活性粉末混凝土的原材料及其掺量选择.pdf

2 0 1 1年 第 1 0期 (总 第 2 6 4 期 ) Nu mb e r 1 0i n2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 4 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOL 0GY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 0 0 4 2 活性粉末混凝土的原材料及其掺量选择 陈昌礼 ( 贵州师范大学 材料 与建筑工程学 院，贵州 贵阳 5 5 0 0 5 9 ) 摘要： 为了促进活性粉末混凝土的研究与应用， 结合我国南方某在建铁路客运专线所需的活性粉末混凝土构件， 对配制活性粉末混凝 土的原材料及其掺量进行了探讨。 结果表明： 将粗石英砂与细石英砂按照适当比例混合， 同时掺入适当掺合料和高效减水剂， 采用混凝土 常规成型方式， 通过蒸汽养护甚至仅在标准养护条件下， 可以生产出抗压强度不低于 1 3 0 MP a 的混凝土。 关键词 ： 铁路工程 ；活性粉末混凝 土 ；原材料 ；配合 比 中图分类号 ： T U5 2 8 5 9 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 1 2 4 0 3 Ra w ma t er i al s a nd t he i r c on t en t s s e l e c t i on o f r e a c t i ve powde r c onc r e t e CHEN Ch a n g - l i ( S c h o o l o f Ma t e r i a l s a n dAr c h i t e c t u r e E n g i n e e r i n g ， G u i z h o u No r ma l U n i v e r s i ty， G u i y a n g 5 5 0 0 5 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o p r o mo t e t h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ( R P C) L a u n c h e s s o me i n v e s t i g a t i o n o n r a w ma t e r i a l s a n d t h e i r c o n t e n t s s e l e c t i o n ba s e d o n a n u n d e r - c o n s t r uc t i o n r 1 wa y e x p r e s s l o c a t e d i n S o u t h o f Ch i n a wh e r e RP C me mb e r i s i n d e ma n d Th e r e s u l t s s h o w t ha t by r o u t i n e mo d e l i n g a n d s t e a m c u r i n g o r s t a nd a r d c u r i n g c o nc r e t e wi m c o mp r e s s ive s t r e n g t h o f h i g he r t h a n 1 3 0 M P a i s o b t a i n a bl e u n d e r t he p r e mi s e o f a p p r o pr i a t e l y mi x i n g c o a r s e a n d fin e q u a z s a n d a s we l l a s i n c o r po r a t i o n o f mi n e r a l a d mi x t u r e a n d e ffic i e n t wa t e r - r e d u c i n g a g e n t K e y wo r d s ： r a i l wa y p r o j e c t ； r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ； r a w ma t e r i a l s ； mi x i n g p r o p o r t i o n ( 1 引言 活性 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) 是 一 种超高强 、 高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料。 