活性粉末混凝土RPC试验和生产技术研究

1客运专线活性粉末混凝土试验和生产技术研究黄旭毅 1 吴伟 2 （1 中国水利水电第十四工程有限公司 云南昆明 650000；2 中国水利水电第十四工程有限公司 云南昆明 650000）摘 要：以京沪高速铁路三标段曲阜 RPC混凝土盖板厂的生产成果，主要介绍 RPC活性粉未混凝土配合比影响因素、生产流程、型式检验等，并对 RPC盖板混凝土生产数据进行分析。关键词： 活性粉未混凝土 试验 生产技术 1、绪论1.1选题的背景与意义自 1824年硅酸盐水泥问世以来，以其为基本胶凝材料的混凝土，尤其是钢材与混凝土的复合，已成为世界上各种基础设施必不可少的基本建筑材料。随着建筑业、海洋业、交通业和环境保护业的飞速发展，大跨、轻型和在各种严酷条件下使用的建筑物的出现，对混凝土提出了更高的要求，而直到 20世纪 70年代，在工程中实际使用的混凝土最高强度还只有 34.2Mpa，更高强度、更好耐久性能的要求普通混凝土很难满足。活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete，简称 RPC)是继高强、高性能混凝土(High Performance Concrete，简称 HPC)后，于 20世纪 90年代开发出的超高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性良好的水泥基复合材料。它是 DSP(Densifted System containing ultra-fine Partides)材料与纤维增强材料相复合的高技术混凝土。RPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强混凝土。它的基本配制原理是：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)减少到最少，以获得超高强度与高耐久性。原材料中活性组分由优质水泥、硅粉、细石英砂(粒径小于 lmm)等构成，活性组分的粒径在 0.1mlm 之间，另外原材料还包括高效减水剂和短细钢纤维等。作为一种新型结构材料，目前国内外的研究主要集中在原材料选择、配合比设计、实验室制备工艺以及材料力学性能研究，关于 RPC材料大量用于工程实际生产的研究较少，尤其是标准化的 RPC盖板构件厂的运作流程。在国内外的资料中对普通混凝土和高性能混凝土的损伤破坏分析，已有诸多研究和比较明确的结论。但是作为一种新型的水泥基复合材料，从宏观到微观 RPC与传统混凝土材料不同，关于普通混凝土和高性能混凝土损伤演化的研究成果是否适用于 RPC材料，目前国内外尚没有系统的研究。2如能够充分了解 RPC材料的破坏过程及盖板构件的破坏机理，掌握其裂缝的生成、扩展及结构在受载过程中其损伤的发展情况以及破坏的规律，可合理进行混凝土的配制，降低工程造价，也为工程设计、工程计算提供可靠的依据，以便在具体应用中更好地发挥效益和避免失误和事故的发生。1.2活性粉末混凝土材料的性能RPC是由超细活性粉末、水泥优质石英砂、矿物掺合料、高强度纤维等组成，通过最优级配设计，经高温热合等待特定工艺制备而成的高技术符合材料，具有高强度、高韧性、高耐久性、质量稳定、易于制造、外形美观、低孔隙率特点。其减少材料内部缺陷的具体措施包括：(1)只用直径lmm 的石英砂作为细骨料，以在整体上消除内部结构的不均匀性，从而改善 RPC的各项性能；(2)优选与活性组分相容性良好的减水剂，以降低水胶比(一般控制在不大于 0.2)，提高水泥浆强度，同时减小用水量，大大降低空隙率；(3)优化组分的级配，通过提高组分的细度，成型过程中对混凝土施加压力。使 RPC内部达到最大填充密实度，将材料初始缺陷降至最低：(4)掺入短细高强钢纤维以提高韧性和体积稳定性；(5)通过蒸汽养护手段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，改善界面的粘结力。应用前三条措施制备的混凝土具有很高的抗压强度，但是其韧性并不比普通的砂浆高很多。掺加钢纤维后明显提高了抗弯拉强度，同时可以获得所需要的高韧性和延性。1超高的力学性能RPC材料具有超高的强度和良好的韧性。表 1.1列出了 RPC200，RPC800 和 HSC的主要力学性能参数。