活性粉末混凝土原材料及配合比设计参数的选择

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何峰1，2，黄政宇1(1．湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082；2．湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南长沙 410081) 摘要：由于活性粉末混凝土(RPC)的组分较’——般高性能混凝土的多，原材料性质、配比及成型养护工艺都会对RPC的实现产生很大的影响，因此，在广泛收集RPC200配制试验数据的基础上，探讨了RPC200的原材料和配合比设计参数的选择，并提出了目前RPC200配合比设计中存在的主要问题。 关键词：活性粉末混凝土；原材料；配合比设计 中图分类号：TU528．575 文献标识码：A 文章编号：1001-702X(2007)03-0074-04 活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)因其具有超高强、低脆性和优异耐久性受到广泛关注，最近几年，国内许多科研机构对RPC配制技术、微观结构、基本力学性能和耐久性能等方面进行了广泛深入的研究，特别是在RPC的配制方面，根据RPC配制原理，利用不同地区的当地原材料均成功地配制出了RPC200。然而，由于RPC的组分较一般高性能混凝土的多，原材料性质、配比及成型工艺都会对RPC的实现产生很大影响，因此有必要尽量广泛地收集有关数据，提出适合RPC原材料和配合比设计参数，以便指导工程技术人员进行RPC200的快速配制。 1 RPC200的配制原理和配合比设计要求1．1 RPC200的配制原理
RPC200是通过合理选用原材料，优化颗粒级配，在凝结硬化过程中采取适当的成型养护工艺获得的。其设计是建立在减少孔隙率，优化孔结构，改善微观结构的宗旨上，其基本原理包括以下几点：(1)不含粗骨料，改善内部结构的均匀性；(2)优化颗粒级配，采用多级粒径分布，提高密实度；(3)优选与活性组分相容性良好的高效减水剂，以减低水胶比；(4)采用热养护，改善微观结构；(5)加入钢纤维，增加混凝土的韧性和体积稳定性[1-3]。
1．2 RPC200的配合比设计要求
配合比设计的目的是要在尽可能低的造价下获得性能满足要求的混凝土拌和物。因此，针对不同用途要求，RPC200应对高耐久性、超高强度、良好的施工性、良好的体积稳定性和经济性等有重点地予以保证。 2 原材料的选择2．1 水泥
RPC200所用水泥最好是强度高且同时具有良好的流变性能，并与目前大宗使用的高效减水剂有很好的相容性。因此，可考虑以下几个方面：
(1)水泥宜优先选用52．5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。一般不得选用低于42．5级的水泥。
(2)由于在目前的技术水平下，通常是采用提高C3A和C3S含量以及提高比表面积的措施来提高水泥的标号，这必然造成水泥水化热大、需水量大、水泥与高效减水剂相容性差等问题。因此，对于RPC200，应考虑选择C3S含量高、C3A含量低的硅酸盐类水泥胶结效果最好，不宜粉磨太细避免需水量过大而影响硬化体的密实；
(3)为了保证水泥质量的稳定，应禁止使用立窑水泥。
2．2 硅灰和其它矿物细掺料 在配制混凝土时加入矿物细掺料，可降低水化热，改善工作性，提高后期强度，并可改善混凝土的内部结构，提高抗腐蚀能力。因为RPC200具有很低的水胶比，所以对用于RPC200的矿物细掺料品质的要求，除限制有害组分含量外，主要包括活性和需水性。 (1)硅灰：硅灰因其优异的微填充性能和火山灰性能是RPC200不可或缺的主要组分之一。随着硅灰中Si02含量的增加，硅灰中碱和碳等有害杂质的含量和烧失量下降。因此，用于配制RPC200的硅灰中Si02含量应大于90％，其中活性(即在饱和石灰水中可溶)Si02应在40％以上。
