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1、第 23 卷第 11 期2001 年 11 月武汉理工大学学报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.23No.11Nov.2001文章编号:1000-2405(2001)11-0014-05RPC 高性能水泥基复合材料的配制与性能研究*刘娟红宋少民梅世刚(石家庄铁道学院)摘要:通过大量实验阐述了 RPC-活性粉末混凝土配制过程中,各种组分对其浆体流动性和硬化体强度的影响,就其机理进行讨论。在此基础上得出的 RPC 配合比,并对其性能进行了测试。关键词:RPC;高性能;配制;性能中图法分类号:TQ172.1+2文献标识码:A收稿日期:2001-
2、07-04.作者简介:刘娟红(1966-),女,副教授;石家庄,石家庄铁道学院材料科学与工程系(050043).*河北省自然科学基金项目(501282).近年来高强混凝土在建筑工程中得到广泛应用,随之而来的是大量混凝土结构普遍出现的早期开裂问题;如何克服高强混凝土的收缩和脆性,并寻求混凝土强度达到更高的等级,是学术界和建筑业关注的焦点。RPC-活性粉末混凝土是法国学者 1993 年根据密实堆积原理,将粗骨料剔除,用最大粒径 400?m 的石英砂为骨料,制备出的强度和其它性能优异的一种新型高性能水泥基复合材料。RPC 一出现,很快引起了科研工作者的广泛兴趣。1999 年以来,我国清华大学、东南大
3、学等科研机构的学者就这一领域进行了积极探索,开展了大量实验室研究,并就其机理进行讨论,得出了一些结论。1原材料及实验方法1.1原材料水泥:河北太行山集团生产太行山牌水泥,标号 PO525R。硅灰:上海埃肯国际贸易公司,各项性能指标如下:密度2.3 g/cm3;平均粒径 16?m;比表面积17.6 m2/g。粉煤灰:二级粉煤灰改性而得,各项性能基本达到一级粉煤灰要求:密度 2.25 g/cm3;烧失量 4.30%;需水量比 95.8%;细度 1%(0.045 mm 筛筛余);抗压强度比 83%。细砂:采用标准砂磨细制得。用分样筛筛成 0.160.315 mm 和 0.3150.40 mm 两种,
4、试验时两者按不同比例混合使用。高效减水剂:英国富斯乐公司生产 B32 Sample 型,外观橙黄色油状液体;减水率 30%;密度 1.05 g/cm3;含固量 30%。钢纤维:无锡宜兴钢材厂生产,直径 0.5 mm,长度 25 mm、1213mm;昌宏钢纤维厂生产镀铜钢纤维,直径 0.12 mm,长度 1213 mm。1.2试件制备与养护搅拌机采用 GB17671-1999 所规定的行星式胶砂搅拌机,加料顺序:水泥+硅灰+粉煤灰搅拌均匀;加水搅拌均匀;加砂搅拌均匀;加减水剂搅拌到有一定的流动度;加钢纤维。振动成型 40 mm40 mm160mm 的试件,立即将试模移入水泥试体养护箱(温度(20
5、1),相对湿度90%)中,(242)h 拆模。养护:拆模后,将试件放入蒸汽养护箱中进行蒸汽养护控制(温度(903)8 h。为防止热养护后的试件由于骤冷影响强度,热养护后将试件放入 90 的热水中冷却至 3040 后,再测定其强度。2试验结果与分析2.1水胶比对 RPC 强度和流动性的影响由表 1 可以看出,水胶比对流动性的影响很大。当水胶比为 0.15 时,拌和物为散沙状,没有流动度;当水胶比增大到0.19 时,流动度便达到 216 mm 以上。水胶比对抗压强度和抗折强度的影响基本相同。水胶比为0.17 时强度最高,可能是由于此时流动度比水胶比为 0.16 时大,所以更容易密实成型的缘故。表
6、1水胶比对RPC强度和流动度的影响各材料用量/kgm-3强度/MPaW/BCSFFASWB32抗折抗压流动度/mm0.158092021621 01117610.60.168092021621 01118810.617.9147.11640.178092021621 01119910.617.6155.41960.188092021621 01121110.616.6136.82080.198092021621 01122310.615.6126.8216注:1.当水胶比为 0.15 时,混合物不能搅拌成浆体,没有流动度。2.砂子:0.160.315 mm 和 0.3150.40 mm 分别占
7、 64.6%和 35.4%,以后的数据中,除有特别注明外,全部为此比例。2.2粉煤灰和硅灰相对掺量对 RPC 强度和流动性的影响保持胶凝材料总量不变,在水泥用量一定的条件下,考察粉煤灰和硅灰相对掺量的影响。试验数据见表2。表 2粉煤灰和硅灰相对掺量对 RPC 强度和流动度的影响各材料用量/kgm-3强度/MPaCSFFASWB32抗折抗压流动度/mm8092021621 01119910.617.9155.81988091622021 01119910.616.8137.52118091212421 01119910.618.4123.9240由表 2可知,当减少硅灰用量,增加粉煤灰用量时,拌