表 1.1 RPC与 HSC的主要力学性能比较混凝土种类 RPC200 RPC800 HSC抗压强度/MPa 170230 500800 60100抗折强度/MPa 3060 45140 610断裂能/Jm -2 20000400000 12002000 140弹性模量/GPa 5060 6575 30403从表 1.1中可以看出，RPC 的抗压强度是 HSC的 3倍(RPC200)到 12倍(RPC800)；RPC200的抗折强度高达 60Mpa，是 HSC的 6倍，拉压比可达到 1/4，远大于 HSC的 1/10而且断裂能大大提高。表 1.2不同材料的断裂能材料种类 玻璃 陶瓷及岩石 普通混凝土 金属 RPC 钢断裂能/Jm -2 5 100 120 10000 30000 100000表 1.2所示的是不同材料的断裂能，从表中数据可以看出，掺加微细的钢纤维能显著地提高 RPC的韧性和能量的吸收能力，其断裂能达 30000Jm-2，钢的断裂能为 105Jm-2，而普通混凝土的断裂能却只有 120 Jm-2，所以 RPC具有优良的韧性。因此，RPC 材料具有超高的强度和良好的韧性。2.优异的耐久性能RPC材料凝结后采用蒸汽养护方式改善微观结构，具有极小的孔隙率，材料内部孔隙较小且不连通，因此渗透率非常低，具有超高的耐久性。表 1.3列出了 NC、HPC、RPC200的主要耐久性能指标。表 1.3 NC、HPC、RPC 的主要耐久性能指标性能 NC HPC RPC200氯离子扩散/1012m 2s-1 1.1 0.6 0.02碳化深度/mm 10 2 0冰融剥落/gcm -2 1000 900 7磨耗系数 4.0 2.8 1.3吸水性/Kgm -2 - 0.35 0.05由表 1.3中数据可知，RPC200 的耐久性大大优于 NC和 HPC，具有优异的耐久性能。3.良好的环保性能表 l.4给出了同等承载力条件下，普通型 30MPa引气型混凝土、60MPa 的 HPC及RPC200的等效体积、水泥用量、生产水泥过程中 CO2排放量及骨料用量。表 1.4同等承载力条件下不同混凝土材料的生态性能比较品种 30MPa引气型混凝土 60MPa级 HPC RPC200等效体积/m 3 126 100 334水泥用量/t 44 40 23CO2排放量/t 44 40 23骨料用量/t 230 170 60由表 l.4中数据可知，同等承载力条件下，RPC 材料的水泥用量几乎是普通混凝土与HPC的 1/2，因此同等量水泥生产过程 C02排放量也只有它们的一半左右.生产过程不可再生的骨料用量，RPC 材料只占 HPC与 30MPa混凝土的 1/3与1/4。4施工性能活性粉末混凝土拌和物不含有大粒径骨料，它不仅流动性好，而且粘聚性良好，在运输、浇注和捣实过程不发生离析现象。在窄小的模板内和钢筋间隙的通过性能良好，浇注后不需要振捣。施工性能良好。1.3活性粉末混凝土材料在工程中的应用自 RPC材料问世以来。法国、美国、加拿大、韩国等许多国家对其进行了大量的研究，并显示出优异的力学性能和良好的耐久性能，因此可应用的领域非常广泛，这在国外引起了材料界和工程界的极大兴趣，其中法国和加拿大已经将这种新型水泥基材料产业化和用于土木工程中。(1)Sherbrooke人行桥1997年秋，在加拿大的 Sherbrooke的 Magog河上，建起了一座长达 60m的 RPC人行桥，完成了 RPC从理论到实践的飞跃。(2)美国于 2001年在伊利诺斯州用 RPC材料建成了 18m直径的圆形屋盖，该屋盖未采用任何钢筋，设计中考虑了 RPc材料的延性，直接承受拉、弯应力及初裂应力。现场拼装用时 ll天，如采用钢结构，现场拼装则需要 35天，大大缩短了施工工期。该屋盖因其先进的建筑材料和结构形式获得 2003年 Nova奖提名。(3)在韩国和澳大利亚，目前都有了 RPC建造的桥梁。在欧州，位于克罗地亚，跨巴卡尔海峡的 RPC拱桥，跨度为 432米，全部由 RPC200级的 RPC材料预制拼装而成，这种做法根本性的改变了预制节段的截面性质，腹板和翼缘的厚度以及节段间的连接方式，这些结构的箱室截面翼缘的厚度可以小于 12era。(4)北美的 Lafarge公司将 RPC材料商业化，为 RPC注册了“Ductal”的商标，并应用于工程实际，甚至于用来制作装饰产品。2002 年春，由法国著名建筑师 Rudy Riccioti设5计的象征法国与韩国合作与友谊的步行桥一和平桥建成了。 这座桥的主跨部分完全使用Lafarge公司的“Ductal” ，它的一些基本参数为：跨度 120m；高度 5m；桥面板厚 3cm；桥面板宽 4.3m；横截面高 1.11m；RPC 用量 240T；非预应力钢筋 O；预应力钢筋 13.2T。