掺超细水泥的新型活性粉末混凝土.pdf

2 0 1 3 年 第 2 期 (总 第 2 8 0 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 0 ) 混 凝 土 Con c r e t e 原材料及辅助物料 M ATE RIAL AND ADM I NI CL E 掺超细水泥的新型活性粉末混凝土 肖锐 ，邓宗才 。申臣良 ，陈相字 。 ( I 北京工业大学 建筑工程学院，北京 1 0 0 1 2 4 ；2 北京易成一 拉法基混凝土有限公司 ，北京 1 0 0 1 7 6 ； 3 上海贝卡尔特一 二钢有限公司，上海 2 0 0 1 3 1 ) 摘要： 在遵循活性粉末混凝土( R P c) 基本配制原则的基础上进行改进 ， 采用超细水泥制备活性粉末混凝土 ， 并进行 了配合比 试验和构件成型试验 ， 讨论 了不 同钢纤维掺量对材料受弯性能 的影响。 试验结果表明， 超细水泥完全可以取代硅粉制备活性粉末 混凝土。 在制备活性粉末混凝土时 ， 可以只采用超细水泥而不添加其他掺合料制备活性粉末混凝土 ； 也可以将超细水泥与适量矿 渣等掺合料混掺 ， 保证甚至提高材料的强度； 为进一步提高材料的经济性 ， 还可以用大量普通水泥与少量超细水泥混掺的方式制 备活性粉末混凝土。 工程试验表明， 超细水泥活性粉末混凝土适用于施工 ， 并可用于现浇结构。 关键词 ： 活性粉末混凝土；超细水泥 ；掺合料 ；制备技术；受弯性能 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 7 5 0 4 Ne w t y p e o f r e a c t i v e po w d e r c o n c r e t e w i t h s u pe r f i ne c e me n t XI AORu i ， DENG Z o n g - c a i ， S H EN C h e n - l i a n g ， C HE N Xi a n g - y u ( 1 C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ； 2 B e ij i n g Yi c h e n g L a f a r g e C o n c r e t e C o ， L t d ， B e i j i n g 1 0 0 1 7 6 ， C h i n a ； 3 S h ang h a i B e k a e r t E r g a n g C o ， L t d ， S h angha i 2 0 0 1 3 1 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Ba s e d o n t h e b a s i c pr i n c i p l e s of r e a c t i ve p o wde r c o nc r e t e pr o d u c i n g， a n e w t y p e of r e a c t i ve p o wd e r c o n c r e t e wa s p r o d u c e d a n d t e s t e d wi t h s u p e r fin e c e me n t an d wi t h o u t s i l i c a f u me Th e fle xu r a l b e h a v i o r o fr e a c t i ve p o wd e r c o n c r e t e wi t h di f f e r e nt c o n t e n t of s t e e l fib e r wa s d i s c us s e d Th e t e s t r e s ul t s s h owe d t h a t t he s u pe r fine c e me n t c o ul d t o t a l l y s ub s t i t u t e s i l i c a f u me i n r e a c t i ve p o wd e r c o n c r e t e Th e s u pe r fin e c e me n t c o u l d b e s ol e l y us e d a s the bi n de r wi t h o u t a n y o t he r a d mi x t u r e s， the a d mi x t u r e s a n d Po r t l a nd c e me nt c o u l d be a dd e d i n t o t he c o mp