8、和物的流动性得到显著的增加,但同时抗压强度迅速下降。2.3浆砂比对 RPC 强度和流动性的影响表 3浆砂比对 RPC 强度和流动度的影响浆砂比各材料用量/kgm-3强度/MPaCSFFASWB32抗折抗压流动度/mm1.267831961571 05419310.316.4156.21761.368092021621 01119910.617.9155.81981.4683320816796920510.916.4150.6201注:浆砂比为胶凝材料和水的总量与砂的比值。由表 3 得出:当浆砂比在一定范围内变化时,其对流动性(流动度随浆砂比增大而增大)有一定的影响,但对强度的影响不大。2.4砂
9、子颗粒级配对 RPC 强度和流动性的影响试验配合比见表 4。大量试验数据显示,随着砂子颗粒粒径的减小,混凝土拌和物的流动度在不断减少;骨料颗粒级配对 RPC 抗压和抗折强度的影响不大。2.5钢纤维粗细、长度及掺量对 RPC 强度和流动性的影响由表 5可以看出,钢纤维的掺入大幅度提高了 RPC 的抗压和抗折强度,但也降低了 RPC 的流动度。当钢纤维掺量一定时,直径大小对抗压强度影响不大,但是对抗折强度和流动性的影响很大,尤其是使 RPC 的抗折强度提高了将近一倍。钢纤维长度大小使抗压和抗折强度有所提高,但对流动性没有影响。钢纤维掺量越大,拌和物流动性越差,对抗压和抗折强度来说,当钢纤维掺量为
10、200 kg/m3时都达到了最大值。15第 23 卷第 11 期刘娟红等:RPC高性能水泥基复合材料的配制与性能研究表 4骨料颗粒级配对RPC强度和流动度的影响C/kgm-3SF/kgm-3FA/kgm-3S0.160.315mm0.3150.40mmW/kgm-3B32/kgm-3强度/MPa抗折抗压流动度/mm80920216230%70%19910.615.9156.719880920216240%60%19910.615.9153.720280920216250%50%19910.615.4151.718680920216260%40%19910.616.6150.1180809202
11、16270%30%19910.617.6153.3168注:表中砂子总用量为 1 011kg/m3,百分数表示该粒径范围砂占总量的百分数。表 5钢纤维粗细、长度及掺量对 RPC 强度和流动性的影响各材料用量/kgm-3强度/MPaCSFFASWB32钢纤维抗折抗压流动度/mm78819715898519410.3200?22.1184.419278819715898519410.3200?40.718017878819715898519410.3200A 26.1192.919178819715898519410.3170?21.1174.720278819715898519410.3230?
12、18.6160.3176注:?代表长度 1213mm,直径 0.5mm的钢纤维;?代表长度 1213mm,直径 0.12mm的钢纤维;代表长度 25mm,直径 0.5 mm 的钢纤维。2.6RPC200 试验最优配合比通过以上试验,设计了 RPC200 的最优配合比。如表 6 所示,该配合比所制作的 RPC 试件的各项性能见表 7。表 6最优配合比kgm-3CSFFASWB32钢纤维78819715898518310.3200注:1.上表中所用砂子 0.160.315 mm 与 0.3150.40 mm 各占 50%。2.上表中选用直径 0.12mm、长度 1213mm的钢纤维。表 7最优配合
13、比 RPC 各项性能简表性 能最优配合比 RPC200拌和物流动度/mm162抗压强度/MPa210.1抗折强度/MPa38.8断裂能/Jm-221 0003RPC 宏观性能机理探讨3.1用中心质假说探讨 RPC 的超高强机理 2在 RPC 中,钢纤维、细砂是大中心质,未水化水泥颗粒、硅灰、粉煤灰是次中心质,水化产物是介质,各级中心质和介质之间都存在过渡层。各级中心质和介质都存在相互的效应,称为“中心质效应”。钢纤维、细砂这两大中心质对周围介质产生吸附、粘结、稠化、强化等效应,产生极大的效应圈,而且能使效应圈中的大介质在不同程度上具有大中心质的某些性质,对改善混凝土的宏观性能起着重要的作用。在
14、RPC 中次中心质所起的叠加作用是不容忽视的,属于次中心质的未水化水泥熟料颗粒、硅灰等(H)粒子、属于次介质的水泥凝胶(L)粒子和属于负中心质的毛细孔组成水泥石。次中心质颗粒周围的水泥凝胶都是从熟料的表面水化生成的,因此这种 H 粒子和L 粒子存在有利的中心质效应圈。缩小各中心质之间的间距,可以使这种有利的效应得到叠加,强度可以提高。在 RPC 中,水胶比低,只有 0.16 左右,因此空隙率低,H/L粒子比值比普通混凝土高出许多,各中心质间的间距很小,中心质之间的叠加效应明显,抗压强度大大提高。3.2用最大密实理论分析 RPC 的超高强机理图 1 为清华大学研究的颗粒组合引起的堆积物空隙率变化
15、图 3。符号后的数字表示各自的粒径大小,单位为?m,所用水泥粒径为 10.4?m。由图可见,随着大颗粒体积含量比的提高,两相颗粒的空隙率先逐渐减小,当达到一最小值后,颗粒的空隙又逐渐回升,大颗粒占 65%左右时堆积物的孔隙率最低;由图还可见,堆16武汉理工大学学报2001年 11 月积物可达到的最小空隙率随着粒径比(小颗粒与大颗粒的等效直径比)的减小而减小。该图所表示的只是粒径为微米数量级的细掺料颗粒和水泥颗粒的堆积物,但对 RPC 的各物质同样适用。图 1颗粒组合引起的堆积物空隙变化图 2RPC 的原材料的颗粒粒径分布图图 2 为 RPC 的原材料的颗粒粒径分布图 4。试验对范围在 0.63
