè)中，存在大量的橋梁工程。以往客運(yùn)專線橋梁使用的人行道步行板與電纜槽蓋板為普通混凝土制成，它存在覆蓋時(shí)截面高、自重大且安裝和更換不方便等缺點(diǎn)。針對這些特點(diǎn)，大西客運(yùn)專線采用RPC作為制作人行道步行板與電纜槽蓋板的材料。

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，縮寫為RPC)是應(yīng)用于我國鐵路建設(shè)的一項(xiàng)新技術(shù)，與過去應(yīng)用材料相比，其質(zhì)量輕，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度高，韌性好、有極好的抗沖磨和抗?jié)B透性能，安裝方便且具有良好的使用性能和耐久性。

活性粉末混凝土主要組成為級配良好的石英砂、水泥、礦物外加劑、高效減水劑、微鋼纖維，其成型過程中可采取預(yù)壓、加熱等養(yǎng)護(hù)成型工藝。筆者進(jìn)行了活性粉末混凝土(RPC130)的配制試驗(yàn)，得出RPC130配合比，并通過多次試驗(yàn)比較分析了水膠比、砂膠比、減水劑摻量、硅灰占膠凝材料比等參數(shù)對RPC的流動(dòng)度以及抗折、抗壓強(qiáng)度的影響。

2 RPC130的配制原理

2.1 原材料的選用

RPC與混凝土不同的主要原因之一就是選用的原材料。RPC選用鍍銅鋼纖維作為混凝土的骨架結(jié)構(gòu)，而不是普通混凝土所用的石子，細(xì)骨料選用多粒徑的石英砂，粒徑分別為1.0 ～0.63、0.63 ～0.315、0.315～0.16、0.16 mm 以下［1］，外加劑采用高性能聚羧酸且要求減水率大于29%。這樣做的主要原因是:普通混凝土采用石子的母巖抗壓強(qiáng)度與石子本身的彈性模量無法滿足RPC130混凝土的需求，且會(huì)在混凝土中造成粘結(jié)時(shí)的間隙，當(dāng)應(yīng)力、溫度發(fā)生變化時(shí)，骨料和膠材凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)度的水泥石的變形不一致，致使接口處形成細(xì)微的裂縫;另外，在普通混凝土硬化前，水泥漿體中的水分向親水的集料表面遷移，在集料的表面形成一層水膜，從而在硬化的混凝上中留下細(xì)小的縫隙;此外，漿體泌水也會(huì)在集料下表面形成水囊。因此，混凝土在承受荷載作用以前界面處就充滿了微裂縫;受到荷載作用以后，也易出現(xiàn)微裂縫。RPC骨架采用直徑0.18～0.23 mm、長度為12～14 mm的鋼纖維，這樣在很大程度上增加了混凝土的抗剪性能，且細(xì)骨料采用SiO2含量 ＞97%的石英砂，不僅細(xì)骨料的堅(jiān)固性很高，且在與水泥漿結(jié)合時(shí)，形成被水泥漿包裹的砂漿，石英砂會(huì)隨著水泥漿的移動(dòng)而移動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生裂縫。研究表明，微裂縫寬度與被水泥漿包裹的顆粒直徑成正比;在R PC中，骨料的直徑減小了50倍，可以極大地減小由力學(xué)(外荷載)、化學(xué)(自收加熱養(yǎng)護(hù)，由于砂漿與骨料的膨脹率不同)引起的微裂縫的寬度［2］。

2.2 采用最大密實(shí)理論模型選擇材料直徑

RPC采用減水率高達(dá)29%以上的減水劑，且水膠比小于0.20，這樣很大程度上就減少了用水量，但膠凝材料并不能完全水化，所以強(qiáng)度產(chǎn)生的另一個(gè)方法就是采用最大密實(shí)理論。對粉末堆積的研究表明［3］，當(dāng)大小均勻的球形顆粒粉末倒入容器時(shí)，即使進(jìn)行面心立方或六方密堆排列，堆積密度也較低，一般小于7 4%。通過振動(dòng)可以提高堆積密度，但即使采用最仔細(xì)的振動(dòng)方式，最高振實(shí)密度也只能達(dá)到62.8%。所以為提高堆積密度，RPC采用不同粒徑的石英砂作為骨料，且膠材采用的水泥、粉煤灰、礦粉、硅灰也是按照在較大的均一的顆粒之間加入較小的顆粒，這樣就可以使直徑最大的球體堆積成最密填充，剩下的空隙依次由小直徑的球體填充下去，使球體間的空隙減小，從而達(dá)到最大密實(shí)狀態(tài)。