整座桥除了基础和桥墩部分外。全为预制装配、后张预应力施工，建设速度很快。设计中，和平桥很轻巧，自重很小，这都得益于 RPC的超高强度。和平桥无论是从建设规模还是技术难度方面都远高于 Sherbrooke步行桥，标志着 RPC在实际应用中达到了新的高度。(5)我国有关 RPC材料的研究在清华大学、北京交通大学、东南大学等高校进行，主要集中在材料的试配工作上。北京交通大学自 1999年以来，对常规的搅拌工艺条件下矿物掺合料、纤维品种与掺量、养护制度等问题进行了大量的实验研究。在材料研究的基础上，设计铁路桥梁中常用的 T梁、箱梁、槽梁、无配筋 RPC200空心板，并将 RPC制品应用于实际工程中。北京市五环路石景山转体斜拉桥隔离带，采用了形状尺寸为 2000120060mm的无配筋 RPC空心板，板内有直径为 40mm的圆孔，可切、可锯。材料抗压强度 140MPa、抗折强度 14MPa：用于主桥防撞墙盖板。主要特点是：重量轻，有效降低主体结构荷载。并且可切割、开孔，现场安装简便。该工程于 2003年 lO月完工，使用至今该板性能稳定，质量可靠。(6)铁道部对 RPC材料在铁路工程中应用进行了多项专题研究，先后组织完成了“RPC材料在铁路桥梁中的应用研究” 、 “高速铁路桥面设施设计研究及高性能构件的研制” 、 “RPC底高度梁”等科研课题，并通过了科研成果鉴定。2005 年 RPC人行道板在青藏铁路桥梁进行了试用，2007 年 RPC技术在襄渝二线铁路桥梁人行道板及迁曹线上低高粱得到应用。2008年在郑西客运专线建设中，相关施工、设计、科研单位联合建立了 RPC盖板生产基地，研发机械化制板生产线和自动温控养护设施，生产的 RPC盖板通过产品质量检验，满足技术条件要求，工程应用效果良好，形成了成套设计、设备和制造技术，RPC 盖板的设计已编入客运专线桥梁等铁路通用参考图。(7)2009年 10月京沪高速铁路三标段中国水利水电第十四工程局有限公司曲阜 RPC盖板厂生产基地投产，施工企业独立掌握了 RPC材料的整套制造工艺，并自主设计开发了RPC盖板承载力试验机用于构件性能检验。1.4 RPC材料研究中尚存在的问题RPC作为高技术混凝土，其性能同普通混凝土、现有的高性能混凝土相比有了质的飞6跃，且在经济性和环保方面优于钢材，但作为一种新的工程材料，要确实大范围的得到应用，从 RPC的性能研究到破坏机理分析，仍有许多工作要做，主要存在的问题包括如下几方面：(1)缺少一套包括原材料的选择、优化以及 RPC的搅拌、成型、养护等各个工艺流程参数的完备资料。规范的制备工艺，是 RPC材料具备超高性能的重要保证和推广应用的前提。(2)目前各国尚无通用的 RPC的结构设计规范，若仍按普通混凝土的设计方法进行 RPC结构设计，无疑不能将 RPC的材料优势发挥出来，所以有必要对 RPC结构的构造措施结构形式和实用设计理论进行研究。(3)混凝土的变形会对混凝土结构和性能造成不良的影响，而影响混凝土收缩和徐变的因素很多，机理也很复杂，对 RPC材料的收缩和徐变特点需进一步深入研究。(4) 目前有关 RPC损伤破坏机理的研究较少，迫切需要对 RPC的受压损伤机理进行研究。建立合理完善 RPC损伤的演化方程。另外，关于 RPC材料细观破坏机理，断裂能与断裂韧性及破坏行为的研究也待深入展开。由上分析可见，RPC 作为一种新型材料，需要研究的问题是比较多的。本文作为 RPC研究的一部分，对 RPC从试配到应用于生产进行初步的探索研究。二、 原材料、试验方法与试验方案2.1原材料本试验所用原材料包括制备活性粉末混凝土试件所需要的水泥、硅粉、石英砂、减水剂、钢纤维和水，下面给出所用各种材料的主要性能指标。2.1.1水泥采用由山东平阴山水水泥有限公司生产的 PO42.5水泥，该水泥品质稳定，水泥中熟料中 C3A含量小于 8%。其检验结果见表 2.1。表 2.1水泥的主要性能指标抗折强度 MPa 抗压强度 MPa检验项目3d 28d 3d 28d氧化镁%三氧化硫%碱含量%检验结果 6.1 8.7 28.5 57.4 4.64 1.95 0.482.1.2硅粉硅粉的状态为灰白色细粉，采用上海天恺硅粉材料有限公司和山东淄博三美硅材料有7限公司生产的硅粉。其检验结果见表 2.2。表 2.2硅粉主要性能指标检验结果检验项目上海天恺 淄博三美烧失量/% 3.49 2.08SiO2含量/% 89.2 86.6需水量比/% 113 112比表面积/m 2/Kg 22068 28140Cl-含量/% 0.003 0.00528d活性指数/% 101 982.1.3粉煤灰粉煤灰采用山东邹县发电厂 I级粉煤灰，其检验结果见表 2.3。