采用機(jī)制砂制備RPC100的抗壓和抗折性能研究

熊竑瑞 陳 杰 鄔文祥 徐國林

（西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650244）

0 引言

活性粉末混凝土（RPC）是一種新型材料，具有優(yōu)異的工作性能，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視與關(guān)注，在道路、市政、橋梁、核電和軍事工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在RPC的制備中，效仿高致密水泥基均勻體系，將其中的粗骨料剔除，換用最大粒徑為400μm~600μm的石英砂作為骨料，摻入適量短纖維和硅灰等活性礦物摻料，通過成型施壓、熱養(yǎng)護(hù)等工藝制備性能優(yōu)異的水泥基復(fù)合材料。雖然RPC具有優(yōu)異的性能，但是其采用的是特殊的制備原料和特殊養(yǎng)護(hù)工藝，增加了RPC的成本。在制備RPC的過程中，集料一般采用石英礦石制備的石英砂，這是導(dǎo)致RPC成本增加的原因之一，如果將石英砂替換為更易獲得的機(jī)制砂，則可以降低成本。

陳毅卓等人嘗試用同摻量的標(biāo)準(zhǔn)砂代替石英砂制備RPC，結(jié)果表明，在抗壓強(qiáng)度上，代替部分石英砂制備的RPC不比全部采用石英砂制備的RPC低，為代替石英砂制備RPC提供了可能性。為了降低RPC的制備成本，該文設(shè)計試驗采用機(jī)制砂完全代替石英砂制備RPC，并對其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測分析。

1 原材料與儀器設(shè)備

1.1 原材料

活性粉末混凝土是一種成分較多的復(fù)合材料，其成分的種類和性質(zhì)對性能有很大影響。因此，根據(jù)特定的特性需要，合理選用原料：1）水泥是RPC中最主要的原料，是能溶解于水中并硬化的水硬性膠凝材料，按用途和性質(zhì)分類可分為通用水泥、專用水泥和特種水泥三大類。該試驗使用的是標(biāo)號為42.5的普通硅酸鹽水泥。2）機(jī)制砂是由母巖經(jīng)過破碎加工分制成的粒徑不大于4.75mm的巖石顆粒，由于生產(chǎn)機(jī)制砂的礦源分布在不同區(qū)域且生產(chǎn)加工機(jī)制砂的設(shè)備和工藝不同，因此生產(chǎn)的機(jī)制砂雖然都符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是機(jī)制砂粒形和級配可能會有很大區(qū)別。該試驗篩分出0.16~2.25mm粒徑的機(jī)制砂用于制備RPC。3）機(jī)制砂因粒型的原因，拌和過程中需要較多的水，同時由于機(jī)制砂中含有石粉、泥塊等雜質(zhì)，導(dǎo)致拌和過程中和易性稍差，易產(chǎn)生泌水。該使用的外加劑中有山東化學(xué)公司的聚羧酸型減水劑。4）該機(jī)制砂制備RPC試驗中摻入的礦物摻合料有硅灰和粉煤灰。硅灰對提高水泥混凝土的力學(xué)性能有顯著的作用。粉煤灰在混凝土中屬于活性物質(zhì)，能夠使凝膠材料間的縫隙變得更小，填充縫隙后能夠提高拌合物密度以及其均勻性。5）在鋼纖維RPC中，纖維的分布主要是為了防止微裂縫在RPC中的傳播，在受荷作用初期（拉彎），混凝土基礎(chǔ)材料和纖維都受到了外力的作用，而在混凝土開裂后，纖維在混凝土內(nèi)部起到跨縫連接的作用，這時纖維受到的拉力更大，將阻止裂縫進(jìn)一步發(fā)展。該試驗中將摻入適量的鋼纖維，以提高RPC的性能。

1.2 儀器設(shè)備

該試驗所采用的儀器設(shè)備見表1。

表1 儀器設(shè)備

2 機(jī)制砂RPC的制備與檢測

2.1 機(jī)制砂RPC的制備

在制備RPC時，計算配合比是前期準(zhǔn)備最基本的工作，計算合理的配合比能大大提高活性粉末混凝土的整體性、均勻性，從而提高RPC的抗折性能、抗壓性能、耐久性等，為制備RPC提供理論上的支撐?；钚苑勰┗炷梁推胀ɑ炷磷畲蟮牟煌w現(xiàn)在兩方面：一方面，RPC中的粗骨料用細(xì)集料代替，另一方面，活性粉末混凝土中加入了礦物摻合料的活性物質(zhì)，同時也加入了纖維料，目前應(yīng)用最廣泛的纖維種類是鋼纖維。該試驗配合比設(shè)計參考了根據(jù)鮑米羅公式改進(jìn)的活性粉末混凝土強(qiáng)度預(yù)測公式，改進(jìn)的公式中考慮了礦物摻和料（活性摻合料）和鋼纖維摻量對RPC強(qiáng)度的影響。