它于 1 9 9 4年在由法国P R i c h a r d等【 l j人发表的论文中第一次公开提 出， 现已成为国际工程材料领域的研究热点。 它的基本思想是， 通过提高组分的细度与活性 ， 将材料内部的孑 L 隙、 微裂缝等缺 陷减到最少， 以获得超高强度和高耐久性。 它的主要实现手段包 含： 去除粗骨料 ， 提高原材料的匀质性； 优化颗粒材料级 配， 使颗粒 昆 合料体系达到最密实状态 ； 优选与活性组分相 容性良好的高效减水剂， 降低水灰比， 使浆体在最少用水量条 件下具有良好的工作性； 采用热养护 ， 改善微观结构； 加入 钢纤维， 提高混凝土的韧性和体积稳定性l 2 l 。 近年来， 北京交通大学、 中国铁道科学研究院、 中国矿业大 学等国内科研机构对 R P C材料的配制技术 、 基本力学性能、 耐 久l生能等进行了研究， 取得了不少积极成果。 本研究结合我国南 方某在建铁路客运专线桥梁盖板和挡板所需的活性粉末 昆 凝 土， 对配制 R P C的原材料及其掺量进行探讨。 1 某铁路活性粉末混凝土的设计要求 铁路客运专线桥梁采用整体式人行道挡板时， 由于振动荷 载、 风力及列车风载较大， 使得挡板尺寸大， 自重较重； 人行道 盖板作为客运专线桥梁检查车的移动通道， 需要承担相应的荷 收稿 日期 ：2 0 1 1 - J 0 4 2 3 基金 项目： 科技部科技人员服务企业行动项目 ( 2 0 0 9 G J F 2 0 0 2 7 ) 1 2 4 载， 截面高度大 ， 白重也将加大。 同时， 客运专线桥面上设施多， 各种设施的组合使铺设在桥面之上 的二期恒载较重。 采用 R P C， 既可减轻安装难度， 还可大大减轻桥面恒载。 并且 ， 由于 R P C具有较高的抗拉强度， 可保证在使用过程中构件不开裂， 整 体性较好， 能够很好地满足构件的使用性能和耐久性。 我国南方某在建铁路客运专线工程计划在挡板、 盖板等部 位使用 R P C， 要求用于 R P C的水泥就地取材， 且水泥熟料的铝 酸三钙( c A) 含量不大于 8 ； 混凝土的水胶比不大于0 2 ； 拌合 物的坍落度应小于 1 8 0 mm； 不得使用氯盐类外加剂。 混凝土成 品的性能应满足表 1 的要求。 表 1 某铁路活性粉 末混凝土的设计指标 抗 斥强度 抗折强度 弹性模量 氯离子渗透量 抗 冻强 度 便用 鄙 位 MP a MP a GP a C 等级 挡板 、 盖板 1 3 0 1 8 4 8 F 5 0 0 2 原材料选择 2 1 水泥 研究表明， 配制 R P C时， 一般不得选用低于 4 2 5 级的水泥， 宜优先选用 5 2 5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥 3 。 按照就 地取材的原则， 选择当地的一家大型水泥厂生产 P O 5 2 5 ， 同时 控制其熟料的c A 含量不大于 8 。 试验所用水泥的化学成分 与物理力学性能见表 2 、 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 水泥的化学成分 Ca O S i O2 A1 203 F e 2 03 Mg O S O3 Na 2 0 K2 O Cl L o s s 6 2 7 7 l 9 3 9 4 6 1 3 00 1 1 6 2 5 O O 1 8 O_4 5 O 0 3 4 7 0 2 2 硅 灰 硅灰是在冶炼硅铁合金或工业硅时， 利用特别设计的收尘 器， 对炯道排放的高温废气进行收集、 加工而得到的无定型的 同粒径颗粒问的孔隙； 二是与水泥的水化产物 C a ( O H) 发生二 次水化反应， 降低孔隙率并改善孑 L 结构 ， 增强耐久性， 同时可以 控制碱骨料反应H 。 选择硅灰时， 主要考虑它的纯度和颗粒粒径。 根据 G B T 1 8 7 3 5 -2 0 0 2 ( 高强高性能混凝土用矿物外加剂 ， 要 求硅灰的 S i O ： 含量不低于 8 5 ， 比表面积不低于 1 5 0 0 0 m 2 k g ， 烧失量不超过 6 ， 活性指数不低于 8 5 。 本试验选用的硅灰的 超细粉状材料。 它在混凝土中的作用主要有两方面： 一是填充不 主要技术指标如表 4 。 表 3 水泥的物理 力学性 能 2 3 矿渣或粉煤灰 国内硅灰产量低 ， 价格较高， 且比表面积较大的硅灰不利 于新拌混凝土的工作性。 因此 ， 在配制 R P C时 ， 宜掺用部分磨 细矿渣( 冶金工业的副产品) 或超细粉煤灰( 燃煤发电厂的副产 品) 来代替部分硅灰 ， 除变废为宝和降低成本外 ， 还可降低混凝 土的温峰， 提高混凝土的后期强度。 由于当地 I 级粉煤灰产量少， 按照就近取材原则， 选用了当 地生产的磨细矿渣， 其技术指标如表 4 。 