(2)其它矿物细掺料：由于国内硅灰产量低，价格较高，且硅灰较大的比表面积不利于新拌混凝土的工作性，因此；国内有些研究者在配制RPC时采用了其它矿物细掺料。如超细粉煤灰、粒化高炉矿渣”叫等代替部分硅灰，均成功地获得了性能优异的RPC200。
由于各矿物细掺料物理化学性能的差异，其活性指数也存在显著的差异。一般来说，硅灰28d活性指数为3．47，其次是超细粉煤灰，活性指数为2．33，超细高炉矿渣为1．06fsi。同时超细粉煤灰需水量较小，：并能与硅灰形成超叠加效应，所以在粉煤灰、矿渣、偏高岭土等矿物掺合料中，粉煤灰是配制RPC中部分取代硅灰的较为理想的矿物掺合料。在选择超细粉煤灰时主要应考虑其含碳量，因为含碳量高的粉煤灰需水量大，对混凝土的流变性、强度和变形都有不利的影响。因此，对用于RPC中的超细粉煤灰的烧失量以小于3％为宜。
粒化高炉矿渣粉磨得越细，其活性越高，早期产生的水化热越大；当比表面积超过4000cm2/g的矿渣用于很低水胶比的混凝土中时，混凝土早期的自收缩随矿渣掺量的增加而增大[9]。因此，掺入RPC中的磨细矿渣的比表面积不宜过细，而应综合考虑其利弊，一般以不超过4000cm2／g为宜。
石英粉：石英粉是RPC在热养护下特别是高温养护下必不可少的组分。因此，为了充分发挥石英粉在热养护下的活性，其平均粒径范围应为5-25lamBI，这与水泥的细度接近。
砂：配制RPC宜优先选用石英砂。因为石英砂具有很高硬度和优良的界面性能，且采集容易，价格低廉。在选择石英砂时，应考虑其矿物成分、平均粒径、颗粒形状和掺用比例。为符合最大密实理论模型，避免与水泥颗粒粒径冲突，应选择平均粒径2501xm，粒径范围为150-6001xm，颗粒多呈球形，矿物成分Si02含量不低于99％的细石英砂。
高效减水剂：选择高效减水剂通常需考虑2个方面，第一，减水率要求在20％以上：第二，选用品种与水泥相容性好。理想的高效减水剂应包含较长分子链，其磺酸盐基团应占据甲醛和萘磺酸盐的钠盐缩合物的p位置。在配制RPC200时，可选择高浓型萘系高效减水剂、可溶性树脂型高效减水剂和聚羧酸系减水剂等。
钢纤维：钢纤维品种及掺量对RPC性能有重要的影响。在选择钢纤维时，可考虑以下几方面：
(1)钢纤维长径比和含量对钢纤维RPC的拌制及强度指标有较大影响，根据国内外对钢纤维RPC研究的统计，钢纤维长径比宜在50~80内选定。长径比大于100的细长钢纤维在拌制时易互相缠绕和弯折，也不易捣实；长径比过小则增强效果不明显。
(2)在RPC强度试验中观察到试件破坏面上钢纤维基本上是一端被拔出，这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粘结强度不足，握裹力小，导致钢纤维被拔出。因此，除了采用高标号水泥，掺入适量硅灰提高钢纤维和混凝土基体之间的粘结强度外，在选择钢纤维时应优先选用异形纤维，如波状纤维、带钩的纤维、或选用长径比相对较大的纤维，以保证钢纤维和RPC基体之间具备足够的粘结力和握裹力。3 配合比设计参数的选择3．1 水胶比
在原材料已定的情况下，水胶比是决定RPC强度的因素，也是影响其耐久性和工作性的重要因素。因此，选择水胶比必须同时满足强度、耐久性和工作性的要求，
RPC200水胶比按经验选择，一般以0．18-0．22为宜。当水胶比低于0．18时，成型较困难，密实度下降，对强度和耐久性均带来一定的损害；当水胶比大于0．22时，虽然工作性良好，但其强度也有一定程度的下降。
