活性粉末混凝土的組成及養(yǎng)護條件對其力學性能的影響

顧炳偉 ，尚寶亮 ，胡杰 ，萬鋒 ，趙龍偉

（1．淮海工學院 土木工程學院，江蘇 連云港 222005；2．連云港市墻體材料革新與建筑節(jié)能管理辦公室，江蘇 連云港 222000）

活性粉末混凝土作為一種高性能水泥基材料，自20世紀90年代問世以來，一直受到人們的關注[1-2]。其通過降低水膠比、提高骨料的細度、摻加礦物摻合料等來減小混凝土材料的孔隙、界面過渡區(qū)等內(nèi)部缺陷而使得混凝土獲得超高強度與優(yōu)異耐久性[3-5]。但傳統(tǒng)活性粉末混凝土的成本昂貴、工藝復雜，給其廣泛應用帶來一定困難[6]。因此，如何在保證其優(yōu)異性能的基礎上，擴大組成材料的選用范圍，降低活性粉末混凝土的成本，對促進其在工程上的廣泛應用具有十分重要的意義。

本研究通過加大工業(yè)廢渣微碳鉻鐵粉渣的摻量，改變細骨料的粒徑及用量等手段，以期采用常規(guī)的細骨料，大量摻配工業(yè)廢渣來實現(xiàn)活性粉末混凝土成本的降低，從而實現(xiàn)其在工程上的廣泛應用。

1 實驗

1.1 原材料

（1）水泥：江蘇贛榆歡敦P·O42.5水泥，28 d抗折、抗壓強度分別為 7.9、46.65 MPa。

（2）微碳鉻鐵粉渣：連云港亨鑫金屬制造有限公司的生產(chǎn)廢渣，主要化學成分見表1，XRD圖譜見圖1，其主要礦物成分為C2S，存在α'、α、β多個晶相，其次為鎂橄欖石以及鉻鐵礦、少量石英殘余。其六價鉻浸出濃度為0.06mg/L，放射性檢測內(nèi)照射指數(shù)IRa為0.02，外照射指數(shù)IY為0.04，均符合建材行業(yè)使用鉻渣標準（HJ/T 301—2007《鉻渣污染治理環(huán)境保護技術規(guī)范》、GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》的要求。微碳鉻鐵粉渣在105℃條件下烘干24 h后，由SM500X500型水泥試驗小磨球磨90 min，0.08 mm篩篩余為1.9%。

表1 微碳鉻鐵粉渣的主要化學成分 %

圖1 微碳鉻鐵粉渣的XRD圖譜

（3）砂：采用當?shù)禺a(chǎn)級配良好的河砂。使用前按照要求過篩。本試驗中除研究砂的粒徑對RPC的影響外，其它砂均過1.25 mm篩。

（4）鋼纖維：長度13 mm，波浪型，宜興市華源金屬纖維有限公司生產(chǎn)。

（5）硅灰：SiO2含量 98%，平均粒徑 0.15～0.20 μm，比表面積 15 000～20 000 m2/kg。

（6）減水劑：DC-WR2型聚羧酸高性能減水劑，白色粉末，北京德昌偉業(yè)建筑工程技術有限公司生產(chǎn)。

（7）水：自來水。

1.2 實驗過程

將水泥、砂、微碳鉻鐵粉渣、硅灰倒入攪拌鍋中，干拌1 min，然后取一半用水量的水將減水劑溶解，加入混勻的粉料中攪拌3 min，用剩余一半的水清洗溶解減水劑的容器后加入攪拌的漿體中再拌3 min。加入一半鋼纖維，攪拌3 min，再加入剩下的另一半鋼纖維，攪拌3 min。攪拌完成后，采用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的標準水泥膠砂三聯(lián)試模成型。注入拌和物后，在膠砂震動臺振動180 s。試件成型后標準養(yǎng)護24 h拆模，拆模后試件分別采用室內(nèi)自然養(yǎng)護（溫度14～25℃，相對濕度 65%～85%）、標準養(yǎng)護[溫度（20±1）℃，相對濕度≥95%]至28 d，90℃水中熱養(yǎng)護至3 d。養(yǎng)護至規(guī)定齡期的試件按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行力學性能測試，熱養(yǎng)護試件自然冷卻至室溫后進行力學性能測試。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 微碳鉻鐵粉渣摻量對RPC力學性能的影響

RPC 的基礎配比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（硅灰）∶m（減水劑）=1∶1∶0.3∶0.02，鋼纖維體積摻量為 2%，水與水泥和微碳鉻鐵粉渣總量之比為0.25，研究微碳鉻鐵粉渣摻量（按占水泥質(zhì)量計）對RPC強度的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同養(yǎng)護條件下微碳鉻鐵粉渣摻量對RPC力學性能的影響

由表2可知：RPC的力學性能與微碳鉻鐵粉渣摻量近于呈現(xiàn)負相關的特征。隨著微碳鉻鐵粉渣摻量的增加，RPC的強度逐漸降低，但當微碳鉻鐵粉渣摻量達到水泥質(zhì)量的120%時，采用90℃熱水養(yǎng)護的RPC抗壓強度仍高于90 MPa，即使采用相對較差的室內(nèi)自然養(yǎng)護方式，RPC的抗壓強度仍能達到60 MPa以上。不同養(yǎng)護方式對于RPC的強度發(fā)展貢獻不同，RPC的養(yǎng)護以90℃熱水養(yǎng)護最佳，標準養(yǎng)護次之，室內(nèi)自然養(yǎng)護最差。