表 4 硅灰的主要技术指标 化学成分 Si O2 A1 2 03 F e 2 O3 Ca O M n O M g O S O3 Na 2 0 K2 O 烧失量 比表面积 ( mE k g ) 9 0- 3 5 1 0 4 2 1 6 0 9 2 0 2 4 0 7 6 0 - 2 5 0 5 8 0 5 8 2- 3 8 1 8 3 3 5 41 -3 9 1 4 01 l _ 8 2 l 90 O 9O 3 4 2 3 1 8 O 0 3 4 1 0 6 4 2 O 5 7 0 2 4 骨料 为提高R P C的匀质性和强度， 配制 R P C时， 去除了粗骨料， 仅选用石英砂作为细骨料。 因为石英砂具有很高的硬度和优良 的界面性能 ， 且采集容易 ， 价格低廉。 选择石英砂时， 主要考虑 它的 S i O： 含量和平均粒径。 一般而言， 要求骨料的 S i O ： 含量不 低于 9 7 ， 平均粒径为 2 5 0 ix m、 粒径范围为 1 5 0 6 0 0 m3 _ 。 2 5 钢 纤 维 钢纤维的品种及掺量对 R P C性能有重要影响， 高强、 大长径 比、 易分散的纤维具有更优异的增强和增韧效果。 研究表明5 - 6 ， 乱向分布的短钢纤维可阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和宏观 裂缝的发生和发展 ， 对抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗弯 、 抗剪、 抗扭强度有明显的改善作用。 但掺入钢纤维的不足之处是 降低了 R P C的流动性。 根据国内外对掺钢纤维 R P C材料的研究统计 ， 钢纤维长径 比宜在 5 0 8 0内选定。 长径比大于 1 0 0的细长钢纤维在拌制时 易互相缠绕和弯折， 也不易捣实； 长径比过小的钢纤维的增强 效果不明显。 还有， 在 R P C强度试验中观察到， 试件破坏面上 的钢纤维基本上是一端被拔出， 说明钢纤维的抗拉强度并未充 分发挥， 而是破坏面附近的钢纤维与混凝土基体间的黏结强度 不足， 握裹力小 ， 导致钢纤维被拔出。 因此， 除了采用高强水泥 和通过掺入适量硅灰来提高钢纤维和混凝土基体之间的黏结 强度外 ， 应优先选用异形钢纤维 ， 如波状纤维 、 带钩纤维， 或选 用长径比相对较大的钢纤维， 以保证钢纤维和 R P C基体之间具 备足够的黏结力和握裹力 3 1 。 2 6高效减水剂 配制 R P C的高效减水剂， 一般要求减水效果达到2 9 , 0 以上， 并能与所选用的水泥相容。 目前， 国内主要有萘系高效减水剂 、 可溶性树脂型高效减水剂、 聚羧酸系高效减水剂等。 其掺量一般 为胶凝材料质量的2 左右， 具体视水泥品种及减水剂类别确定。 3 配合比的设计参数选择 3 1 水胶 比 水胶比是决定 R P C强度的主要因素， 也是影响其耐久性和 工作性的重要因素。 水胶比过大， 不能满足工程要求的超高强度 和耐久性 ； 水胶比过小 ， 不能满足要求的工作性。 水胶比的选择 必须同时满足 R P C强度、 耐久性和工作性的要求。 本试验的水 灰比的比选范围为 0 1 5 0 2 0 。 3 2 水泥掺量 基于本工程 ： 构件厚度仅有 2 5 mn l ， 未掺粗骨料 ； 混 凝土中掺有一定量的微细矿物掺合料 ， 可在一定程度上降低 水化热； 矿物活性材料的二次水化效应 ， 可减少混凝土在硬 化过程中的收缩裂缝。 所以， 本试验的水泥掺量的比选范围为 6 5 0 9 0 0 k g m 。 3 3 矿物掺合料掺量 按照就近取材和经济原则， 本工程选择硅灰和磨细矿渣为 拟用掺合料， 其试验比选掺量均为 8 , - 2 0 ( 占胶凝材料总量的 百分比) 。 试验研究表明， 若硅灰掺量减小， 混凝土拌合物的流 动性明显增加， 但硅灰对混凝土的增强作用降低 ； 若掺量增加， 拌和物的流动度明显降低， 抗折强度减小 ， 且成本明显提升； 若 矿渣掺量小， 它对混凝土的后期增强作用降低 ； 若掺量过大， 混 凝土的抗冻能力有所下降。 3 4 石 英砂掺 量 本工程要求配制的 R P C的强度等级不低于 1 3 0 MP a ， 远 高于高强混凝土， 但未超过 2 0 0 MP a 。 即是说， R P Cl 3 0混凝土 对密实度的要求高于高强混凝土， 但低于 R P C 2 0 0 。 因此 ， 为降 低混凝土生产成本 ， 本试验在选择骨料时 ， 没有使用粗骨料 ， 但也没有完全采用一般配制 R P C只使用粒径不超过 1 1 2 2 i n细 砂的经验 2 - 3 1 ， 而是采用 S i O 含量均为 9 8 7 的细石英砂( 0 1 6 2 0 mm) 与粗石英砂( 2 0 5 mm) 混合， 细砂与粗砂的混合比例 采用 1 5 ： 8 5 、 3 ： 7 、 4 ： 6 、 5 ： 5 、 6 ：4、 7 ： 3 、 1 ： 0进行比选 ， 砂胶比( 砂用量 与胶凝材料用量之 比) 采用 0 8 、 0 9 、 1 、 1 1 、 1 2进行比选， 石英 砂掺量的比选范围为 8 5 0 1 2 0 0 k g m 。 