掺加活性粉末混凝土研究

[摘 要]目前活性粉末混凝土已成为国际工程材料领域一个新的研究热点。活性粉末混凝土作为一类新型混凝土，不仅可获得超高的抗压强度，而且具有很高的抗折强度。本文通过对活性粉末混凝土样品制备、成型、养护的相关性能试验，进行了活性粉末混凝土实验分析与机理研究。

[关键字]：活性粉末混凝土水胶比抗压强度

中图分类号：TV331文献标识码： A

1绪论

1.1活性粉末混凝土概况

当今社会，科技高速发展，高性能混凝土的应用领域也越来越广泛。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是20世纪90年代法国学者Pierre Richard等[1]采用磨细石英粉和硅粉等技术措施研制开发的一种新型混凝土。

1.2活性粉末混凝土的发展和应用前景

活性粉末混凝土的性能极其的优越，同样可广泛的应用于各种领域。

1.3本文研究主要内容

针对活性粉末混凝土研究中存在的问题，本文开展了以下两方面的研究工作：

a) 根据活性粉末混凝土配制原理和实际情况选用原材料配制活性粉末混凝土，通过对不同掺合料进行的试验，考查对活性粉末混凝土流动度和强度的影响规律，进而优化，提出活性粉末混凝土配合比设计方法。

b)在混凝土试块制作过程中，水胶比是影响混凝土试块强度比较关键的因素之一，在本次试验中通过了对不同水胶比试块强度的对比研究，进而优化，提出活性粉末混凝土最佳的水胶比。

2试验

2.1原材料

2.1.1水泥

水泥是组成活性粉末混凝土最基本的材料，它与硅粉、粉煤灰、矿渣等活性矿物掺合料以及水、外加剂等混合搅拌，经过复杂的水化反应，由可塑性的混凝土浆体反应生成坚实的水泥石。配制活性粉末混凝土时，水泥的选用非常重要。本文试验选用的是冀东水泥厂生产的强度等级为P.O42.5的硅酸盐水泥：3天抗压强度为29.8MPa，3天抗折强度为6.5MPa。

2.1.2石英砂

石英砂主要由SiO2组成，具有优良的界面条件和比较高的硬度，因此石英砂在活性粉末混凝土中起到骨料的作用。

本试验中选用的石英砂为石家庄市正定产的粒径不大于5mm的中砂，其细度模数为2.7，表观密度2600 kg/m3，堆积密度为1510 kg/m3，含泥量2.0%，泥块含量0.3%，孔隙率为42.0%。

2.1.3硅灰

硅灰是在冶炼硅铁合金和工业硅时产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料。硅灰颗粒是无定形的球状玻璃颗粒，具有很好的球形形态。是配制活性粉末混凝土必不可少的组分。硅灰在活性粉末混凝土中主要起到以下三个方面作用[2-4]：

填充效应；火山灰效应；孔隙溶液化学反应。

2.1.4粉煤灰

本文所用粉煤灰为陡河Ⅰ级粉煤灰，其45μm方孔筛余量为12.0%，需水量比86.0%，含水率为0.1%，烧失量4.8%。

2.1.5高效减水剂

高效减水剂又称为超塑化剂，是高分子表面活性剂，并且有很强的固-液界面活性作用[5-7]。

本文选用了保定慕湖恒源生产的MZY-A5高性能聚羧酸减水剂，黄褐色液体，其减水率为27.0%，压力泌水率为36.2%，含气量为3.5%。

2.2实验设备和试验方法

2.2.1实验设备

a) FZ-31A型雷氏沸煮箱

本试验中采用的是FZ-31A型雷氏沸煮箱，规格为240mm×310mm×410mm。

b) FBY-40A型标准恒温恒湿养护箱

本试验中，试块的标准养护是在FBY-40A型标准恒温恒湿养护箱中完成的，温度20±1℃，湿度大于95％。

c) 振动台

本试验中采用的振动台规格：1000mm×1000mm，电动机功率1.1kw，振动频率2860次/分，振幅0.3mm～0.6mm，最大载重量250g，重量100kg。

