活性粉末混凝土的制备、结构及性能

1、活性粉末混凝土的制备、结构及性能摘要:活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete简称RPC）是一种超高强水泥基材料，本文通过调整粉煤灰、硅灰等掺合料和水胶比等，研究了其对RPC性能的影响，并且确定了其最佳的掺量。同时借助XRD和SEM等测试手段对RPC的水化产物和微观结构进行分析后发现RPC是一个未完全水化但非常密实的结构体。关键词：活性粉末混凝土；RPC；最佳掺量；微观分析1 引言活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete简称RPC）是法国Bouygues公司1993年研制成功的一种超高强度、高耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料1，其抗压强度可以达

2、到200MPa-800MPa级，抗折强度20MPa-150MPa级。由于RPC具有很高的抗压、抗折强度以及较强的耐久性，在结构设计中能够有效减少自重，提高结构的抗震和抗冲击性能。另外，RPC特殊的结构决定了其耐高温性、耐火性和耐腐蚀性远优于钢材。国内RPC材料的运用不仅能有效利用粉煤灰、矿渣等工业废料，而且其强度很高，一定程度上能够减少对钢材的需求。同时采用RPC材料与同类混凝土材料相比可以延长结构寿命，大幅减少维修费用，降低工程建设和使用的综合造价。因此，RPC目前开始广泛应用于房屋、桥梁道路、高铁以及军事设施，前景十分广阔。本实验的的主要内容是研究原材料、水胶比等对RPC的性能的影响，同时

3、借助XRD、SEM等测试手段对RPC的水化产物和微观结构进行进一步的分析，以了解水化产物和微观结构对宏观性质的影响。2 实验部分2.1 原材料及性能检测（1）水泥采用华新堡垒P.O 42.5水泥，水泥细度3200cm²/g，初凝时间大于90min，终凝时间小于360min，烧失量为0.5%。（2）硅灰云南某铁合金厂生产的微硅粉，硅粉的特征状态为灰白色细粉，SiO2含量大于90%，密度2.21g/cm²，粒径2m以下，平均粒径0.3m左右，比表面积143100cm²/g。（3）粉煤灰关山电厂未筛粉煤灰，经过筛分后属于级灰。 （4）石英砂本次实验用砂为市售石英砂，最大

4、粒径小于0.45mm。 (5)石英粉石英粉为市售，经筛分粒径分布见表3。表3 石英粉粒径分布筛孔尺寸0.125mm0.1250.1mm0.10.088mm0.0880.063mm0.063mm筛分百分比0.61%4.2%21.53%1.28%72.38%(6)减水剂实验用减水剂有两种，具体规格和产地如表4.表4 减水剂名称产地规格粉体高效减水剂四川/爱辉工程液体减水剂长沙聚羧酸系-含固量40%(7)钢纤维钢纤维为武汉新途工程纤维制造有限公司制造，长径比52，密度7.7g/cm³。2.2. RPC配合比设计对影响RPC性能的主要材料做了组分研究，具体实验方案如表5所示。表5 RPC实验

5、配比水胶比W/B胶凝材料(B)石英砂S/C钢纤维%石英粉QU/C减水剂%水泥C硅灰SF/C粉煤灰FA/C0.16，0.170.18，0.190.2010.250.300.8800.220.1610.250.20，0.250.30，0.400.8800.220.1610.250.300.80，0.901.00，1.1000.220.1710.10，0.200.30，0.400.300.9000.220.1610.300.300.900，0.931.81，2.260.22注：胶凝材料为水泥、硅灰、粉煤灰三组分之和；钢纤维掺量是体积百分比，减水剂为胶凝材料的质量百分比；硅灰、粉煤灰、石英砂、石英粉掺

6、量均为与水泥的质量比；考虑到拌和效果，在讨论硅灰掺量影响时将水胶比增大到0.17。2.2.1 实验结果和讨论(1) 水胶比对RPC性能的影响水胶比是拌和RPC时用水量的表征。RPC制品主要由水泥以及火山灰质材料等多种细颗粒组成，其用水量的多少直接决定着水泥的水化作用和材料火山灰效应的发挥，最终影响到混凝土的整体性能。因此，水胶比对RPC起着至关重要的作用。水胶比低，拌和效果差成型困难；水胶比过大，水化反应后未反应的水，被困在混凝土结构中留下大量的孔隙，严重影响RPC的强度。图2是强度与水胶比的实验结果。从图看到，随着水胶比的降低，抗压强度逐次明显增大，抗折强度亦呈小幅增长趋势，但增长幅度较小。