3．2 水泥用量
考虑到混凝土中水泥用量过多会产生大量水化热、引起收缩裂缝等不良后果，在高性能混凝土中，水泥用量宜控制在550kg／m3以内[1q。然而，由于RPC掺有一定量的矿物细掺料，可在一定程度上降低水化热，且因不含粗骨料，加上矿物活性材料的二次水化效应，可减少其在硬化过程中收缩裂缝，因此为了获得RPC200，水泥掺量可适当增加，但一般控制在800kg／m3以内。
3．3 矿物细掺料掺量
(1)从硅灰掺量对RPC抗压强度、密实度以及RPC基体和钢纤维间的粘结强度[11]的影响来看，硅灰的掺量应控制在25％-35％。
　　(2)如用其它矿物细掺料取代部分硅灰，为了不大幅度损害RPC200的强度，硅灰的取代量不能太高，即矿物细掺料的掺量要有一定的范围。有研究表明，粉煤灰等矿物掺合料的掺量为胶凝材料的20％左右[12-13]，此时硅灰掺量应保持为胶凝材料的15％-25％。
3．4 石英粉掺量
石英粉掺量一般取水泥量的25％-40％为宜[15]。由于石英粉在标准养护下的RPC200中主要是发挥微集料效应，在热水养护(90℃左右)时其活性也不明显，且其粒径又与水泥颗粒接近，因此一些国内研究者在配制RPC200时，去除了石英粉组分，适当增大石英砂的含量，也可配制出性能较好的RPC200。
3．5 砂胶比
在国内对RPC200的配制研究中，砂胶比的变化较大。根据笔者的研究，砂胶比在0．48-0．80变化时，均可获得较高强度的RPC200]~。根据文献[7]的研究，砂胶比在0．70~0．90时，RPC具有很好的流动性。综合考虑RPC的强度、工作性和经济性，建议砂胶比取0．80~0．90为宜。
3．6 高效减水剂掺量
高效减水剂用量通常可取胶凝材料掺量的2％-3％。
3．7 钢纤维掺量
RPC中钢纤维含量过低将失去增强与改善脆性的意义，钢纤维含量过高则在拌制中拌和物变得非常干涩，造成施工不便，因此，钢纤维体积掺量为1．5％-3％适宜，从经济方面考虑可选择2％。
国内几种典型的RPC配合比见表1。
表1 国内几种典型RPC配合比

原料种类	配比试样编号
	1	2	3	4	5	6
水泥硅灰超细粉煤灰超细矿渣石英粉砂砂胶比高效减水剂／％水胶比钢纤维(体积掺量) ／％抗压强度／MPa	1(42．5级)0．30－0．45-0．500．31．00-1．500．56-0．832．50．23±0．011．5-2．0125	1(42．5级)0．250．30-0．40－－－1．22．00．16	1(42．5级)0．20-0．300．25－0．3-0．40．88-1．120．70-0．902．5-3．00．22－150-60	1(42．5R)0．250．20－－1．250．861．30．162．6210	1(52．5级)0．35－－0．31．100．812．50．18-0．22	1(52．5R)0．130．20-0．320-0．13－1．250．865．70．172-3160-175
		0 3200 250			0 3160-170 230-240
养护制度	热水养护[5]	热水养护[6]	热水养护[7]	热水养护[14]	热水养护[15]	热水养护[16]

注：为了具有可比性，文中采用了“砂胶比”参数，其值为砂子与胶凝材料(包括泥与矿物细掺料，不包括石英粉)的质量比。表中砂胶比除配比2来自原有文献以外，其余均由笔者换算而来。4 RPC200配合比设计中存在的问题4．1 原材料问题
RPC200采用的原材料与一般高性能高强混凝土相比存在很大的差别。如RPC200不含粗骨料，添加了矿物细掺料，并掺入了高效减水剂和钢纤维等。RPC200组分多，强度高，对原材料性能很敏感。目前国内研究者在配制RPC200时，对原材料的选择基本上考虑就地取材，这一方面对降低成本，促进其工程应用提供了研究基础，另一方面也给有限的试验数据造成了很多不可比的因素，且试验结果差别较大。
