活性粉末混凝土仿古砖在天安门地面改造工程中应用的研究.pdf

中国科技核心期刊 新鲤 建赡 活胜粉末混凝土仿古砖在天安门 地面改造工程由应用硇研究 李锐， 范磊 ， 曹志峰， 彭明强 ( 中国建筑材料科学研究总院， 北京1 0 1 ) 0 2 4 ) 摘要： 活性粉末混凝土( R P C ) 是一种超高性能的水泥基材料， 具有高强度、 高韧性、 耐久性强、 极低渗透性、 体积稳定性良好等 特点。在传统 R P C配制技术的基础上， 考察了配合比、 振捣方式以及养护方式对 R P C性能的影响， 研究开发出新型的R P C仿古砖。 结果表明： 当m( 水泥) - m( 石英砂) ：m( V 粉) ： m( 硅粉) - 1 ： 1 1 ： 0 1 4 ： 0 2 ， 水胶比为 O 2 1 时， R P C材料具有较好的工作性能和力学性能， 通过蒸汽养护， R P C仿古砖的抗压强度可达 l 1 0 M P a以上， 抗折强度可达 1 1 M P a以上， 目前 R P C仿古砖已成功应用于天安门地面 改造工程。 关键词： 活性粉末混凝土； 仿古砖； 配制技术； 性能特点； 应用 中图分类号： T U 5 2 8 5 9 U 4 1 4 1 + 8 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 2 2 0 3 Re s e a r c h o n t h e a p p l i c a ti o n o f r e a c ti v e p o wd e r c o n c r e t e a r c h a i z e b r i c k i n T i a n a n me n S q u a r e g r o u n d i mp r o v e me n t p r o j e c t L I R u i ， F AN L e i ， C A 0 Z h if e n g ， P E N G Mi n g q i a n g ( C h i n a B u i l d i n g Ma t e ri a l s Ac a d e m y ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： R e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ( RP C ) i s a n e w c e me n t - b a s e d ma t e ri a l w i t h u l t r a h i g h p e rf o r m a n c e s ， s u c h a s h i gh s t r e n g t h， e x c e l l e n t d u r a bi l i t y， h i s h d uc t i l i t y ， g r e a t v o l u me s t a b i l i t y a n d e n v i r o n me n t c o n s e r v a t i o n Th i s p a p e r d e v e l o pe d a n e w t y p e o f RP C a r c h a i z e b ric k 0 n t h e b asi s o f t h e r e s e a r c h o f t r a d i t i o n a l RP C p r e p a r a t i o n t e c h n o l o g y， and r e v i e we d t h e i n flu e n c e o f mi x i n g p r o p o r t i o n ， v i b r a t i o n mo d e a n d c u rin g s y s t e m o n t h e p e rfo rm a n c e s o f RPCTh e r e s u l t s h o w e d t h a t RPC h a d b e t t e r me c h a n i c s p e r _ f o r ma n e e a n d wo r k a b i l i t y wh e n c e me n t ： s i l i c a s an d ： b l as t s l a g ： s i l i c a f u me a mo u n t e d t o 1 ： 1 1 ： O 1 4：02， a nd wa t e r b i n d e r wa s 021 I n t h e c o n d i t i o n o f s t r e a mi n g c u ri ng 。 