7、从抗压强度随水胶比的变化趋势看，二者大致呈线性关系，经拟合得到拟合直线如下：(1)式中：抗压强度，MPa；w/b水胶比；拟合相关度R2=0.9452。据此可以大致预测水胶比与抗压强度间的关系，但是水胶比越低流动性越差，成型越困难。本文还尝试了在更低水胶比0.15下的试验，但实验拌和效果较差，振动成型的效果不甚良好，随之放弃进行更低水胶比的尝试。因此，选取0.16作为本次实验的最佳水胶比。图中还标出了实验数据的标准偏差，最大相对偏差5.45%，说明测试数据离散度不大，数据可信度高。图2 水胶比对强度的影响(2) 粉煤灰对RPC性能的影响国内外学者对粉煤灰在水泥基复合胶凝材料中的作用2已有了一些比

8、较系统的研究。80年代初，沈旦申3等通过粉煤灰混凝土应用技术的基础研究，提出了“粉煤灰效应”假说，将粉煤灰在水泥混凝土中的效应归纳为三大效应，即形态效应、活性效应(又称火山灰效应)和微集料效应，三效应体现在水泥-粉煤灰胶凝材料结构形成与发展的全过程中。图3是粉煤灰掺量与强度的实验关系曲线，并标出了每一均值的标准偏差。图3中，粉煤灰：水泥(FA/C)的起始值定为0.2是由于当粉煤灰掺量为0时，RPC胶砂的拌和效果十分不好，因此未能得到该取值的强度数据，其原因与粉煤灰的减水形态效应有关。图3表明，强度随FA/C增大先增大再减小，存在一个最佳的比值：FA/C=0.25时抗折强度最高，为21.56MP

9、a；FA/C=0.3时抗压强度最大，为98.21MPa。综合考虑，粉煤灰的最佳掺量应为FA/C=0.25-0.3。粉煤灰掺量对强度的影响不是单调关系的原因可能如下：一方面，粉煤灰的形态减水效应使得粉煤灰掺量增大流动度增大，成型容易，成型缺陷减少；另一方面，粉煤灰的活性不高，高掺量时导致强度降低。二者相互制约，从而在某一比值形成了极值。从图3还可以看到，测试数据的标准偏差较大，这也说明了样品均匀性不好，受到了多重因素的综合影响。图3 粉煤灰掺量对强度的影响(3) 硅灰对RPC性能的影响硅灰是生产硅或硅合金的副产品，由非晶质二氧化硅组成的细小粉末材料，其颗粒呈圆球形，颗粒平均粒径为0.15m。由于

10、颗粒细小，硅灰会填充在水泥颗粒之间的空隙中。硅灰的圆球形颗粒可起到滚珠轴承的作用，即会改善浆体的流变性。另外，硅灰的掺入会增加固体与液体的接触面积，进而增加内聚力由于内聚力的增加，混合料会变得更稳定，各组分的离析倾向减小。由于硅灰的比表面积很大需要增加更高的用水量，才能维护较高的工作度，这就不利于混凝土强度的提高，所以高效减水剂是制备RPC必不可少的材料。硅灰掺入对RPC的作用主要有填充效应、火山灰效应、孔隙溶液化学反应4等。图4给出了硅灰掺量对RPC抗折、抗压性能影响的实验结果。图6 硅灰掺量对强度的影响通过图4可以很明显的看到硅灰掺量（SF/C）在0.1至.0.4之间时抗压强度一直呈增长趋

11、势，且增长明显，只是在0.3-0.4时开始放缓。通过硅灰的掺入就可发现密实程度对于RPC的强度影响很大。抗折强度随硅灰掺量的增加呈下降趋势，可能是由于硅灰颗粒填充于孔隙之间使材料密实度大大提高，在受到力的剪切作用时微孔对于力的缓冲作用减弱导致抗折强度随着硅灰的掺入而缓慢降低，但是降低幅度不是很大。综合两方面考虑，硅灰掺量为水泥掺量20%-30%之间是最佳掺量。(4) 石英砂对RPC性能的影响砂胶比(骨料与胶凝材料的质量之比)对混凝土强度的影响涉及到混凝土内部结构的匀质性问题。混凝土是一种非均匀的多孔体，混凝土内的砂胶比例的差别及两者力学性能上的差异是造成混凝土结构匀质性差的主要原因之一，因此确