式中：f-活性粉末混凝土預(yù)測強(qiáng)度（MPa）；f-同等養(yǎng)護(hù)條件下的水泥強(qiáng)度（計算時水浴養(yǎng)護(hù)條件下的水泥強(qiáng)度取32.5MPa，蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下的水泥強(qiáng)度取42.5MPa）；，-回歸系數(shù)，=0.6，=1.29/-混凝土膠水比；為骨膠比影響系數(shù),見式（2）。

式中：為集膠比。為膠凝材料級配影響系數(shù)，根據(jù)混凝土的最大密實度理論，當(dāng)配合比滿足水泥體積占總粉量體積的60%至70%時，硅灰質(zhì)量和水泥質(zhì)量的比值為0.2至0.3，即（硅灰）/（水泥）=0.2~0.3；礦渣質(zhì)量和水泥質(zhì)量比值在0.15~0.30，即（礦渣）/（水泥）=0.15~0.3。滿足以上所有條件時，可以直接取=1。

是鋼纖維對RPC強(qiáng)度的影響系數(shù)，取值，=1+8，為鋼纖維體積摻量。

參考上述公式，該試驗的配合比設(shè)計見表2。

表2 機(jī)制砂RPC配合比

RPC的制備由于摻加了硅灰且水膠比較低，因此RPC的漿體比較黏稠，如果使RPC各組分均勻混合，攪拌工藝較為重要。將水泥、水、機(jī)制砂、粉煤灰、硅灰、減水劑、鋼纖維按比例準(zhǔn)確稱量，然后用攪拌機(jī)攪拌，干攪3min，然后再加入鋼纖維干拌，使鋼纖維在拌合劑中均勻地分散，再拌合水、減水劑等濕料攪拌3min，使其充分混合。攪拌流程如圖1所示。

圖1 攪拌流程圖

將剛拌好的RPC混凝土裝入模具內(nèi)，置于振動平臺上進(jìn)行振搗，并在高頻振動臺（50Hz）上振動1.5min，然后將試模旋轉(zhuǎn)90°后振動1.5min后成形。確認(rèn)混凝土完全填充到模具中，并用邊鏟進(jìn)行封口。24小時后，將模具拆除，并用記號筆標(biāo)記樣品編號、制做日期等。

對RPC而言，養(yǎng)護(hù)工藝更重要，這是因為RPC的水膠比非常低，能夠提供給水泥、硅灰（粉煤灰）水化的水量更少，當(dāng)基體毛細(xì)孔封閉后，水就不容易進(jìn)入RPC內(nèi)部；另外，如果不及時養(yǎng)護(hù)，在內(nèi)部水膠比極低的情況下就不可能產(chǎn)生沁水現(xiàn)象，因此試件表面容易產(chǎn)生干縮裂縫，甚至?xí)蜃陨硎湛s產(chǎn)生的應(yīng)力過大出現(xiàn)開裂，從而影響其強(qiáng)度和耐久性。試驗制備的機(jī)制砂RPC試塊采用兩種養(yǎng)護(hù)方式，一種是蒸汽養(yǎng)護(hù)，在蒸汽箱中70℃蒸汽養(yǎng)護(hù)3天，一種是水浴養(yǎng)護(hù)，在（20±2℃）水中養(yǎng)護(hù)28天。初養(yǎng)結(jié)束后，將兩種規(guī)格的試件取3份放入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，3天后取出試件，置于通風(fēng)干燥處干燥，其余3份試件，進(jìn)行水浴養(yǎng)護(hù)28天后取出，置于通風(fēng)干燥。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后對試塊進(jìn)行抗折和抗壓強(qiáng)度檢測。

2.2 機(jī)制砂RPC的抗壓、抗折檢測

該試驗檢測了機(jī)制砂RPC抗壓和抗折這兩種物理性能。一共兩組試塊，每組3個試塊，試塊規(guī)格均采用標(biāo)準(zhǔn)試塊，測試結(jié)果取三個試塊的平均值。其中檢測方法和計算參照規(guī)范《活性粉末混凝土》GB/T 31387-2015和《混凝土物理學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081-2019。

抗壓強(qiáng)度檢測試塊采用100m×100m×100m立方體試件，當(dāng)試塊養(yǎng)護(hù)完成后，檢查試塊外觀是否完整，滿足要求后將試塊放入液壓試驗機(jī)的承壓板中，試件中心與下壓板中心對準(zhǔn)。啟動液壓試驗機(jī)，試件與上、下承壓板均勻接觸，試驗機(jī)的加載速率為1.2 MPa/s，當(dāng)試件急劇破壞時，試驗機(jī)停止加載并記錄峰值。試塊抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果

RPC抗壓強(qiáng)度計算公式如下。

式中：f-混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）；-試件破壞荷載（N）；-試件承壓面積（mm）。

抗折強(qiáng)度檢測試塊采用100m×100m×400m棱柱體試件，當(dāng)試塊養(yǎng)護(hù)完成后，檢查試塊外觀是否完整，滿足要求后找出支承點和加荷載點位置并用筆標(biāo)記出來。支承點和加荷載位置如圖3所示。

