紧密堆积理论在设计活性粉末混凝土中的应用.pdf

2 0 1 2年 第 1 2期 (总 第 2 7 8期 ) Nu mb e r 1 2 i n 2 01 2( To t a 1 No2 7 8) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACTI CAL TECHNOL0GY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 1 2 0 4 2 紧密堆积理论在设计活性粉末混凝土中的应用 王谦 ( 山东省建筑科 学研究 院 ，山东 济南 2 5 0 0 3 1 ) 摘要： 根据紧密堆积理论和原材料的粒径理论分布值， 应用 D i n g e r F u n k 方程设计出不同分布模数下的粉末混凝土配合比， 并对活性 粉末混凝土的物理力学性能进行 TN试 。 结果表 明应用紧密堆积理论设计活性粉末混凝土是可行 的。 关键词 ： 活性粉末 混凝土 ；颗粒级配模型 ；分布模数 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 2 ) 1 2 0 1 2 9 0 3 Appl i c a t i on of c l os e pac k i ng t he or y i n t he de s i gn o f RPC WANGQi a n ( S h a n d o n gP r o v i n c i a l Ac a d e myo f B u i l d i n g S c i e n c e ， J i n a n2 5 0 0 3 1 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e t h e o r y o fc l o s e p a c k i n g a n d t he d i s t r i b u t i o n o fr a w ma t e r i a l p a r t i c l e s ， Ding e r - F u n k e q u a t i o n wa s us e d t o d e s i g n t he mi x p r o p o rti o n of r e a c t i v e p o wd e r c o nc r e t e， a l s o t h e p h ys i c a l a n d me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f r e a c t ive p o wd e r c o n c r e t e we r e t e s t e dTh e r e s u l t s s h o we d t h a t u s i n g c l o s e p a c k i n g t h e o r y t o d e s i gn r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e wa s f e a s i bl e Ke yw or ds ：r e a c t i v ep o wd e r c o n c r e t e ； p a r t i c l e g r a d a t i o nmo d e l ； d i s t r i b u t i o nm o d ul u s 0 引 言 活性粉末混凝土( R e a c t i v e P o wd e r C o n c r e t e ， 简称 R P C) 自 1 9 9 3年由法国B o u y g u e s 公司 R i c h a r d r 等人率先研制成功以来 ， 由于具有 良好 的力学性能和优异的耐久性能 ， 受 到世界范围 内 工程建设领域 的重视 。 我 国铁道部科技司于 2 0 0 6年颁布 了 客 运专线活性粉末混凝土( R P c) 材料人行道挡板、 盖板暂行技术 条件 ， 针对活性粉末混凝土在高速铁路客运专线中的应用 ， 制 订了详细的技术要求 、 检测规则和验收标准； 铁道部工程管理 中心于2 0 0 9编写出版了 活性粉末混凝土构件施工要点手册 ； 现在客运专线铁路路基 、 桥梁电缆槽 盖板 都统一按 活性粉末混 凝土( R P c) 盖板设计施T， 为活性粉末混凝土在高速铁路客运 专线 中的应用创造 了条件 。 随着京津 、 郑西 、 武广 、 京 沪 、 石太等 多条高速铁路及客运专线 的陆续开丁建设 ， 活性粉末混凝土 的 应用会越来越 广泛 。 R P C是一种高强度 、 高韧性、 低孔隙率的超高强混凝土。 普 通混凝土是一种非均质材料 ， 其中集料特别是粗集料与水泥界 面处是混凝土内最薄弱的环节， 也是提高混凝土强度首先要考 虑的减少或消除 的因素 。 人们认识到混凝土集料粒径与其界 面 的微裂缝尺寸和扩展有直接关系， 因此在高强高性能 昆 凝土中， 使用的粗集料最大粒径趋小化 。 在活性粉末混凝 土中 ， 采用石英 砂代替粗骨料， 提高材料的匀质性， 减少混凝土的内部缺陷。 为了设计出满足要求的活性粉末混凝土， 配合比设计应遵 循 以下原则 ： ( 1 ) 选用低水化热和较低碱含量的水泥， 避免使用早期强 度高的水泥和含 c A 高的水泥。 ( 2 ) 水胶 比应控制 在 0 2 0以下 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 _ 0 6 _ o 6 ( 3 ) 在材料组成中掺入活性粉末混凝土专用复合掺合料。 ( 4 ) 选用活性粉末混凝土专用减水剂， 降低拌和水量。 1 颗 粒 级 配模 型 颗粒级配技术在提高固体混合料宏观力学性能方面具有 显著优势， 其理论基础是在大尺寸颗粒堆积的体系空隙中填充 粒径较小的颗粒， 再在大、 小颗粒空隙中填充粒径更小的颗粒， 直至颗粒间空隙率达到最小 。 级配 良好 的骨料， 将 同时达到经济 陛、 工作性和安全 性。 以往 认为水泥浆为主要强度来源， 事实上， 混凝土的强度的传递是通过 骨料来达到的。 即使没有水泥浆体， 骨料也可以通过嵌挤结构来传 递荷载， 骨料级配良好是有许多好处的。 比较典型的颗粒群密实堆 积模型包括 A i m和 Go ff模型 、 K a p p l y i 模型 、 A n d r e a s e n 模型以及 Di n g e r - F u n k模型等C2 。 前两类属于间断级配模型， 其前提条件 是利用材料平均粒径来描述各级填充料的颗粒特征 ， 因而不能 完全体现材料的粒径分布状况， 易导致较大的设计误差( 特别 是材料粒径分布范围较宽时) 。 An d r e a s e n是经典连续堆积理论 的倡导者， 以统计类似为基础提出了连续分布粒径的堆积模型： = ( 式中： U ( D ) 累计筛下颗粒百分含量； D P 当前粒径 ， Iz m； D P L 最大粒径 ， I z m； q f u l l e r 指数。 在此方程中， 需要无限小尺寸的颗粒 ， 为使实际分布的气 孔率最小 ， ful l e r 指数的最佳值应为 O 3 3 0 5 5 。 尽管 A n d r e a s e n 方程描述了理想的颗粒尺寸分布 ， 但 实际分 布中最小颗粒 的尺 1 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 寸总是有限的， 因此有必要对该方程加以修正。 2 0世纪 7 0年代 ， D i n g e r 和 F u n k在分布中引入有限最小颗粒尺寸， 对 A n d r e a s e n 方程进行了修正， 得到Di n g e r - F u n k方程： U ( D ) ： ( 2 ) D& - D 式中： U ( D ) 累计筛下颗粒百分含量； D P 当前粒径， m； D P s 最 j 、 粒径 ， m； D P L 最大粒径， m； n 分布模数。 D i n g e r 和F u n k还对连续体系的颗粒堆积进行了二维( 圆环) 和三维( 球体 ) 的计算机模拟 ， 提出在三维情况下， 连续分布球 体的分布模数为 0 3 7时， 出现最紧密堆积。 而在二维情况下， 连 续分布圆环在分布模数为 0 5 6时出现最紧密排列。 2 试验设计 试验选用了4种粒径的石英砂， 粗砂 ： 1 2 5 - - 0 6 3 mi l l ， 中砂： 0 6 3 - 4 ) 3 1 5 re a l ， 细砂 ： 0 3 1 5 - 7 ) 1 6 n q lT I ， 特细砂 0 0 8 0 1 6 r tl r n 。 试验 以 Di n g e r F u n k方程为主 ， 根据 D i n g e r F u n k方程 计算 机模 拟结 果， 分型模数 n为 0 3 7时， 体系具有最佳堆积， 因此， 试验时， n 值 分别取 0 3 3 、 O 3 5 、 0 3 7 、 0 3 9 、 0 4 1 。 粒径分布理论计算值见表 1 、 2 。 表 1 粒径分布理论计 算值 ( 粗 、 中、 细 3种砂 ) 根据表 1 、 2计算出各粒径累积筛余百分数 ， 算出确定粒径 范围的水泥 、 硅灰及各粒径石英砂的理论配合比， 计算结果见 表 3、 4。 表 3 原材 料理 论配合 比( 粗 、 中、 细 3种砂 ) 3试 验 3 1 原材料 水泥： 山东山水水泥集团有限公司生产的“ 东岳” 牌 P O4 2 5 级低碱水泥。 1 3 0 表 4 原材料理论配合 比( 中、 细 、 特细 3种砂 ) 石英砂 ： 泰安市某石英砂厂的石英砂 ， 分粗粒径石英砂 1 2 5 0 6 3 n l n l 、 中粒径石英砂 0 6 3 - 4 ) 3 1 5 in m、 细粒径石英砂 0 3 1 5 0 1 6 m l T l 及超细粒径石英砂( 0 0 8 0 1 6 mm) 4 个粒径 。 硅灰 ： 西安霖源微硅粉有限公司， S i O ： 含量 9 2 。 钢纤维： 鞍山昌宏钢纤维厂生产， 直径 0 2 mm， 长度 1 5 mm。 外加剂： 山东省建筑科学研究院生产的 R P C专用外加剂 ， 减水率 3 0 以上 。 3 2 成型与养护 采用水泥胶砂搅拌机， 采用慢搅， 手动控制搅拌时问。 先将水泥、 石英砂、 钢纤维等倒人搅拌锅内干拌 3 0 S ， 再慢 慢加人外加剂和水， 搅拌 4 mi n 。 搅拌完成后 ， 将拌合物浇筑于 4 0 mmx 4 0 m mx l 6 0 r n l r l 的三联试模中 ， 成型强度试件。 试件成型 2 4 h后拆模 ， 在 8 0蒸汽 中养护 3 d 。 