t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h w a s a b o v e 1 1 0 MPa ， fle x u r al s t r e n gth Was mo r e t h a n 1 1 MPa No w t h e R P C a r c h a i z e b ri c k s h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n T i a n a n me n S q u a r e g r o u n d i mp rov e me n t p mj c t Ke y wo r d s ： r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ； a r c h a i z e b ri c k ； p r e p a r a t i o n t e c h n o l o gy ： ma t e ri a l p e r f o rm a n c e ： a p p l i c a t i o n 随着工程建设的不断发展，对混凝土技术的要求越来越 高，强度较低且功能单一的传统混凝土已 经不能适应当前日 新月异的土木工程的需要和新技术革命的挑战。高性能混凝 土( H P C ) 的出现和应用在很大程度上推动了混凝土技术的进 步， 但高性能混凝土仍然存在着许多亟待解决的问题， 如高脆 性影响结构的抗震性能、 抗火性能差， 低水灰比导致收缩变形 较大等。 1 9 9 3 年法国B O U Y G U E S 公司以P i e r r e R i c h a r d 为首 基金项 目： 科研院所技术开发研究专项资金项 目( 2 0 1 3 E G 1 3 2 0 8 2 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 1 0 2 ； 修订 日期 ： 2 0 1 4 0 6 2 0 作者简介： 李锐， 女， 1 9 8 6 年生， 安徽阜阳人， 工程师， 主要从事水泥混 凝土的研究 开发以及重大工程材料 的技术服务 、 开 发及 推广 。通 讯 作者： 范磊， 地址： 北京市朝阳区管庄东里 1 号东楼 2 加， 电话： 0 1 0 5l 】 6 7 4 5 0， E-ma rl： f a n l e i e b ma ma i l c o rn c n。 2 2 新型建筑材料 2 0 1 4 9 的研究小组研制出一种新的超高强度、 高耐久、 高韧性的水泥 基复合材料一活性粉末混凝土( R P c ) I _ 2 1 。R P C 作为一类新 型混凝土，不仅可获得 2 0 0 M P a 或8 0 0 M P a 的超高抗压强 度， 而且具有3 0 6 0 M P a的抗折强度， 有效地克服了普通高 性能混凝土的高脆性。R P C的优越性能使其在土木、 石油、 核 电、 市政、 海洋工程及军事设施中有着广阔的应用前景， 目 前 R P C已成为国际工程材料领域一个新的研究热点阁 。 1 工程简介 天安门地面改造工程南起天安门北侧基石，北至端门南 侧基石， 施工总面积约为 1 3 2 万 ， 主要是更换 1 9 9 9 年铺装 的混凝土仿古砖以 解决地面防滑和破损问题。此次改造工程 要求地面铺装材料不仅具有高性能，还要保持砖材质的传统 特色， 与故宫院内 地面的 规格、 颜色等协调一 致。 