2.2 砂用量對RPC力學性能的影響

普通混凝土的力學性能由于受到粗骨料周圍界面過渡區(qū)的影響而大大降低。相比于普通混凝土，RPC由于組分中沒有粗骨料，消除了粗骨料與水泥砂漿之間的界面過渡區(qū)，從而使其力學性能得到大大改善。但RPC中細骨料含量對其力學性能的影響仍是值得關注的焦點。

RPC 的基礎配比為：m（水泥）∶m（微碳鉻鐵粉渣）∶m（硅灰）∶m（減水劑）=1∶0.5∶0.3∶0.02，鋼纖維體積摻量為 2%，水與水泥和微碳鉻鐵粉渣總量之比為0.25，固定水泥用量，研究砂灰比（砂與水泥的質(zhì)量比）對RPC強度的影響，結(jié)果見表3。

由表3可知：隨著砂灰比增大，不同養(yǎng)護條件下RPC的抗折強度均呈先提高后降低的趨勢；90℃水養(yǎng)和室內(nèi)自然養(yǎng)護條件下，RPC的抗壓強度隨砂灰比的增大基本呈先提高后降低的趨勢；標準養(yǎng)護條件下，RPC的抗壓強度隨砂灰比的增大而提高?？傮w上，砂灰比為2.0時，RPC的力學性能較佳。

表3 不同養(yǎng)護條件下砂灰比對RPC力學性能的影響

2.3 砂的粒徑對RPC力學性能的影響

RPC中由于只有細骨料，其粒度較細，在混凝土內(nèi)部形成界面過渡區(qū)的幾率及范圍以及界面過渡區(qū)對RPC力學性能的影響可能較普通混凝土小得多。

RPC 的基礎配比為：m（水泥）∶m（微碳鉻鐵粉渣）∶m（硅灰）∶m（減水劑）=1∶0.5∶0.3∶0.02，鋼纖維體積摻量為 2%，水與水泥和微碳鉻鐵粉渣總量之比為0.25。在相同細骨料用量的前提下，細骨料最大粒徑對RPC力學性能的影響見表4。

表4 不同養(yǎng)護條件下砂的粒徑對RPC力學性能的影響

由表4可知：細骨料的最大粒徑與RPC的力學性能存在著顯著的關聯(lián)。RPC使用在整個砂粒級范圍內(nèi)各粒級顆粒齊全的細骨料，砂的級配較好，RPC的力學性能也較高；隨著細骨料中較粗顆粒的篩出，細骨料的堆積密實程度有所下降，RPC的力學性能下降，這一點在90℃水養(yǎng)條件下RPC的強度表現(xiàn)尤其明顯，對于標準養(yǎng)護和室內(nèi)自然養(yǎng)護也顯示出相似的規(guī)律，但變化不如90℃水養(yǎng)顯著。細骨料的最大粒徑與級配對于RPC力學性能的影響還與養(yǎng)護方式有關，在90℃水養(yǎng)、標準養(yǎng)護、室內(nèi)自然養(yǎng)護3種方式中，均是90℃水養(yǎng)效果最好，RPC的強度最高，標準養(yǎng)護效果次之，室內(nèi)自然養(yǎng)護效果最差，強度最低。

2.4 鋼纖維摻量對RPC力學性能的影響

未摻纖維的RPC具有極高的抗壓強度，但其韌性稍差，摻入微細的鋼纖維可以明顯改善RPC的韌性。RPC的基礎配比為：m（水泥）∶m（微碳鉻鐵粉渣）∶m（硅灰）∶m（減水劑）=1∶0.5∶0.3∶0.02，砂灰比為 1.0，水與水泥和微碳鉻鐵粉渣總量之比為0.25。鋼纖維摻量對RPC力學性能的影響見表5。

表5 不同養(yǎng)護條件下鋼纖維摻量對RPC力學性能的影響

由表5可知：隨著鋼纖維摻量的增加，3種養(yǎng)護方式下RPC的抗折、抗壓強度均呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，鋼纖維體積摻量為2%時強度最高。鋼纖維摻量過高時，RPC的抗折、抗壓強度下降，這可能與鋼纖維的加入導致RPC的流動性降低，拌制過程中鋼纖維摻量高的拌合物明顯干澀，鋼纖維分布不均勻，成型困難，密實度差有關，因而鋼纖維的特性沒有得到充分的發(fā)揮，最終導致RPC的力學性能反而變差。因此，從經(jīng)濟角度考慮，鋼纖維的體積摻量宜取2%。

3 結(jié)論

（1）RPC的強度隨著微碳鉻鐵粉渣摻量的增加而降低，但當微碳鉻鐵粉渣摻量達到水泥質(zhì)量的120%時，采用90℃熱水養(yǎng)護的RPC抗壓強度仍高于90MPa，即使采用相對較差的室內(nèi)自然養(yǎng)護方式，RPC的抗壓強度仍能達到60MPa以上。

（2）細骨料的最大粒徑與用量影響RPC的力學性能。RPC的強度隨著級配良好的砂的最大粒徑減小而降低；隨著砂用量的增加，RPC的強度基本呈先提高后降低的趨勢，最佳砂灰比為2.0。

（3）隨著鋼纖維摻量的增加，RPC的強度先提高后降低，鋼纖維的最佳體積摻量為2%。

（4）不同養(yǎng)護方式對RPC的強度存在顯著的影響。RPC的強度以90℃水養(yǎng)最高，標準養(yǎng)護效果次之，室內(nèi)自然養(yǎng)護效果最差，強度最低。

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