o s i t e t o r e d u c e t h e c o s t o f t h e c o mpo s i t e The ne w r e a c t i v e p o wde r c o n c r e t e fit s t o p r o d u c e an d c a s t i n s i t u Ke yw o r d s ： r e a c t i v ep o wd e r c o n c r e t e ； s u p e r fi n e c e me n t ； a dm i x t u r e ； p r o d u c i n gt e c h n o l o g y ； fl e x u r a l b e h a v i o r 0 引 言 潘 生 粉末混凝土( R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e ， 简称 R P C ) 最早 由法国的 R i c h a r d 等人于 1 9 9 3 年研制成功【1 ， 是一种新 型建筑复合材料， 具有十分优异的力学性能和耐久性： 很高 的抗压强度， 通过加入纤维显著提高抗拉陛能和韧性； 结构致 密 ， 具有极佳的耐久性； 还具有优异的抗冲击 、 抗疲劳等 l生能。 但是 ， 目前活性粉末混凝土在应用上也存在一些 问题 ： 活性粉末混凝土的制备对硅粉 的依赖性强 ， 但 目前我国硅 粉产量有限； 硅粉参与的是二次水化反应( 火山灰反应 ) ， 因此， 在常温下养护会降低材料早期强度增长速率。 目前虽 已有针对降低硅粉和水泥用量的研究 ， 但均难以完全免 除硅 粉的使用 。 本研究采用超细水泥制备 R P C的可行性 ， 以免去硅灰的使用， 便于现场常温养护和施工。 1 超 细水 泥 RP C的制备原理 R P C的基本配制原则主要有以下 3 点： 无粗骨料， 掺人 超细活 生 粉末使颗粒级配合理化， 最大限度减小缺陷尺寸； 掺 收稿 日期：2 0 1 2 - 0 8 2 1 加钢纤维 ， 增加韧 陛； 使用高效减水剂 ， 降低水胶比和孔隙率。 与传统的 R P C相 比， 超细水泥 R P C的基本配制原则相同。 在反应机理上 ， 传统 R P C的硅粉通过火 山灰反应生成 水化硅酸钙凝胶 ， 填充水 泥颗 粒空隙 ， 改善界 面结构 与黏 结力 ， 实现材料结构密实 ， 提高强度。 而新型 R P C采用的超 细水泥与普通水泥相 比， 虽粒径更细( 比表面积在 5 0 0 m2 k g 以上 ) ， 但成分与普通水泥相 同， 故水化反应的过程和产物 与普通水泥相同。 超细水泥颗粒 比普通水泥细 ， 使其在相同 用水量 下流动性大大优于普通水 泥 ， 所以可以不掺人硅粉 等掺合料直接制备出 R P C； 另外 ， 超细水泥的细度也能满 足对普通水泥及其他矿物掺合料颗粒缝 隙的填充要求 ， 提 高材料 的流动性 ， 因此也可以采用超细水泥 、 普通水泥 、 矿 掺合料混掺 的方式制备 R P C 。 2 超细水泥 RP C试验 2 1 原材料 超细水泥采用 5 2 5 级 ， 比表面积约 6 0 0 m 2 k g ； 普通水 泥选用 4 2 5 级 ， 比表面积约 3 6 0 m 2 k g ； 粒化高炉矿渣粉 7 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 级别 $ 9 5 ， 比表面 积 4 0 8 m2 k g ； 粉煤 灰为 I 级 ， 比表 面积 2 7 8 m V k g ； 砂为天然石英砂 ， 粒径范围 4 0 7 0目； 外加剂为 聚羧酸减水剂 ； 钢纤维为上海 贝卡尔特公司提供 的超细钢 纤维 ， 长度 8 mm， 直径 0 1 2 mm。 2 2 材料制备、 养护与试验方法 利用水泥胶砂搅拌机进行搅拌 ， 先将称量好的胶凝材 料 、 掺合料与砂慢速搅拌 1 mi n ， 之后 3 0 S 内加水和外加剂 并慢速湿拌 1 5 mi n ， 快速搅拌 3 mi n 后慢速搅拌 1 m i n 并均 匀撒人钢纤维 ， 最后快速搅拌 2 mi n 后停机。 搅拌完毕后倒 入 4 0 mm x 4 0 m mx l 6 0 m m 的标准试模 中， 在振动台上振动 密实后移入标准养护箱 中养护 ， 待满足脱模条件后拆除模 具并将试块 移入 ( 9 0 1 ) 的混凝土加速养护箱 中蒸汽养 护 2 d 。 养护完毕后按 G B T 1 7 6 7 1 - 1 9 9 9 t 进行抗压 、 抗折 强度和弯曲韧性试验 。 流动度测试按 G B T 2 4 1 9 2 0 0 5 进 行 ， 但采用玻璃平板作为底板 ( 图 1 ) 。 