ZBSX-92A型震击式标准振摆仪

砂标准筛

砂标准筛的孔径有：0.08，0.16，0.315，0.63，1.25，2.5，5，10(mm)

行星式水泥胶砂搅拌机

由中国建材科学院水泥所设计，是国家标准“水泥胶砂强度检验方法(ISO法)GB/T7671-1999”规定的统一设备，适用于水泥胶砂试件制备时的搅拌，并可用于美国标准、日本标准进行水泥试验和净浆胶砂的搅拌。

TYB-2000B型压力试验机试验机级别CLASS1级

图2.1TYB-2000B型压力试验机

图2.2混凝土试模

TYB-300型压力试验机 试验机级别CLASS1级

水泥胶砂三联试模 40mm×40mm×160mm

混凝土试模 70mm×70mm×70mm

ACS-6电子计价秤

本试验中物料称量仪器，最大称量6kg，最小称量40g，分度值2g，额定电压220V/50HZ，额定功耗10VA。

DK-98-1型电热恒温水浴锅

本试验中试块养护箱，其温度可在1℃～100℃之间调节，电源电压220V±22V，温度调节范围37℃～100℃，加热功率400V，额定频率50Hz±1Hz，温度波动度±0.5℃。

图2.3DK-98-1型电热恒温水浴锅

自制恒温箱

图2.4自制恒温箱

1)内养护小箱；2)外保温大箱；3)泡沫保温层；4)内养护小箱盖；5)外保温大箱盖。

自制恒温箱介绍：内养护小箱内放入养护温度热水，盖上内养护小箱盖，在内养护小箱和外保温大箱中间间隙放入热水保温，盖上外保温大箱盖。间隙内的热水和最外层的泡沫保温层起到了双重保温的作用使得热水降温的更缓慢。

2.2.2试验方法

活性粉末混凝土拌合物的流动度按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB2419-94)使用跳桌法测得，试件抗压强度按照《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ70-09)在TYB-2000B型压力试验机上测得。

2.3试件的制作与养护

2.3.1试件的制作

各原材料按配合比称量好，将砂子倒入搅拌锅中，用行星式水泥胶砂搅拌机干搅5min至均匀；加入水泥、硅灰、粉煤灰等胶凝材料，再干搅5min，使胶凝材料、砂子等达到全面接触和宏观上的均匀分布；加入水量的85％左右，继续搅拌5min；加入高效减水剂，并用剩余的水冲洗干净，搅拌5min；最后快搅5min，直至混合料变为浆体；试件采用混凝土试模在振动台上振捣成型，尺寸为70mm×70mm×70mm的立方体。在成型时，先放入一半的拌合料，插倒数次后，开启振动台振动1min；填满试模插倒数次，振动5min后，停止振动台，用刮平尺刮去其高出试模的混凝土拌合物并抹平，然后对试件进行编号。

试件的养护

试件成型后，将其放入养护箱内养护(温度20±1℃，湿度≥95%)，24h后拆模，随后将试件分别进行：

90℃热水养护：在90℃热水中养护48h，待养护完毕后，让试件自然冷却到室温即可进行性能测试；

95℃热水养护48h：在95℃热水中养护48h，待养护完毕后，让试件自然冷却到室温即可进行性能测试；

95℃热水养护72h：在95℃热水中养护72h，待养护完毕后，让试件自然冷却到室温即可进行性能测试。

3试验结果分析

3.1单掺硅粉和双掺硅粉和粉煤灰对混凝土抗压强度的影响

3.1.1硅粉对混凝土抗压强度的影响

3.1.1.1硅粉的改性机理和作用

硅粉的改性机理及作用：掺入水泥混凝土后能很好的填充于水泥颗粒空隙之中，使浆体更致密。另外它与游离的Ca(OH)2结合，形成稳定的硅酸钙水化物2CaO・SiO2・nH2O，该水化物凝胶强度高于Ca(OH)2晶体。