圖3 抗折加載位置（單位：mm）

將試件固定好，保證加載過程中試塊和加荷載點不會移動，啟動液壓機(jī)，液壓機(jī)的加載速率為0.1MPa/s，當(dāng)試件斷裂破壞時，停止加載并記錄峰值。試塊抗折強(qiáng)度檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 抗折強(qiáng)度檢測結(jié)果

RPC抗折計算公式如下。

式中：f-混凝土抗折強(qiáng)度（MPa）；-試件破壞荷載（N）；-支座間跨度（mm）；-試件截面寬度（mm）；-試件截面高度（mm）。

3 試驗結(jié)果分析

分別對水浴養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)的RPC進(jìn)行了抗壓和抗折強(qiáng)度檢測，檢測結(jié)果見表3。由檢測結(jié)果可知，采用水浴養(yǎng)護(hù)的RPC平均抗壓強(qiáng)度為70.75MPa，抗折強(qiáng)度為9.84MPa，而采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的組抗壓強(qiáng)度為101.42 MPa≥100MPa，抗折強(qiáng)度13.25 MPa≥12MPa，已經(jīng)符合RPC100的抗折和抗折力學(xué)性能，當(dāng)制備RPC100時，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)方式，可以用機(jī)制砂代替石英砂來降低制備成本，而水浴養(yǎng)護(hù)制備的機(jī)制砂RPC并沒有達(dá)到RPC100的抗壓和抗折力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)，不能采用水浴養(yǎng)護(hù)的方式降低養(yǎng)護(hù)成本。

表3 檢測結(jié)果

由于天然材料本身的物理特性不同，石英石的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到200MPa至300MPa，除了砂本身的物理特性以外，石英砂具有較高的純度、合理的級配和粒型。而在機(jī)制砂的制備中，難免會帶入部分山皮，導(dǎo)致機(jī)制砂中0.075mm以下的顆粒含有部分泥粉和破碎過程中產(chǎn)生的石粉，這些雜質(zhì)會影響RPC的性能。由于機(jī)制砂的破碎方式不同，因此機(jī)制砂的級配不均勻，粒型相對石英砂來說表面積較大，需要更多的用水量，良好的砂料級配有利于拌合物的工作性，提高RPC的強(qiáng)度、耐久性，減少混凝土的形變，而良好的粒型表面積小，減少了用水量，提高了RPC的強(qiáng)度。同時，良好的級配能夠大大提高混凝土的均勻性，每一級集料之間相互填充，使混凝土變得更密實，從而能夠抵御由于二氧化碳侵蝕導(dǎo)致的混凝土碳化；抵御高濕度、低溫環(huán)境下導(dǎo)致的混凝土凍融循環(huán)破壞；抵御海洋環(huán)境中氯離子的侵蝕。這使得混凝土的耐久性大大增加，減少了維護(hù)成本，使其可以在更特殊的環(huán)境中使用。機(jī)制砂和石英砂各有優(yōu)劣，在制備RPC100時，應(yīng)該根據(jù)需求綜合考慮兩種不同沙料的性能、成本以及地域等因素，而對于采用機(jī)制砂制備RPC100時，應(yīng)該考慮機(jī)制砂的泥粉、石粉含量、級配、粒型等參數(shù)。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，天然砂資源迅速減少，有的地區(qū)天然礦石已經(jīng)接近枯竭，我國許多江河地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)河沙資源匱乏和采集困難的問題，同時運輸距離長導(dǎo)致天然砂成本居高不下，雖然石英砂具有許多優(yōu)異的性能且為天然礦石制備，但是復(fù)雜的加工和提純導(dǎo)致它不能在建筑行業(yè)更廣泛地使用。機(jī)制砂有以下3個優(yōu)勢：1）資源上的優(yōu)勢，易獲取、環(huán)保等。2）質(zhì)量上的優(yōu)勢，由于原料固定，工廠機(jī)械化生產(chǎn)，保證了機(jī)制砂可調(diào)可控等。3）發(fā)展?jié)摿^大，在市場細(xì)化、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提高的環(huán)境下，機(jī)制砂的性能將隨生產(chǎn)工藝的提高而提升。采用機(jī)制砂代替天然砂澆筑混凝土已經(jīng)成為建筑行業(yè)發(fā)展的趨勢。

試驗結(jié)果表明，在蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下制備的RPC，采用機(jī)制砂代替石英砂，能夠達(dá)到RPC100的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度性能，能夠降低RPC的成本，有巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。采用機(jī)制砂制備RPC時，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂，其中包括母巖性能良好、雜質(zhì)少、級配合理、粒型優(yōu)良的機(jī)制砂。

在制備RPC的過程中，采用機(jī)制砂代替天然砂能夠降低成本。由于材料本身的物理性能不同，因此制備的RPC性能不同。例如石英砂具有硬度高、高耐燃性、高純度但成本高等特點，而機(jī)制砂則有成本低、易獲得、質(zhì)量可控卻物理性能差、雜質(zhì)多等特點，導(dǎo)致最終制備的RPC有性能差異。該試驗未對機(jī)制砂RPC100進(jìn)行耐久度檢測，僅在抗壓性能和抗折性能上達(dá)到了RPC100，若要檢測其彈性模量及耐久性能，還須大量的試驗驗證。