试验表明， 在其他条件相同情况下， 细砂越多 ， 或者砂胶比 越大， 拌合物流动度减少， 混凝土强度提高； 利用粒径范围宽的 石英砂拌制的 R F C的流动性总体上比利用粒径范围窄的砂拌 制的 R F C的流动性要大。 3 5 钢 纤维掺量 本试验采用按照YB T 1 5 1 1 9 9 9 标准生产的钢纤维，其长 度为 1 3 1 4 m m， 长径比为5 0 ， 试验比选掺量为0 5 2 ( 体积比) 。 1 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验表明， 随着钢纤维掺量增加， 混凝土的抗折强度、 抗压强 度 、 抗冻性提高， 但流动l生 逐渐降低， 混凝土成型越来越困难。 3 6高效减水剂掺量 本试验采用高浓型奈系高效减水剂、 固态聚羧酸系高效减 水剂、 液态聚羧酸系高效减水剂进行混凝土性能对比试验， 掺量 取 O 3 2 。 在混凝土性能指标接近的情况下， 优选价格相对便 宜的高效减水剂。 4结论及 建议 通过以上原材料及其掺量的多次对比试验研究， 结果表明， 利用当地的P O 5 2 5级水泥， 掺入适量的硅灰 、 磨细矿渣( 甚至 不掺矿渣) 、 高效减水剂和钢纤维， 控制好砂胶比， 拌和时间比 常规混凝土延长 2 4 0 3 6 0 S ， 通过蒸汽养护甚至仅在标准养护条 件下， 可以配制出抗压强度不低于 1 3 0 MP a的混凝土。 同时， 提出以下意见和建议供同行参考。 ( 1 ) 将细石英砂与粗石英砂按照适当比例混合 、 采用混凝 土常规成型方式( 未采取加压成型 ) 、 仅在标准养护条件下( 或 辅以适当蒸汽养护) 生产的抗压强度不低于 1 3 0 MP a的混凝土， 比完全采用粒径不超过 1 mm的细砂配制的抗压强度不低于 1 3 0 MP a的 R P C经济。 如果在加压成型、高温蒸汽养护或热养 护条件下， 利用前种方法配制的 R P C的早期强度提高更多。 ( 2 ) R P C使用的原材料种类多、 要求高， 工程应用的时间 短 ， 施工经验不多。 对于施工现场使用的小型构件， 或在施工现 场缺乏严格的生产条件和养护环境时， 建议在预制厂生产。 现场 生产和安装 R P C构件时， 宜在从事过 R P C材料试验、 设计、 施 工或监理工作的技术人员的指导下进行， 以确保 R P C构件的生 产和安装质量。 ( 3 ) “ 十二五” 期间， 我国将建成“ 四纵四横” 铁路客运专线 和基本建成快速铁路网， 营运里程达到 4 5万 k m ， 铁路人行道 盖板和挡板的需求量巨大。 但采用 R P C材料， 价格是普通混凝 土的 6 1 0倍左右。 是否有其他价格低廉 、 技术性能达标 、 施工 更方便的替代材料 ， 建议着手研究。 ( 4 ) R P C材料具有普通混凝土、 高强混凝土不具备的超高 上接第 1 2 O页 态混凝土有所提高。 ( 3 ) 钢纤维在碾压钢纤维粉煤灰混凝土中较在常态混凝土 中更容易均匀分布， 且大多数钢纤维在垂直于振动方向的平面 上呈二维乱向分布。 表明如将碾压钢纤维粉煤灰混凝土应用于 路面工程中， 能较大程度地发挥钢纤维的效用 ， 对提高路面的 抗折及抗裂能力效果明显。 参考文献 ： 1 】韩菊红， 崔岩 碾压钢纤维混凝土试验研究 J 1 混凝土与水泥制品 2 0 0 3 ( 2 ) ： 4 0 4 1 上接第 1 2 3页 【 2 】 韩素芳混凝土工程病害与修补加固【 M 】 _ E 京： 海洋出版社， 1 9 9 6 【 3 】刘卫东， 宫爱华 钢纤维硅粉混凝土的水工特性试验研究 J _水利学 报， 1 9 9 8 ( 4 ) ： 6 4 6 5 【 4 杨华全， 李文伟 水工混凝土研究与应用 M 】 E 京 ： 中国水利水电出 版社 ， 2 0 0 5 ： 2 0 2 2 0 5 1 26 强度 、 高耐久性和高韧性， 其应用范围应远不止于高速铁路工 程的人行道盖板、 挡板和寒冷地区水中结构构件的防护板。 国际 上一些专家、 学者甚至断言， R P C材料的出现是土木工程和材料 工程领域的一场革命。 国外已有在桥梁工程中应用的报道8 】 。 建 议我国混凝土及其工程界对 R P C材料在其他领域的应用加强 研究， 使其更好地为我国现代化建设服务。 