另外 ， 还对材料进行 了微观结构分析与工程试验 ， 工程试验采 用大型搅拌机 ， 但下料顺序与水泥胶砂搅拌机相同。 图 1超细 水泥 RP C 的流 动度 测试 3 试验 结果 与分析 3 1 材料配合比优 化试验 通过大量配合 比试验 ， 得出了 3 组典型 的优选配合 比 结果 ， 每单位胶凝材料 中超细水泥 、 普通水泥 、 掺合料所 占 比例 ， 对应的砂胶 比、 水胶 比、 减水剂用量 、 钢纤维体掺率 、 拌合物流动度 、 抗压强度见表 l 。 表 1 超细水泥 R P C的配合比与性能 R E C 1 的流动性 和强度试验结果表 明， 在只有超细水 泥而无其他掺合料的情况下 ， 可制备 出 R P C， 具有较佳 的 流动性。 这说 明直接采用单一胶凝材料且不添加任何掺合 料制备 R P C是可行的， 该方法突破了至少需要采用二元胶 结体系( 水泥 +硅粉 ) 制备活性粉末混凝 土的现状 ， 可简化 生产。 与 R P C1 相 比 ， R P C 2中采用 3 0 的矿渣 与 1 0 的粉 煤灰等量取代 了超细水泥， 加入适量 的掺合料不但 可以显 著改善材料流动性 ， 且有助于强度的提高 ， 降低成本。 R P C 3与R P C 2 相比， 主要是在适当加人掺合料的基础 上 ， 用大量普通水泥代替超细水泥 ， 试验结果表明材料强 度有保证 ， 但是 ， 过量 的普通水泥会使胶凝材料的粗颗粒 过多， 颗粒之间得不到细颗粒的有效填充和润滑， 从而降 低流动性 ， 材料强度也会受到一定影响。 因此 ， 为使材料更 便于施工 ， 在保证材料强度 的基础上增加了掺合料的用量 以改善流动性 和经济性。 以上试验 中均未采用硅粉 ， 但获得的 R P C强度值与采 用硅粉进行配合 比试验 的研究结果 相近 ， 说 明不使 用硅 粉制备 R P C是可行的。 3 2 材料受弯性能试验 采用跨中单点加载方式对不同钢纤维掺量的试件进 行受弩I生能试验。 初裂强度 按式( 1 ) 计算。 ( 1 ) 式中： R P c初裂荷载， N； 试件底部两支座之间的跨距， 1 0 0 mm； 6 棱柱体试件方形截面的边长， 4 0 mm。 76 - 弯曲韧性指标与剩余 强度 因子按 A S T M C1 0 8 0 8 进行 计算。 不同钢纤维掺量下试件的典型荷载一 挠度曲线见图2 ， 试件 的抗折初裂强度、 抗折强度及对应的弯 曲韧性指标和 剩余强度因子见表 2 。 如图 2 所示 ， 在 1 的钢纤维掺量下 ， 加载初期荷载一 挠 度 曲线线性增长 ， 当荷载达到抗折初 裂荷载 时， 已接近荷 载峰值 ， 试件 中部底端出现裂缝 ， 过峰值后荷载一 挠度曲线 突然下跌 ， 荷载下降速率 随挠度增大逐渐减缓。 2 钢纤维 掺量时 ， 加载初期荷载一 挠度曲线也呈线性增长 ， 当荷载达 到抗折初裂荷载 后 ， 荷载仍有增 长 ， 但增 幅减缓 ， 曲线 变 弯 ， 荷载达到峰值后( 约为抗折初裂荷载 1 3 倍 ) 开始下降 ， 但下降速率 比 1 钢纤维试件缓慢。 3 钢纤维掺量 ， 试件变 形规律与 2 掺量相似 ， 但 3 掺量试件峰值荷载是抗折初 裂荷载 1 5 倍 ，且达到峰值荷载后荷载一 挠度曲线的初始跌 幅明显高于 2 钢纤维试件 。 1 、 2 和 3 钢纤维掺量下试件的抗折初 裂强度 比未 掺钢纤维的试件分别提高了 l 4 - 3 、 1 4 4 和 4 4 _ 3 ， 抗折强 度分别提高了 1 4 3 、 4 8 5 和 1 1 0 2 ， 表 明钢纤维掺量 挠度 mm 图 2 不同钢纤维掺量下超细水泥 R P C的荷载一 挠度曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 料配合比优化后可以获得 良好 的自密实性 ， 从而解决 R P C 用于现浇时的振捣问题 。 4结 论 ( 1 ) 由超细水 泥 R P C的制备试验可知 ， 超细水泥 R P C 制备灵活 ： 可不用添加任何掺合料直接采用超细水泥制备 R P C， 达到快速生产 目的 ； 适 量的掺合料可提高拌和物流 动性和材料强度 ， 也使材料更加经济 ； 采用普通水泥大量 取代超细水泥是可行的， 可提高材料经济性 。 ( 2 ) 使用超细水泥后可不再使用硅粉制备 R P C， 因此 解决 了传统 R P C使用硅粉时所产生的问题 ， 且超细水泥材 料性质稳定， 容易生产、 购买和使用。 ( 3 ) 由超细水泥 R P C抗弯试验 发现 ， 在 0 3 钢纤 维 掺量下 ， 抗折初裂强度和抗折强度 随着钢纤维掺量 的增加 而增长 ； 按 AS T M C 1 0 8 0 计算 的 2 和 3 钢纤维掺量下试 件的弯 曲韧性要明显高于 1 钢纤维掺量的试件。 ( 4 ) 对超细水泥 R P C电镜观察后发现， c s H凝胶可 紧密包裹住骨料颗粒 ， 充分填充骨料之间空隙 ， 具有高密 实度 ， 这也是该 R P C具有高强度与极佳耐久性 的原 因。 ( 5 ) 超细水泥 R P C因未采用硅粉 ， 材料常温 7 、 2 8 d 养 护的抗压强度仅比 9 0 蒸汽养护低 1 0 左右 ， 因此可解决 传统 R P C不适用于现场浇筑 的问题 ， 且对材料配合比优化 后还可 以获得 良好 的 自密实性。 参考文献 ： 【 1 】RI C HAR D P， C HE YR E Z Y M C o mp o s i t i o n o f r e a c t i v e p o w d e r c o n - 上接第 7 4页 图 5反映了不 同掺量减水剂对 C 3 0自密实混凝土抗 收缩性能的影响。 从中可以看出 ， 减水剂过掺会使收缩量普 遍增加。 其中， 过掺木钠减水剂对混凝土收缩的影响相对最 小 ， 4 5 d的收缩量为 1 7 5 m m。 4结 论 ( 1 ) 聚羧酸减水剂 、 萘系减水剂 和木钠 减水剂的过掺 均会导致新拌混凝土的流动性增加 ， 含气量降低以及凝结 时 间的延长 。 其 中， 过掺聚羧酸减水剂对混凝土 的坍落扩 展度影响最大 ， 对混凝土的凝结时间影响最小。 过掺萘系减 水剂对混凝土的含气量影响最大 。 ( 2 ) 3 种减水剂的过掺均会导致 C 3 0自密实混凝 土的 抗压强度 、 2 8 d轴心抗压强度 、 2 8 d弹性模量有所降低。 其 中， 过掺木钠减水剂对混凝土 2 8 d轴心抗压强度的影响 最大， 过掺萘系减水剂的混凝土 2 8 d 弹性模量降幅最大， 达 2 8 6 。 ( 3 ) 过掺减水 剂对混 凝土 2 8 d抗折强度 的影 响 因种 类而异， 过掺聚羧酸减水剂的混凝土 2 8 d 抗折强度与正常 掺量下的混凝土2 8 d 抗折强度基本相当； 过掺萘系减水剂 将导致混凝土 2 8 d 抗折强度由 3 7 MP a 降低到 3 1 MP a ； 而过掺木钠减水3 1 1 1 对抗折强度几乎没有影响。 ( 4 ) 3 种减水剂的过掺均会降低混凝土的抗碳化能力、 增 7 R c r e t e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 5 0 1 1 5 1 1 【 2 】刘斯凤， 孙伟， 林玮， 等 掺天然超细混合材高,11 1 i l i 凝土的制 备及其耐久性研究l J J _硅酸盐学报 ， 2 0 0 3 ( 1 1 ) ： 1 0 8 0 1 0 8 5 【 3 】赖建中 ， 孙伟 生态型 R P C材料的力学, II ! I I 及微观机理研究【 J J 新型建筑材料 ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 2 0 2 3 【 4 】 G B T 1 7 6 7 1 -1 9 9 9 ， 水泥胶砂强度检验方法 O s o法) 【 s 】 1 9 9 9 5 G B T 2 4 1 9 -2 0 0 5 ， 水泥胶砂流动度测定方S k i s 2 0 0 5 6 K OR P A A， K OWAL D T， T R E I q q N R P h a s e d e v e l o p me n t i n n o r ma l a n d u l t r a hi g h p e r f o rm a n c e c e me n t i t i o u s s y s t e ms b y q u a n t i t a t i v e X- r a y a n aly s i s a n d t h e r mo a n a l y t i c a l me t h o d s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 2 ) ： 6 9 7 6 7 】Y Z I C I H T h e e f f e c t o f c u r i n g c o n d i t i o n s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f u l t r a h i g h s t r e n gth c o n c r e t e wi t h h i g h v o l u me mi n e r a l a d mi x t u r e s 3 3 B u i l d i n g a n d E n v i r o n m e n t ， 2 0 0 7 ， 4 2 ( 5 ) ： 2 0 8 3 2 0 8 9 8 AS T M C 1 0 1 8 8 9 ， S t