掺入硅粉，可以改变混凝土的一些重要物理性能指标：影响混凝土用水量；改善和易性；减少泌水量；减少离析；塑性收缩；改变凝结时间；减少水化热温升等等。

3.1.1.2硅粉对抗压强度的影响

由于硅粉的加入产生了火山灰反应和微填料作用，使水泥浆与骨料界面过渡区改善，并使孔结构细化都引起强度增加。

3.1.2粉煤灰对混凝土抗压强度的影响

粉煤灰中含的二氧化硅和三氧化二铝具有化学活性，能与产生的氢氧化钙反应，从而增大了混凝土的密实度和强度。

3.1.3单掺硅粉和双掺硅粉和粉煤灰对混凝土抗压强度的影响对比

在本次试验中，其他条件相同的情况下，对单掺硅灰和双掺硅灰和粉煤灰进行了比较，其配合比如表3.1：

表3.1单掺硅灰与双掺硅灰与粉煤灰配合比

单掺硅灰和双掺硅灰和粉煤灰对抗压强度对比如图3.2：

图3.2单掺硅灰与双掺硅灰与粉煤灰抗压强度对比

在本试验中，根据图表显示可得出，在其他条件相同的情况下，单掺硅灰混凝土试块强度总是大于双掺硅灰与粉煤灰混凝土试块的强度。

3.2水胶比对混凝土抗压强度影响

本试验中，研究了在其他配合比相同，并且都是在90℃热水中养护48h条件下，水胶比分别为0.17、0.18、0.20对混凝土试块抗压强度的影响，由图3.3以看出：水胶比是影响活性粉末混凝土抗压强度的重要因素。

活性粉末混凝土水胶比与抗压强度的关系可以从水胶比与活性粉末混凝土孔结构关系的角度进行阐述，混凝土内部的孔分为三类，分别为凝胶孔、毛细孔和气孔。

图3.3水胶比对抗压强度影响

凝胶孔是水化硅酸钙凝胶中的组成部分，水胶比小，水化产物少，自然凝胶孔的数量也少；水胶比的降低直接减少凝胶孔与毛细孔的数量，使得混凝土孔隙率降低，密实度提高从而抗压强度提高。但由于水胶比过低时可能影响胶凝材料的水化反应，使胶凝材料没能充分的反应进而导致强度的降低。本试验中最佳配合比为0.18。

结论

通过对本试验的研究得出以下结论：

a) 在配合比、养护制度等其他条件相同的情况下，单掺硅灰的抗压强度要略高于双掺硅灰与粉煤灰的抗压强度。

b)通过实验对比研究得出，其条件相同情况下，水胶比为0.18时混凝土的强度最高。这是因为当水胶比过低时，会使得混凝土塌落度下降不易成型，在制模的过程中会使拌合物内产生气泡缝隙，致密度降低抗压强度也降低；当水胶比增大时，会增加凝胶孔与毛细孔的数量，使得混凝土孔隙率升高，密实度降低从而抗压强度也会降低。

参 考 文 献

1Richard P，Cheyrezy M．Composition of reactive powder concrete．Cement and Research，1995，25(7)：1501～1511

2V. Morin． Evolution of the Capillary Network in a Reactive Powder Concrete During Hydration Process．Cement and Concrete Research，2002，32：1907～1914

3姜德民．硅灰对活性粉末混凝土强度的作用机理研究．建筑技术开发，2001，28(4)：44～46

4吴中伟．高性能混凝土及其矿物细掺料．建筑技术，1999，30(3)：160

5耿宝华．矿物掺合料对水泥与外加剂相容性的影响研究.重庆大学，2003,25(7)：96

6靳志国．高效减水剂对水泥水化性能的作用．山西建筑，2007，33(10)：216～217

7 于龙，王培铭，孙振平．若干掺合料对减水剂塑化效果的影响．混凝土，2007，(4)：34～39