3 RPC配合比設(shè)計(jì)

查閱資料，選擇設(shè)計(jì)密度為2 500 kg/m3，膠材總量為1 150 kg，水膠比設(shè)計(jì)為 0.14，由于水膠比為0.14，所以外加劑摻量為膠材的4%，鋼纖維摻量為體積的10% ～14% 。所用原材料如下:山西襄汾鴻達(dá)建材生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥，陜西眾幫建材生產(chǎn)的I級粉煤灰，甘肅三遠(yuǎn)生產(chǎn)SiO2含量大于85%的硅灰，鄭州禹建渡銅鋼纖維，上海法拉德減水率大于29%的減水劑，河北廣信礦產(chǎn)生產(chǎn)的SiO2大于97%石英砂。

初步確定粉煤灰摻量為膠材總量的16%，硅灰占膠材總量的18%，水泥用量為 759 kg，石英砂為1 033 kg，鋼纖維為110 kg，其中石英砂由3種級配組成，分別為粗1.0～0.63 mm、中0.63～0.315 mm、細(xì)0.315 mm以下，其比例為粗:中:細(xì)=3∶5∶2。根據(jù)此配合比進(jìn)行試拌，測得坍落度為200 mm，并對其成型試件在加速養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)時(shí)溫度最高控制為80℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為72 h，試驗(yàn)結(jié)果如下:72 h抗壓強(qiáng)度為152 MPa，抗折強(qiáng)度為21.5 MPa。根據(jù)此結(jié)果保持條件不變，進(jìn)行如下試驗(yàn)。

(1)改變粉煤灰與硅灰占膠材總量的比例(表1)

表1 改變粉煤灰與硅灰比例的混凝土強(qiáng)度

(2)保持條件不變，對膠砂比進(jìn)行調(diào)整(表2)

表2 改變砂膠比的混凝土強(qiáng)度

(3)保持條件不變，改變鋼纖維的摻量(表3)

表3 改變鋼纖維摻量的混凝土強(qiáng)度

4 試驗(yàn)結(jié)果討論

當(dāng)條件保持不變的情況下，對粉煤灰與硅灰占膠材總量的比例進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)硅灰的比例增大時(shí)，RPC的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均有所增加，當(dāng)粉煤灰的比例增大時(shí)，RPC的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均有所減小(建議硅灰與粉煤灰占膠凝材料總量不宜超過40%)，但硅灰單價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出粉煤灰單價(jià)，所以在選取配合比的時(shí)候要綜合考慮。

當(dāng)條件保持不變的情況下，在一定范圍內(nèi)膠砂比增大時(shí)，RPC的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均有所增加。同樣考慮經(jīng)濟(jì)因素，選取配比時(shí)需要注意成本。本文選用膠砂比為1∶0.90。

當(dāng)條件保持不變的情況下，在一定范圍內(nèi)，鋼纖維摻量增大后RPC的抗折性能有較大的提高，強(qiáng)度略有增加。本文選用鋼纖維占體積的1.4%。

當(dāng)鋼纖維的摻量保持不變的情況下，硅灰摻量的增加對抗折強(qiáng)度有較大的提高，并且鋼纖維單價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出硅灰單價(jià)，所以要綜合考慮成本，根據(jù)原材料的單價(jià)選出最佳配比。

試驗(yàn)中，隨著粉煤灰所占膠材比例的增加，RPC的流動(dòng)性有所提高;隨著鋼纖維摻量的增加，RPC的流動(dòng)性有所降低，且會(huì)在現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用RPC的時(shí)候易造成鋼纖維沉底的現(xiàn)象。

綜合上述因素，選擇如下配合比為最終結(jié)果(質(zhì)量比):

水泥∶粉煤灰∶硅灰∶石英砂∶外加劑∶水∶鋼纖維=759∶207∶184∶1033∶46∶161∶110。

實(shí)際生產(chǎn)中，RPC的水膠比很小，這樣對減水劑的質(zhì)量和拌和的計(jì)量系統(tǒng)要求會(huì)很高，需注意。

大西客運(yùn)專線自2011年3月已有部分標(biāo)段開始使用自行研究的配合比生產(chǎn)RPC人行道步行板，其力學(xué)性能及外觀質(zhì)量完全達(dá)到一流水平。

5 結(jié)語

RPC作為一種新型的材料，由于其良好的力學(xué)性能與耐久性，將會(huì)越來越廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是配制RPC所需的部分原材料具有特殊性，這在一定程度上阻礙了其發(fā)展，比如:石英砂能否用干凈的河沙代替，鋼纖維能否用纖維代替，或者摻入礦物外加劑能否取得更好的工作性能等，這些都需要進(jìn)一步研究和探索。

［1］中華人民共和國鐵道部.科技基［2006］129號 客運(yùn)專線活性粉末混凝土(RPC)人行道擋板、蓋板暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］吳炎海，何雁斌.活性粉末混凝土(RPC200)的配制試驗(yàn)研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)2003(4):44-99.

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