表 2.3 粉煤灰主要性能指标检验项目 检验结果烧失量/% 1.28SiO3含量/% 1.47需水量比/% 92细度/% 7.9Cl-含量/% 0.014碱含量/% 0.76游离 CaO含量/% 0.42CaO含量/% 4.022.1.4石英砂石英砂采用山东泰安广源精制石英砂厂生产的石英砂。按照客运专线活性粉末混凝土（RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件 （科技基2006129 号）石英砂应 SiO2含量大于 97%、含泥量不应大于 0.5%。石英砂分 4个粒级，分别为粗粒径（1.00.63mm)、中粒径（0.630.315mm)、细粒径（0.3150.16mm)、超细粒径（0.16mm 以下)，其检验结8果见表 2.4。表 2.4 石英砂主要性能指标检验项目 检验结果SiO2/% 99.09含泥量/% 0.1氯化物含量/% 0.001细度模数 1.82.1.5高效减水剂采用天津雍阳减水剂厂生产的 S90型聚羧酸减水剂， 客运专线活性粉末混凝土（RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件 （科技基2006129 号）要求严禁掺入氯盐类外加剂，且减水率不得低于 29%，硫酸钠含量不得低于 2%。其检验结果见表 2.5。表 2.5 减水剂主要性能指标检验项目 检验结果 检验项目 检验结果减水率/% 33.0 水泥净浆流动度/% 285常压泌水率比/% 3.5 NaSO4含量/% 0.620压力泌水率比/% 66.4 Cl-/含量 0.03030min 195 碱含量/% 1.190坍落度保留值/mm 60min 170 收缩率比/% 92.0含气量/% 4.8 相对耐久性指标/% 93.83d 228 对钢筋锈蚀作用 无锈蚀7d 196 固体含量/% 22.0抗压强度比/%28d 163 密度/g/cm 3 1.052.1.6钢纤维钢纤维采用天津市路桥建钢纤维工贸有限公司生产，按照客运专线活性粉末混凝土（RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件 （科技基2006129 号）要求钢纤维应满足：直径 0.180.23mm、长度 1214mm，抗拉强度不得低于 2850MPa。其检验结果见表 2.6。表 2.6 钢纤维主要性能指标9检验项目 检验结果长度/mm 13.47直径/mm 0.21长径比 64形状合格率/% 100抗拉强度/Mpa 29902.1.7水曲阜制梁场井水。2.2试验方法客运专线 RPC材料人行道挡板、盖板生产前应进行配合比试验，试件的性能指标应满足设计要求的抗压强度、抗折强度、弹性模量、氯离子渗透量、抗冻性等参数，拌和物的坍落度应满足施工要求。为满足客运专线活性粉末混凝土（RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件 （科技基2006129 号）的要求，京沪高速铁路三标段中国水利水电第十四工程局有限公司曲阜RPC盖板厂投产前，进行了大量的配合比试验，确定了原材料、搅拌工艺、投料顺序、制件方法、养护方法、模板选型、运输、浇筑等工艺参数，经过试配的 RPC盖板满足设计指标及构件性能检验要求。2.2.1 ISO法胶砂强度在选择原材料时，依据水泥胶砂强度通过胶砂强度检验方法（ISO 法） GB/T17671-1999进行测定试件的抗折、抗压强度，拌合物的流动度按水泥胶砂流动度测定方法GB/T2419-2005采用跳桌法测定。2.2.2立方体抗压强度为了确定混凝土强度，参照国家标准普通混凝土力学性能试验方法标准 GB/T50081-2002和客运专线活性粉末混凝土（RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件（科技基2006129 号）中规定，试件选用 100100100mm试件，加载速率取1.2MPa/s，抗压强度不乘折减系数。2.2.3抗折强度抗折强度参照国家标准普通混凝土力学性能试验方法标准 GB/T50081-2002和客运专线活性粉末混凝土（RPC)材料人行道挡板、盖板暂行技术条件 （科技基200610129号）中规定采用 l棱柱体抗折强度试验方法，试件选用 1