参考文献 ： 1 R I C H A RD P， C H E YR E Z Y M H 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 c r e t e 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 ) ： 2 1 2 2 【 2 1 刘数华 ， 冷发光， 李丽华 混凝土辅助胶凝材料【 M 】 北京： 中国建材工 业出版社， 2 0 1 0 3 何峰， 黄政宇 活性粉末混凝土原材料及配合比设计参数的选择【J 新型建筑材料， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 7 4 7 7 4 】 陈昌礼， 屠庆模， 凌友志硅灰混凝土的研究及工程应用 J _新型建筑 材料， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 4 3 4 6 【 5 】Y i n w e n C h a n ， S h u h s i e n C h u E f f e c t o f s i l i c a f u m e o n s t e e l fi b e r b o n d c h a r a c t e r i s t i c s i n r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ! 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 ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 7 ) ： 1 1 6 7 1 1 7 2 6 】单波， 杨吴生， 黄政宇 冈 纤维对 R P C抗压强度增强作用的研究 J 1 湘潭大学： 自然科学学报， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 0 9 1 1 2 7 中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要 M 】 北京： 人民出版社， 2 0 1 1 8 A DE L I NE R， L A C HE MI M， B L A I S P D e s i g n a n d b e h a v i o r s o f t h e s h e r - b r o o k e f o o t - b r i d g e C 】 I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m o n Hi g h - p e r f o r ma n c e a n d R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e 1 9 9 8 ( 3 ) ： 8 9 9 9 作者简介 联 系地址 联系电话 陈昌 b ( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 教授， 硕士生导师， 主要从事混凝土材 料与固体废弃物综合利用研究。 贵州省贵阳市白云区白云北路 3 5 号 贵州师范大学材料 与建筑工程学院( 5 5 0 0 5 9 ) 1 3 9 8 5 5 9 6 8 7 9 2 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 ， 纤维混凝士结构技术规程【 s E 京 ： 中国计划出版 社， 2 0 0 4 3 】 D I J T 5 4 3 3 -2 0 0 9 ， 水工碾压混凝土试验规程【 s 】 - E 京 ： 中国电力出 版社， 2 0 0 9 4 14 郑京彪， 孙家瑛， 胡斌逸 路用钢纤维碾压混凝土物理力学性能研究 及应用f J 1 混凝土， 2 0 0 2 ( 8 ) ： 2 6 2 8 作者 简介 联系地址 联系电话 石保全( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 高级工程师， 主要从事水利工程及交 通工程研究。 郑州市农业东路 1 0 0 号( 4 5 0 0 1 6 ) 0 3 7l 一 6 7 7 8 0l 1 6 5 】 D I I F 5 l 4 4 _ - 2 0 叭， 水工混凝土施工 院【 s E 京： 中国电力出版社， 2 0 0 2 作者简介： 闰小虎( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕士研究生。 联系地址： 武汉市黄浦大街 2 6 9 号 长江科学院( 4 3 0 0 1 0 ) 联 系电话 ： 1 5 0 7 2 3 8 7 6 9 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m