因 此， 改 造工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李锐， 等： 活性粉末混凝土仿古砖在天安门地面改造工程中应用的研究 程使用的仿古砖采用工厂化预制， 长4 7 8 m m 、 宽2 3 8 m m 、 厚8 0 m m ， 抗压 强度大于1 0 0 M P a ， 抗折强度大于l 1 M P a ， 耐磨度大 于2 0 ， 防滑性能指标大于7 0 B P N 。 经过比 选后最终确定选用 具有超高强度、 高耐久性的新型绿色高性能材料R P C制作仿 古砖。但由于R P C对制备技术和生产工艺等都有较高的要 求， 在试验阶段就遇到蜂 窝麻面、 孔 洞多、 色差大等瓶颈问 题， 直接影响到工程的顺利推进。基于此， 本文针对R P C 材料的 制备原理、 性能及应用等方面进行了深入研究， 开发出性能指 标满足要求的R P C仿古砖， 并成功应用于天安门地面改造工 程。 2 R P C的制备原理与性能 2 1 R P C制备原理 R P C材料配制原理是 ： 通过提高组分的细度与活性使 材料内 部的 缺陷( 孔隙 与微裂缝) 降到最少， 以 获得超高强度 与高耐久性。 因此， 提高复合物匀质性及颗粒密实度的措施是 R P C设计的根本所在。在制备时采取以下措施： ( 1 ) 用石英砂 代替粗骨料， 掺入硅灰类超细矿物粉或磨细石英粉， 以提高匀 质性； ( 2 ) 优化颗粒级配， 并且在凝固前和凝固期间加压排水， 进一步提高密实度，并最大限度地减小混入的空气以及伴随 水 化反 应而产生的 化学收缩： ( 3 ) 应用高性能 减水剂减少用水 量， 降低孔隙率； ( 4 ) 掺加微细的钢纤维以提高韧性； ( 5 ) 凝固 后热养护使R P C的反应性得到充分发挥， 改善微结构。 2 2 R P C的性能特点 与普通混凝土相比较， R P C 不仅可以大量减少材料用 量， 降低建筑成本， 节约资源， 减少生产、 运输和施工能耗， 还 具有很多现有的高性能混凝土无法具备的优越性l 7 - 】q 。 ( 1 ) 力学性能 活性粉末混凝土由细石英砂、 水泥、 水、 硅灰、 钢纤维、 高 性能减水剂等组成， 与H P C 不同， R P C中 没有粗骨料， 从而使 材料内部的缺陷降到最少，并掺入细短钢纤维以提高韧性和 体积稳定性，通过蒸汽养护来加速活性粉末的水化反应和改 善微观结构， 促进细骨料与活性粉末的反应， 提高界面的粘结 力， 从而提高混凝土的各项性能。 ， 因 此， 活性粉末混凝土的显著特点是高强度、 高韧性、 高 耐久性。这种混凝土抗压强度可达2 0 0 M P a 以上， 是普通高 强混凝土的2 倍； 抗折强度可达 3 0 M P a 以上， 是普通高强混 凝土的4 倍； 弹性模量可达 5 0 G P a 以上， 比普通高强混凝土 高得多； 断 裂能 达2 0 0 0 0 J ，m ： ， 可与金属铝媲美。 ( 2 ) 耐久性 R P C 具 有优异的 耐久 性， 主要是由 于： 多种掺合料的 填 充效应和高性能减水剂的加入， 使得R P C水胶比非常小， 拌合 水几乎能完全反应，混凝土内部几乎 没有多余 水分； R P C 结构致密、 质地均匀、 抗渗透性能好， 外界侵蚀介质很难渗透 到内部， 其氯离子渗透系数分别为普通混凝土和高性能混凝土 的1 5 0 和1 3 0 ； R P c 的 孔隙 率非常低， 孔径分布在纳米级， 因而具有非常好的抗冻性、 抗腐蚀性和良 好的耐磨性。 3 R P C仿古砖制备技术 3 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 采用4 2 5低碱普通硅酸盐水泥。水泥熟料中 C 含量不大于 8 ， 比表面积不大于3 5 0 m 2 k g ， 其性能符合 G B 1 7 5 2 0 0 7 通用硅酸盐水泥 的规定。 ( 2 ) 骨料： 采用S i O ： 含量大于 9 7 1 石英砂， 分粗粒径石 英砂( 1 0 0 6 3 m m ) 、 中粒径石英砂( 0 6 3 0 3 1 5 m m ) 、 细粒径 石英砂( 0 3 1 5 0 1 6 m m ) 及超细粒径石英粉( 0 1 6 m m以下) 4 个粒级， 前 3 个粒级质量配比为 1 ： 2 ： 1 ， 超细粒径石英粉用量 不大于5 ， 含泥量0 5 。 ( 3 ) 硅粉： 灰白色细粉， S i O 含量8 5 ， 含水率 3 0 ， 比表面积1 8 0 0 0 m 2 k g 。 ( 4 ) 矿粉： 采用$ 9 5 级矿粉， 比表面积4 3 0 m g 左右， 含 水率1 0 。 ( 5 ) 高性能减水剂： 采用聚羧酸高性能减水剂， 减水率为 3 0 ， 1 h 坍落度无损失。 ( 6 ) 颜料： 采用某颜料公司生产的拜耳黑， 用来调整R P C 仿古砖最终成品的颜色。 3 2 试验方法 ( 1 ) 混凝土搅拌： 将水泥、 硅灰、 矿粉和 8 0 溶有高性能 减水剂的水倒入搅拌锅内搅拌4 m i ra然后加入石英砂和超细 石英粉以及剩余2 0 溶有减水剂的水， 搅拌5 m i n 至均匀。 ( 2 ) 混凝土成型： 混凝土应一次装满模具， 连续灌注， 应具 有良 好的 密实度； 采用2 种 振捣方式； 台 式振捣与 插入式振 捣， 分析比对2 种振捣工艺对R P C密实度、 孔隙率等性能的影响。 ( 3 ) 养护： 成型完毕的构件养护分为静停、 初养、 终养及自 然养护等4 个阶段， 蒸汽养护时温度适宜采用自 动控制系统。 混凝土成型后将构件带模 板运输至静停区域， 并 在成型 面表 面 用塑 料薄膜覆盖， 以 减少构件的 水分蒸发 散失。 静 停环 境温 度应在1 8 以上、 相对湿度在6 O 以上， 静停时间不得短于6 h 。静养完毕的构件搬运至养护窑或养护坑， 通过蒸汽加热养 护室内环境温度， 升温速度应控制在 1 2 h以内， 降温至构 件表面温度与环境温度相差不超过2 0 时， 可以出窑( 或坑) 拆模； 初养过程环境相对湿度应保持在7 O 以 上。初养结束后 拆模并搬运至终养室， 码垛蒸汽养护， 升温速度小于 1 2 l l ， 降温速度小于 1 5 h ； 恒温温度控制在( 7 5 5 ) o C ， 恒温养护 NE W B U J L DI NO MAT E R I AL S 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李锐 ， 等： 活性粉末混凝土仿古砖在天安 门地面改造工程 中应用的研究 4 8 h 。构件终养结束后自然养护。 ( 4 ) 强度测试： R P C 试件的抗压强度、 抗折强度按北京市 地方标准D B 1 1 - T 1 5 2 -2 0 0 3 城市道路混凝土路面砖 进行 测试， 试件尺寸4 7 8 m m x 2 3 8 r n m x 8 0 m m 。 3 3 试验结果及分析 3 - 3 1 配合 比 要配制出满足强度、 耐久性和工作性要求的R P C 仿古砖， 除了选择优质的原材料外， 适当的配合比也是重要因素。 根据 大量前期试验， 考虑水胶比、 砂灰比 、 硅粉水 泥比、 高性能 减水 剂掺量等因素对性能的影响， 最优配合比见表 1 。 按最优配合 比制得的R P C仿古砖2 8 d 抗压强度达到1 1 5 0 M P a ， 2 8 d 抗 折强度为 1 1 8 M P a 。 表 1 R P C仿古砖的最优配合比 麓 M 蓄 M 水 泥石 英 砂矿 粉硅 粉减 水 剂 蚀 J曼 鼬 殳 ， 8 6 0 9 5 0 1 2 0 1 7 0 1 82 021 1 1 5 0 1 1 8 3 3 2 振捣工艺和养护方法对R P C性能的影响 振捣工艺和养护方法对R P C强度和外观质量的影响见 表2 。 表 2 振捣工艺和养护方法对 R P C性能的影响 强 。，ss z 嚣s z 。 s s 有孔洞 ， 蜂窝麻 面 ( 1 0个 mz ) 无孔洞 ， 表面无 明显裂纹 、 麻面 从表2 可知： 采用台式振捣制备的R P C 抗压、 抗折强度 比 插入式振捣略高， 但相差不大， 说明2 种振捣方式对R P C 的强度影响不大， 但综合考虑外观质量情况， 宜优先采用台式 振捣。这是因为台式振捣机械化程度高， 振动强度较大， 振动 频次也容易控制， 稳定性较插入式振捣好。 对于养护工艺， 蒸汽养护要明显优于标准养护， 抗压强度 要高出3 0 M P a 左右，说明蒸汽养护对R P C的活性反应有明 显的促进作用， 可大幅度提高其抗压及抗折强度。 