3 3试验 方 法 试件抗折、 抗压强度按 G B T 1 7 6 7 1 -1 9 9 9 水泥胶砂强度 检验方法( I S O法 ) 进行， 拌合物流动度按 G B 2 4 1 9 -1 9 9 9 水 泥胶砂流动度测定方法 采用胶砂法测定。 4 试验结果与分析 按照表 3 、 4设计的配合比， 进行强度试验 ， 钢纤维的掺量 为 1 5 ， 外加剂掺量为胶凝材料的 2 ， 水胶比为 0 2 O ， 试验结 果见图 1 4 。 g 玉 、 枢 锲 懈 分 布模数 图 1 分布模数对胶砂流动度的影响 分布模数 图 2 分布模数对混凝土表观密度的影响 从图 1 、 2 可以看出， 在水胶比不变的条件下， A组和 B组的 胶砂流动度都随着分布模数的增大而减小， 而且 A组的胶砂流 加 如 加 加0 g 姜 髓稃螺 甾 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 动度明显高于 B组 ； A组和 B组的表观密度随着分布模数 的增 大先增加后减小 ， A组在分布模数为 0 3 7时表观密度最大 ， B 组 在分 布模数为 0 3 9时表观密度最大。 分 布模数 图 3 分布模数对 RP C抗折强度 的影 响 由图 3 、 4可知 ， A、 B两 组的抗 折强度 和抗 压强度 都是 随 着分 布模数 的增大 先增大后 减小 。 A组 的抗折 强度 A2最 大 ， 抗压强度 A 3最大； B组的抗折强度和抗压强度都是 B 3最高。 在水胶 比不变的条件下， B组 的抗压强度明显高于 A组的抗 压强 度 。 在 A组和 B组试验的基 础上 ， 以 A 3和 B 3为基础 ， 钢纤 维 日 山 、 骥 3 2 0 3 4 0_ 3 6 0 _ 3 8 0 4 0 0 4 2 分布模 数 图 4 分布模数对 RP C抗压强度的影响 的掺量为 1 5 ， 外加剂掺量为胶凝材料的 2 ， 调整各粒径石 英砂 的比例 和水胶 比， 控制 R C的胶砂 流动度在 1 7 0 - 1 8 0 i n n l 的范围内， 试验结果见表 5 。 从表 5 可知， 改变砂的级配， 控制 R P C的胶砂流动度相同， 5号的水胶比最低 ， 为 0 1 7 5 ， 但它的强度并不是最高的； 7号的 水胶 比最高 ， 达到了 0 2 4 4 ， 但它的抗折强度最高； 综合强度最 高的是 1 号 ， 为粗砂、 中砂 、 细砂、 粉体材料最紧密堆积。 因此配 制 R P C不能一味的强调低水胶比， 而是要使 R P C级配合理， 达 到最紧密堆积 。 表 5 RP C配合 比及试验结果 5 RP C的力学性能和耐久性能 R P c的配合比为水泥： 粗砂： 中砂： 细砂： 硅粉 = 1 ： 0 6 2 2 ： 0 4 8 8 0 3 7 0 ： 0 2 1 3 ， 钢纤维的掺量为 1 5 ， 外加剂掺量为胶凝材料的 2 ， 用混凝土搅拌机成型， 蒸养制度与前面相同， 测试了 R P C 的力学性能和耐久性 能 ， 试验结果见表 6 。 表 6 R P C的力学性能和耐久性 能 6结 论 ( 1 ) 不论是采用粗砂 、 中砂、 细砂 、 粉体材料粒径连续分布， 还是 采用 中砂 、 细砂 、 特 细砂 、 粉体 材料 粒 径连 续分 布 ， 按 照 Di n g e r F u n k方程设计配合 比进行试验 ， R P C达到最紧密堆积 时， 以分布模数在 0 3 7 作用时密度最大 ， 抗折强度和抗压强度 较高。 ( 2 ) 试验证明， 只有当材料达到了最紧密堆积时， R P C的抗 压强度和抗折强度最高。 利用 Di n g e r F u n k方程设计的级配体 系良好的紧密堆积效果验证了多级颗粒填充体系粒径分布的 合理性 ， 为解决 R P C配合比的设计提供了理论依据。 ( 3 ) 在综合考虑 R P C流动性和强度的前提下 ， 建议采用最 大粒径为 1 2 5 n q lT l 石英砂 、 粉体材料粒径连续分布， 原材料 比 例为： 水泥： 粗砂： 中砂： 细砂： 硅粉 = 1 ： 0 6 2 2 ：0 4 8 8 ： 0 3 7 0 ： 0 2 1 3 ， 配 制的 R P C具有 良好的物理力 学性 能和耐久性能 。 参考文献 ： 1 B ON N E A U 0， P OU L I N C ， D U G AT J Re a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ： f r o m t h e o r y o f p r a c t i c e J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 6， 1 8 ( 4 )： 4 7 4 9 2 程荣超 ， 王瑞和， 步玉环 基于分形理论的固井水泥浆体系设计 J 】 西 安石油大学学报， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 6 0 6 3 作者简 介 联 系地址 联 系电话 王谦 ( 1 9 7 1 一 ) ， 女 ， 高级工程师 ， 主 要从 事高性能混凝土 的 研究与应用。 济南市无影山路 2 9 号 山东省建筑科学研究院( 2 5 0 o 3 1 ) 1 3 9 5 41 61 0 6 6 1 3 1 加醯 船 如铝 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m