16、0?m 的颗粒进行分析,结果表明:(1)在 1 372 个总颗粒中,等效直径 30?m 的颗粒有 27 个;(2)在 0.612.1?m 之间的颗粒占 84.57%。由以上两点可以计算出等效直径在 0.612.1?m 之间的颗粒数为 808个,12.1?m 的颗粒占总颗粒数的 87.32%。用水泥的平均粒径为 18.6?m,所以可以说明 E基体,纤维主要承受力,且纤维使基体的龟裂难于扩展,当裂缝沿着纤维偏折。这些都有利于提高 KIC。纤维在无机非金属材料基体中受外力作用时,因拔出而消耗能量,耗能越多,材料的韧性越好。纤维的拔出功为:Wp=Vf!2d2/12r式中!2为剪切结合力,N;d 为纤维
17、两缺陷点的平均距离,m;r 为纤维半径 m。从上式可知,提高 Vf,!2,d 值或减小 r 值都使 Wp值增大,采用细长,缺陷少的纤维,有利于提高无机非金属材料的韧性。3.4硅灰和粉煤灰的叠加效应对RPC 强度的贡献硅灰和粉煤灰对强度的改善可以从以下几个方面来说明:(1)物理作用:硅灰和粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒,使水泥水化更充分,提高了水泥浆的密实度,降低了混凝土的泌水,有利于混凝土中骨料-水泥浆界面强度的提高。(2)化学火山灰作用:硅灰的火山灰活性极高,在目前已知的各种活性矿物掺料中,硅灰是活性最高的一17第 23 卷第 11 期刘娟红等:RPC高性能水泥基复合材料的配制与性能研究种,掺入
18、 20%25%的硅灰,对提高 RPC 的强度和密实性起到很大的作用,硅灰和粉煤灰颗粒与 Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙胶体,有利于混凝土强度的提高。(3)粉煤灰和硅灰的超叠效应:硅灰能显著提高混凝土的早期强度,但自干燥收缩大,粉煤灰能弥补这一缺陷,粉煤灰的自干燥收缩和干燥收缩小,而且粉煤灰能提高 RPC 的后期强度。在研究中同时掺入粉煤灰和硅灰,既是利用粉煤灰来降低需水量和减小自干燥收缩,又能依靠硅灰提高早期强度。4结论a.RPC 的强度随着水胶比的增大而减小。认为混掺钢纤维 RPC 在保证流动性的前提下,水胶比为0.17时强度较高。b.0.160.315 mm 范围内的砂子增多时,RPC
19、的密实度将降低,抗压强度减小。试验证明,0.160.315 mm和 0.3150.40 mm 砂子各占 50%时,强度较高。c.在一定程度上增大胶凝材料的用量,即增大浆砂比,RPC 的抗折强度和抗压强度将增大。考虑流动性,浆砂比应在 1.301.40 之间。d.粉煤灰和硅灰的总量不变,增大硅灰的量,减少粉煤灰的量,RPC 的抗折强度将减小,而抗压强度提高,但硅灰比例太大,流动性降低。e.增大纤维的长径比,RPC 的强度将提高;增大纤维的掺量,RPC 的抗折强度提高;对于 RPC 的抗压强度,存在一个最佳的钢纤维掺量为 200 kg/m3。f.养护制度为拆模后 90 蒸汽养护 8 h,可明显提高
20、 RPC 的抗折和抗压强度。参考文献1覃维祖,曹峰.一种超高性能混凝土活性粉末混凝土.工业建筑,1999,29(4):16182Ollvier Bonneau,Claude Poulin,Jeome Dugat et al.Reactive Powder Concrete:From Theory to Pratice.Concrete Inter-national,1996,18(4):47493吴中伟.高性能混凝土.北京:中国铁道出版社,1999.4安明哲,王庆生.活性粉末混凝土的配制原理及应用前景.建筑技术,2001,32(1):15165高丹盈,刘建秀.钢纤维混凝土基本理论.北京:科学技
21、术出版社,1994.Research for Compounding and Performance of RPC Super High PerformanceCement Based Compound MaterialsLiu JuanhongSong ShaominMei ShigangAbstract:T hrough a great number of experiments,the influences of the components to paste flow and concrete strengthduring RPC compounding were illustrated,at the same time,we discussed the mechanism.On the base,we posed the mixingproportion of the RPC,and test its performance.Key words:RPC;high performance;compounding;performanceLiu Juanhong:Assoc.Prof.,Shijiazhuang Railway Institute,Shijiazhuang 050043,China.18武汉理工大学学报2001年 11 月