3 4 施工注意事项 ( 1 ) 对原材料质量严格控制， 原材料的称量误差应符合规 范要求， 特别是拌和用水的计量。 ( 2 ) 混凝土搅拌应采用高效、 匀质性好的行星式、 逆流式、 双锥式或卧轴式强制搅拌机。拌和物宜先将掺合料和细骨料 干拌， 再加水泥和部分拌和用水， 最后加减水剂和剩余的拌和 用水， 适当延长搅拌时间。 ( 3 ) 应 采用高 频振动台 振捣至混 凝土顶面基本不冒 气泡， 2 4 新型建筑材料 2 0 1 4 9 宜采用二次振捣及二次抹面， 刮去浮浆， 确保混凝土的密实性。 ( 4 ) 养护期间， 特别是终养期间， 制品间留3 O 一 5 0 m m的 间隙， 以 利于蒸汽的流动； 应使与蒸汽接触的制品外表面积尽 可能最大， 以利于热量的传递； 养护池中蒸汽不能直接喷在构 件表面， 应使蒸汽向下方喷； 在每一构件码垛上方都要覆盖塑 料薄膜， 防止窑( 或坑) 顶上的冷凝水直接滴于制品表面， 影响 制品外观。 3 5 应用效果 在此次天安门地面改造工程中，通过调整振捣工艺与蒸 养制度等技术改造， 解决了前期仿古砖孔洞多、 色差大的技术 难题， 并针对工期紧、 任务重的困难， 开发出E P S 高强模具， 克服了钢模成本高、 施工不方便的缺点， 极大地提高了生产效 率和产品 质量， 在2 0 d 内 共生 产R P C 仿古砖7 4 7 6 8 块( 约 计 8 6 0 0 m 2 ) ， 确保了工程如期竣工( 见图1 ) 。 工程完成后， 天安门 地面设施得到改善， R P C仿古砖不仅美观、 防滑耐磨， 而且耐 久性极好， 具有良 好的环境、 经济和社会效益。 一 图 1 R P C仿古砖的施工和应用效果 4 结语 R P C仿古砖在天安门地面改造工程中的成功应用， 体现 了这种新材料的优越性能。 随着我国国民经济的迅速发展， 高 层建筑、 高速铁路、 桥梁等工程日新月异， 为R P C的应用提供 了巨 大的市场。 ( 1 ) 当配合比为m( 水泥) ： m( 石英砂) ： m ( 矿粉) ： 玑( 硅粉) = 1 ： 1 1 ： 0 1 4 ： 0 2 ， 水胶比为0 2 1 时， R P C材料具有较好的工作性 能和力学性能。 ( 2 ) 台式 振捣与 插入式振捣2 种振捣方式对R P C 的强度 影响不大， 但台式振捣机械化程度高， 振动强度较大， 稳定性 好， 对R P C 产品外观控制比较有利。 ( 3 ) 蒸汽养护对R P C的活性反应有明显的促进作用， 可大 幅度提高其抗压及抗折强度。 通过蒸汽养护， R P C 仿古砖抗 压强度可达 1 1 0 M P a 以上， 抗折强度可达1 1 M P a以上。 参考文献： 1 R i c h a r d P ， C h e y r e z y MRe a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e w i t h h i g h d u c 一 ( 下转第 5 8页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石伟国， 等： 深圳翡翠海岸花园种植及蓄水屋面的施工技术 ( 6 ) 变形缝大样。 屋面高低跨处变形缝防水大样见图7 ； 屋面不覆土处变形缝防水大样见图8 。 3 m 厚 钢 板 L 2 3 0 ( 通 长 ) 油 膏 嵌 缝 最 乌 器 膨胀螺栓 固定 ( 余同) 卷材防水层 改性沥青麻丝 2 JI ln l 厚铝合金 排水管 i 1 m n 厚不锈钢板 排水浅沟 ( 0 3 坡向落水 口) 详园林部 分施工图 图 7 屋面高低差处变形缝大样 图 8 屋面种植不覆土处变形缝大样 9 施工体会 ( I ) C P S C L反应粘结型高分子湿铺防水卷材不仅具有 物理吸附和卯榫作用， 而且在深入混凝土基层的卵榫部位产 生化学键合作用， 卯榫和化学交联两种作用协同进行， 使粘结 更为牢靠， 防水效果更加明显。 ( 2 ) C P S C L 反应粘结型高分子湿铺防水卷材与混凝土 界面密封部位存在化学交联键， 连接牢固， 不可逆转， 粘接更 持久。 ( 3 ) 种植屋面是目 前比较流行的一种屋面， 也是今后发展 的一个趋势。在屋面防水层上用各种培养基种植绿色植物， 既 起到了 隔热降 温的 作用， 又 起到了 保温作用。 ( 4 ) 蓄水屋面可以利用水的蓄热和蒸发， 大量消耗投射在 屋顶上的太阳辐射热。其隔热原理是通过在屋顶中设置通风 的空气间层降低屋项下表面的温度， 达到隔热降温的目的。 ( 5 ) 种植屋面成本比普通绿化屋面的成本高3 5 倍， 比 普通屋面成本高约l 0 倍； 所以， 防水及排水设计必须合理， 防 水施工质量极为关键， 如发生渗漏， 维修极其困难。 ( 6 ) 对于屋面防水层的基层， 推荐采用现浇混凝土结构表 面原浆抹光的做法， 既可以使防水层直接粘贴在结构面减少 隔 离层， 又可以 节省1 道水泥砂浆找 平层， 从而节省费用( 按 2 0 I B m厚计， 本工程约可节省9 0 0 m 3 水泥砂浆) 和减轻建筑 物自 重。 参考文献： 1 G B 5 0 3 4 5 -2 0 1 2 ， 屋面工程技术规范 s 【 2 G B 5 0 2 0 7 -2 0 1 2 ， 屋面工程质量验收规 范【 s 】 3 】3 J G J 1 5 5 2 O l 3 ， 种植屋面工程技术规范 S 】 A ( 上接第 2 4页) t i l i t y a n d 2 0 0 8 0 0 MP a c o m p r e s s i v e s t r e n g t h叨 A C I S P 1 4 4 ， 1 9 9 4( 3 ) ： 5 0 7 5l 8 【 2 】 Ri c h a r d P ， C h e y r e z y MC o m p 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 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 ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 1 5 0 1 1 5 1 1 3 吴 炎海， 何雁斌 活性粉末 混凝土 ( P -p C ) 的性能研究及应用前 景 J 福建建筑 ， 2 0 0 2( 4 ) ： 5 0 - 5 2 【 4 1 毕巧巍， 杨兆鹏 活性粉末混凝土的研究与应用概述 J 】 山西建 筑 ， 2 0 0 8 ， 1 7 ( 3 4 ) ： 5 - 6 【 5 】 鄢 飞活性粉末混凝土研究进展 J 福 建建筑 ， 2 0 0 8 ， 1 2 2( 8 ) ： 1 2 7 - 1 2 9 5 8 新型建筑材料 2 0 1 4 9 6 】6 王震宇 ， 陈松来 活性粉末混凝 土的研究与应用进展 J 】 混凝土 ， 2 0 0 3( 1 1 ) ： 3 9 - 41 【 7 】 R i c h a r d P R e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e s ： A n e w u l t r a - h i g h s t r e n g t h c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l ( ： y T h e 4 I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m o n U t i - l i z a t i o n of HJ g h S t r e n g t h Hi g h P e rf o r ma n c e Co n c r e t e ， P a ris ， 1 9 9 6 8 】 李刚新 型环保型活性粉末混凝 土 ( R P C ) 的制各 、 力学特性及机 理 的研究【 D 】 南京 ： 东南大学 ， 2 0 0 0 9 覃维祖 活性粉末混凝土的研究【 J 石油工程建设， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 3 ) ： 1 3。 1 0 白泓， 高日 活性粉末混凝土 ( R P C ) 在工程结构中的应用【 J 建 筑科学， 2 0 0 3 ， 1 9 ( 4 ) ： 5 1 5 4 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m