(1)为了优化颗粒级配，减少孔隙率，改善孔结构，提高RPC200的工作性、强度和耐久性，RPC200中掺入了硅灰、粉煤灰、石英粉等细掺料。细掺料质量的变化将对RPC200的性能带来显著影响。但由于目前国内缺乏一种评价矿物细掺料的质量指标体系，因此，如何稳定矿物细掺料产品的性能，制订其品质标准，对配制性能优异、质量稳定的RPC200至关重要，也是应深入研究的问题。
(2)高效减水剂解决了RPC200低水胶比与工作性之间的矛盾。然而，高效减水剂与水泥的相容性问题是目前国内研究者配制RPC时普遍忽略的问题。虽然某些高效减水剂在极低水胶比下能获得较好的工作性，但是其坍落度损失极快，显然满足不了工程应用的需要。此外，目前高效减水剂的品种繁多，良莠不齐。因此，应尽快建立起评价高效减水剂品质的质量体系，规范市场。(3)钢纤维的掺入对增加RPC200的韧性和体积稳定性有着重要作用。但目前钢纤维售价较高，如熔抽法生产的碳钢纤维售价2000~3000元/t,薄钢板剪切法生产的碳钢纤维售价4000~7000元／t，成为钢纤维RPC应用的障碍。因此，大力开发生产价廉质优的钢纤维品种，对推广钢纤维RPC在工程中的应用具有重要意义。
4．2试件制备问题
RPC的搅拌、成型和养护等与一般高性能混凝土的常规工艺条件存在较大的差别，它们对RPC的性能有重要影响。目前国内研究者在配制RPC200时，除了对养护方法和养护制度有较具体的探讨外，极少有研究者关注其搅拌和成型等制备工艺，其方法基本沿袭了国外文献中提出的搅拌工艺和国内的水泥胶砂振动成型工艺。如何针对我国配制RPC200的实际情况，探讨一种既经济又能提高其工作性、强度和耐久性的制备工艺显得非常重要。
4．3 试验参数问题
试件和加荷条件等是影响RPC强度试验的重要参数，主要包括混凝土试件尺寸和潮湿情况等影响：加载参数包括应力大小和持续时间以及所加应力的速率。
目前，国内研究者在配制RPC200时，除了普遍采用40mmx40mmxl60mm尺寸的试件外，还有70．7mm×70．7mm×70．7mm和100mm×l00mm×l00mm等立方体试件。虽然相对于普通混凝土，RPC的尺寸效应不甚显著，但其尺寸效应对强度的影响仍不可忽略。另外，目前在进行RPC强度试验时的潮湿情况也不一，如有的试件在试验时处于干燥状态，而有的试件在热养护后再进行标准养护，因此试件在试验时相对湿度达到90％以上。目前相对湿度对RPC200强度的影响程度还不得而知。此外，也极少有研究者关注加载持续时间及所加应力的速率对RPC强度的影响。
4．4 规范问题
如上所述，RPC200与一般高性能高强混凝土在原材料、配合比以及生产和施工工艺各方面，存在很大的差别。标准、规范的缺乏对RPC200的工程应用和推广是很不利的。因此，现阶段需要积极积累经验，制订适合于我国国情的RPC200的标准和规程，并在实践中不断完善，以提高设计的精确度和可靠性。5 结 语
RPC是近代水泥基材料科学与工程学取得的新成就，是混凝土技术长期实践的结果。作为一种新型的超高性能混凝土，正确选择RPC200的原材料和配合比设计参数，对简化试配工作，促使其推广到工程应用具有重要的意义。然而，因数据有限，已有试验数据中原材料品质多样，试验参数不统一，因此，目前还难以建立适当模型与强度、耐久性和工作性等要求联系起来，建立一种快速设计方法。随着国内对RPC200试验数据的不断扩充，原材料生产供应市场的不断规范，其配合比将会得到更深入的研究。

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