12、定RPC中合适的砂胶比，有利于提高RPC的性能。RPC中的砂子作为混凝土的骨料，是各组分中粒径最大的。按照RPC的配制原理，本实验选用的砂子是市售的100目石英砂，粒径小于450m。图5为石英砂掺量对RPC抗折、抗压性能的影响。图5石英砂掺量对强度的影响从图5可以看出，砂胶比（S/B）为1.0时抗压强度达到最大的99.53MPa。砂胶比在1.0之前抗压强度呈增长趋势，但是增长不是很明显，1.0以后开始下降。在掺量为0.8时抗折强度达到最大的22.16MPa，之后一直降低到掺量为1.0时又有上升趋势。在砂胶比为0.8至1.1之间时抗折强度有少量变化，但不是很明显。可见石英砂掺量在这一范围内不是影

13、响混凝土强度的主要因素。但是石英砂的掺入并没有改变水胶比，因此在低水胶比状态下石英砂掺量受限于材料的拌和状态。石英砂的增多会使拌和物越来越干燥并且石英砂的增加使材料的粘黏性降低，对于一些特殊的构件在成型过程中有一些影响。因此，石英砂的掺量要根据制备材料的用途合理调整。但综合考虑，砂胶比（S/B）在0.9-1.0时为最佳掺量。(5) 钢纤维对RPC性能的影响RPC材料的力学性能极其优越，可与钢材媲美，但制约其大面积运用的一大劣势就是脆性较大。为了克服脆性大这一弱势，提出了纤维增韧的方法。在配制RPC材料中加入钢纤维能够有效增强材料的韧性和体积稳定性。在试验测试过程中未加钢纤维的试件都会爆发出爆炸

14、声响，并且碎片四溅。而加入钢纤维的试件虽然有巨大的响声，但是碎片被纤维很好的束缚在一起并没有四溅。在做抗折实验时，加了钢纤维的试件只是表面出现了裂缝，并没有完全折断并且还可以承受很强的力作用。显而易见，钢纤维对RPC的脆性有了很好的改善。图6给出了钢纤维掺量对RPC抗压、抗折性能的影响。图6钢纤维掺量对强度的影响从图6可以看出，钢纤维对试块的抗折、抗压都有所提高。在钢纤维掺量较小时效果不明显，如试验中钢纤维掺量为0.93%时的抗压强度只比未掺时提高了6%，而抗折强度提高了10%。但当钢纤维掺量达到1.81%的时候可以看到相比于0.93%的时候抗压和抗折强度都有较大幅度的提高，抗压提高了27%，

15、抗折提高了35%。当掺量从1.81%增加到2.26%的时候，抗压强度的增长幅度有所放缓只增加了5%，此时抗折强度增长仍然很高达到了12%，但不及之前的35%，说明在钢纤维掺量为2.26%的时候对强度的贡献已经开始放缓。虽然本次实验掺量未达到3%或者更高，但是可以想像，考虑到经济效益此后再增加钢纤维的掺量已经对强度影响不大。所以钢纤维的最佳贡献应该在体积掺量为2%左右的时候。在本次试验中，掺量为2.26%时抗压强度比不掺时提高了41%，此时抗折强度更是提高了65%。2.2.2 RPC微观结构分析RPC的水化产物和水化产物的结构是决定其强度、稳定性和耐久性的内在因素，而XRD是分析水化产物的重要手

16、段，同时借助SEM可以非常直观地观察和分析这些水化产物的微观结构形态，进而深入地了解RPC各项性质的形成和影响因素。图7是典型的RPC试样的XRD衍射图谱，图8是典型RPC试样的SEM图。水泥的主要成份是C3S，C2S，从图7的衍射图中可以看出C3S和C2S的衍射峰的强度仍然很强，说明RPC体系由于低的水胶比导致水泥不能完图7 典型RPC样品的X-射线衍射图谱图8 典型RPC样品的扫描电镜（SEM）照片全的水化。在图8的SEM图中可以清晰的看到未水化的粉煤灰颗粒，可能是粉煤灰的活性低和水泥不能完全水化不能提供充足的氢氧化钙导致，但是颗粒的界面和水化产物的连接比较紧密，整个体系中比较密实，没有较大的空隙，这也是形成RPC优异性能的主要原因。3结论本文通过以上的实验研究，主要得到以下的实验结论：1 水胶比在一定的范围内降低，对RPC的抗压和抗折强度