a n d ard t e s t me t h o d f o r fl e x u r al t o u g h n e s s a n d f i r s t c r a c k s t r e n g t h o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e( u s i n g b e a m w i t h t h i r d p o i n t l o a d i n g ) S 1 9 9 1 【 9 】YANG S L， MI L L A RD S G， S OU T S O S M N， e t a 1 I n fl u e n c e o f a g - g r e g a t e a n d c u r i n g r e g i me o n t h e me c h a ni c a l p r o pe r t i e s o f u l t r a h i g h p e r f o r m a n c e fi b r e r e i n f o r c e d c 0 n c r e t e ( U H P F R C ) J 】 C o n s t r u e t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 6 ) ： 2 2 9 1 2 2 9 8 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 肖锐 ( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 博士研究生。 北京市朝阳区立水桥甲 3 号院( 立城苑) 1 号楼 5单元 1 0 0 1 ( 1 0 0 0 1 2 ) O1 0 6 2 7 5 21 99 大收缩率。 其中， 过掺聚羧酸减水剂对混凝土抗碳化能力的影 响最小， 过掺木钠减水剂对混凝土长期收缩的影响最小。 参考文献 ： 【 1 】吴红娟， 李志国 自密实混凝土及其工作性评价 J 】 _ 武汉工业学 院学报， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 1 ) ： 6 8 7 2 【 2 】OK MUR A H， OUC HI M S e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e d e v e l o p me n t ， p r e s e n t u s e a n d f u t u r e C I n ： S KAR E NDA HL A， P E T E RS S ON O e d s Pr o c e e di n g s o f 1 s t I n t e r n a t i o n a l RI L EM S y mp o s i u m o n S e l f -Co rn p a c t i ng Co n c r e t ePa ris ： RI LEM Pu b l i c a t i o n S ARL， 1 9 9 9： 3-1 4 【 3 】OZ AWA K， MA EK WA K， KU NI S HI MA M， e t a 1 D e v e l o p m e n t o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e ba s e d o n t h e d u r a bi l i t y d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u e t u r e s C T h e s e c o n d E a s t - As i a a n d P a c i fi c C o n c r e t e o n S t r u e - t u r a l E n g i n e e r i n g a n d C o n s t ruc t i o n ( E A S E C - 2 ) ， T o k y o ， J a p a n ， 1 9 8 9 ： 4 4 5 - 45 0 【 4 蒋亚清 混凝土外加剂应用基础 M _ 京： 化学工业出版社 ， 2 00 4 作者简介 联 系地址 联系电话 刘斯凤( 1 9 7 0 一 ) ， 女， 副教授， 硕士生导师。 上海币嘉定区曹安公路 4 8 0 0 号 同济大学材料科学与 工程学院( 2 0 1 8 0 4 ) 0 21 -6 9 58 2 1 4 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m